水平細(xì)通道內(nèi)CO2流動(dòng)沸騰換熱流態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究

(1 上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093；2 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院 上海 200093)

在CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中使用細(xì)通道換熱器，可有效提高制冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行效率，減小對(duì)自然環(huán)境的破壞作用[1]。但由于CO2熱物性較為特殊，如表面張力較小使初始核化所需過(guò)熱度值較小，加熱壁面上能夠快速產(chǎn)生較多的汽化核心，核態(tài)沸騰換熱作用得到強(qiáng)化，破壞表面生成的液膜，導(dǎo)致環(huán)狀流液膜不穩(wěn)定；液體導(dǎo)熱系數(shù)較大使壁面熱量能夠更快的導(dǎo)入貼近壁面的液膜內(nèi)，提高換熱初始過(guò)熱度，有利于氣泡的形成；液體黏度較小使壁面生成液膜較薄，表面剪切力較??；液氣密度較小使兩相流相變換熱過(guò)程中流體平均速度變化較小，同時(shí)氣相和液相之間相對(duì)速度差也較小。因此，CO2流態(tài)轉(zhuǎn)變特性較為特殊，由常規(guī)制冷劑修正而來(lái)的理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型對(duì)CO2流態(tài)預(yù)測(cè)偏差較大[2-6]?？赡苡捎贑O2制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，對(duì)其管內(nèi)實(shí)際流態(tài)可視化研究較少，尤其針對(duì)飽和溫度低于-20 ℃時(shí)的流態(tài)研究很少，專門針對(duì)CO2理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的可靠性有待商榷[7-8]。針對(duì)上述現(xiàn)象，本文對(duì)細(xì)通道內(nèi)CO2實(shí)際流態(tài)進(jìn)行可視化研究，驗(yàn)證CO2理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型的可靠性，并對(duì)其進(jìn)行更新。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成：1)CO2循環(huán)系統(tǒng)；2)脈管制冷機(jī)系統(tǒng)；3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)Tab.1 Main parameters of equipments in experimental system

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of experimental system

CO2循環(huán)系統(tǒng)主要由部件測(cè)試段、套管式冷凝器、儲(chǔ)液器、套管式過(guò)冷器、磁力蠕動(dòng)泵、質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱器、安全器組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)循環(huán)動(dòng)力由磁力蠕動(dòng)泵提供。由于CO2制冷系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需要對(duì)流態(tài)進(jìn)行可視化研究，所以本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中沒(méi)有使用制冷壓縮機(jī)，而是采用磁力蠕動(dòng)泵作為循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，這樣不僅能夠有效降低整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力，還方便實(shí)現(xiàn)飽和溫度的控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，液態(tài)CO2從儲(chǔ)液器中泵出，經(jīng)套管式過(guò)冷器過(guò)冷后由Coriolis質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得液態(tài)CO2循環(huán)質(zhì)量流量，液態(tài)CO2過(guò)冷可防止由于管路阻力出現(xiàn)閃蒸和漏熱現(xiàn)象導(dǎo)致的部分液態(tài)CO2汽化，影響質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量精度。通過(guò)ABB變頻器調(diào)節(jié)磁力蠕動(dòng)泵的頻率或轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制CO2液體流量。為方便控制測(cè)試段CO2入口干度，在進(jìn)入測(cè)試段前裝有預(yù)熱器，在預(yù)熱器表面均勻纏繞電阻絲，采用大電流、低電壓直接對(duì)其進(jìn)行加熱，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流來(lái)控制輸入預(yù)熱器中的熱量，輸入熱量直接由WT330功率計(jì)采集得到。從測(cè)試段排出的高干度CO2兩相流進(jìn)入套管式冷凝器中冷凝為液體。系統(tǒng)中裝有儲(chǔ)液器為CO2循環(huán)系統(tǒng)提供足夠的液體量，同時(shí)在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行壓力時(shí)也能起到緩沖作用。停機(jī)后，為保證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在恢復(fù)至環(huán)境溫度過(guò)程中不會(huì)因CO2液體快速氣化壓力迅速上升而造成管路和設(shè)備的爆裂，系統(tǒng)中裝有安全容器和安全閥。

由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用磁力蠕動(dòng)泵取代壓縮機(jī)為循環(huán)系統(tǒng)提供動(dòng)力，所以在套管式冷凝器很難獲得高冷凝壓力，且實(shí)驗(yàn)工況飽和溫度較低，跨度區(qū)間較大，因此由測(cè)試段排出的CO2高干度蒸汽由脈管制冷機(jī)組提供的冷量冷凝。為保證質(zhì)量流量計(jì)能夠準(zhǔn)確測(cè)量CO2液體流量，在進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)前裝有套管式過(guò)冷器對(duì)CO2液體進(jìn)行過(guò)冷，過(guò)冷器冷量同樣由脈管制冷機(jī)組提供。

1.2 可視化與測(cè)試段

可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由可視化實(shí)驗(yàn)段和圖像處理軟件兩部分組成?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)段包括石英玻璃段、真空密閉腔、高速攝像機(jī)、可調(diào)光源、PC機(jī)及通訊線，圖2所示為可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于CO2循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，為保證測(cè)試的安全性，對(duì)可視段采用法蘭夾持的結(jié)構(gòu)形式。在不影響觀測(cè)效果的前提下可視段采用壁厚為5 cm石英玻璃。進(jìn)行流態(tài)動(dòng)態(tài)觀測(cè)時(shí)，為排除可視段與外部環(huán)境之間熱傳遞對(duì)內(nèi)部流態(tài)及其轉(zhuǎn)變特性造成影響，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將可視段置于密閉矩形腔內(nèi)，用真空泵抽空密閉矩形腔內(nèi)的空氣，保證可視段處于真空環(huán)境中，以避免外界環(huán)境熱量進(jìn)入可視段內(nèi)影響流態(tài)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。在真空密閉矩形腔兩側(cè)安裝石英玻璃可視窗，一側(cè)安裝可調(diào)光源，有效發(fā)光面積為100 mm×100 mm，另一側(cè)架設(shè)Basler高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集CO2動(dòng)態(tài)流態(tài)。利用基于LabView圖形化語(yǔ)言編制的圖像處理軟件對(duì)動(dòng)態(tài)流態(tài)錄像進(jìn)行后期處理和分析。

圖2 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of visualization experiment system

測(cè)試段為水平放置內(nèi)外表面光滑不銹鋼圓管，總長(zhǎng)為300 mm，外徑為6 mm，內(nèi)徑為1.5 mm，內(nèi)表面粗糙度為16 μm，其中加熱段長(zhǎng)為150 mm。將電加熱絲均勻緊密纏繞于測(cè)試段上，考慮人身安全問(wèn)題，采用可調(diào)穩(wěn)壓電源提供大電流、低電壓直接加載在電加熱絲兩端對(duì)測(cè)試段加熱，通過(guò)可調(diào)穩(wěn)壓電源控制加載在電加熱絲兩端的電流即可無(wú)極調(diào)節(jié)測(cè)試段加熱量，測(cè)試段電加熱量直接由功率計(jì)WT330測(cè)得，在測(cè)試段外壁的3個(gè)位置的上、下、左、右4個(gè)方向布置12個(gè)貼片式鉑電阻對(duì)測(cè)試段外壁溫進(jìn)行測(cè)量，在加熱段前后布置引壓管接入壓差傳感器中測(cè)量總壓差，測(cè)試段布置如圖3所示。

圖3 測(cè)試段布置圖Fig.3 Test section layout

1.3 數(shù)據(jù)處理及不確定度

加熱段焓值的變化由加熱段位置z計(jì)算獲得，局部干度通過(guò)線性內(nèi)插法獲得，具體計(jì)算如式(1)、式(2)[9-10]所示。

(1)

(2)

為減少隨機(jī)誤差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是基于工況穩(wěn)定后進(jìn)行的，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別工況，一旦判斷穩(wěn)定自動(dòng)開(kāi)始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期為2 s，每存10組數(shù)據(jù)做一次平均值并保存，每個(gè)穩(wěn)定工況均取5 min內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。由于儀器儀表本身具有精度等級(jí)，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中各參數(shù)均具有一定的不確定度，由于不確定度具有可傳播性，所以二次計(jì)算量干度具有不確定度。為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及后期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析具有較高的置信區(qū)間，根據(jù)技術(shù)規(guī)范對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

由式(1)可知，蒸氣干度通過(guò)計(jì)算z處?kù)手?，結(jié)合線性內(nèi)插法計(jì)算獲得，因此干度不確定度計(jì)算如式(3)～式(7)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：εhz為測(cè)試段中間位置焓值的不確定度；εhl為制冷劑飽和液體焓值不確定度，εhlv為制冷劑汽化潛熱值不確定度；εq為熱流密度不確定度。根據(jù)測(cè)試段電加熱功率測(cè)量精度為±0.2%；漏熱實(shí)驗(yàn)漏熱量熱平衡差小于2.3%；測(cè)試段內(nèi)徑為1.5 mm，加熱段長(zhǎng)為150 mm，測(cè)量精度為0.01 mm；質(zhì)量流量計(jì)精度為±0.1%，預(yù)熱器電加熱功率測(cè)量精度為±0.2%，焓值不確定度計(jì)算干度最大不確定度為3.1%。

2 理論流態(tài)預(yù)測(cè)模型

M.J.Quiben等[11-12]基于334組CO2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上獲得了流態(tài)預(yù)測(cè)理論數(shù)學(xué)計(jì)算模型，適用工況范圍：質(zhì)量流率170～570 kg/(m2·s)，熱流密度5 ～32 kW/m2，飽和溫度：-5～25 ℃，通道尺寸0.8～10 mm，干度0～1。流態(tài)預(yù)測(cè)理論數(shù)學(xué)計(jì)算模型如式(8)～式(16)所示：

(8)

Gwavy=50+

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

圖4～圖6分別為不同實(shí)驗(yàn)工況下理論流態(tài)圖。圖中B為泡狀流區(qū)域；I為間歇流區(qū)域；A為環(huán)狀流區(qū)域；S為塞狀流區(qū)域；SW為分層流區(qū)域；W為波狀流區(qū)域；D為干涸區(qū)域；M為霧狀流區(qū)域，Gbubble為泡狀流-間歇流/彈狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線；Gwavy為波狀流-環(huán)狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線；Gstrat為分層流-波狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線；XIA為間歇流-環(huán)狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線；Gdryout為環(huán)狀流-干涸區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線；Gmist為干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線。根據(jù)質(zhì)量流率和干度確定流態(tài)形式，基于流態(tài)形式對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行劃分，如圖中紅色虛線所示。

圖4 飽和溫度Tsat=-10 ℃、質(zhì)量流率G=400 kg/(m2·s)、熱流密度q=7.5 kW/m2、內(nèi)徑Di=1.5 mm時(shí)CO2理論預(yù)測(cè)流態(tài)圖Fig.4 Theoretical flow pattern diagram for CO2 at Tsat=-10 ℃，G=400 kg/(m2·s)，q=7.5 kW/m2,Di=1.5 mm

圖5 飽和溫度Tsat=-10 ℃、質(zhì)量流率G=400 kg/(m2·s)、熱流密度q=30 kW/m2、內(nèi)徑Di=1.5 mm時(shí)CO2理論預(yù)測(cè)流態(tài)圖Fig.5 Theoretical flow pattern diagram for CO2 at Tsat=-10 ℃，G=400 kg/(m2·s)，q=30 kW/m2,Di=1.5 mm

圖6 飽和溫度Tsat=-35 ℃、質(zhì)量流率G=300 kg/(m2·s)、熱流密度q=30 kW/m2、內(nèi)徑Di=1.5 mm時(shí)CO2理論預(yù)測(cè)流態(tài)圖Fig.6 Theoretical flow pattern diagram for CO2 at Tsat=-35 ℃，G=300 kg/(m2·s)，q=30 kW/m2,Di=1.5 mm

由基于流態(tài)預(yù)測(cè)理論數(shù)學(xué)計(jì)算模型繪制的理論流態(tài)圖(圖5)可以看出，質(zhì)量流率直接決定了換熱過(guò)程中所經(jīng)歷的流態(tài)形式，有些流態(tài)只有在質(zhì)量流率較小時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái)，如分層流、塞狀流等[12]。由圖5可以看出，隨著質(zhì)量流率的增大，Gdryout、Gmist均向左上方延伸，分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的干度值有減小的趨勢(shì)。因?yàn)殡S著質(zhì)量流率的增大，在相同干度下，氣液兩相相對(duì)速度差增大導(dǎo)致氣液兩相界面上剪切力增大，對(duì)連續(xù)液膜造成破壞，加劇了液膜的不穩(wěn)定性，同時(shí)高速氣流夾帶液滴作用增強(qiáng)，使局部干涸現(xiàn)象在較小干度就發(fā)生，所以Gdryout、Gmist向左上方移動(dòng)[13]。

熱流密度對(duì)Gdryout、Gmist具有重要影響。隨著熱流密度的增大，代表環(huán)狀流區(qū)域的面積A和干涸區(qū)域的面積D均變小，環(huán)狀流和干涸區(qū)域?qū)?yīng)的干度分布范圍變小，霧狀流區(qū)域?qū)?yīng)的干度分布范圍擴(kuò)大。因?yàn)闊崃髅芏仍龃?，管?nèi)液體蒸發(fā)劇烈，干涸現(xiàn)象提前發(fā)生，且干涸進(jìn)程加快，所以環(huán)狀流和干涸區(qū)域?qū)?yīng)的干度分布范圍變小，霧狀流區(qū)域擴(kuò)大。隨著熱流密度的增大，Gdryout、Gmist均向左移。這是因?yàn)闊崃髅芏鹊脑黾邮构軆?nèi)工質(zhì)相變換熱更為劇烈，液相工質(zhì)氣化更為迅速，所以局部干涸現(xiàn)象提前發(fā)生，Gdryout、Gmist均向左移。

飽和溫度對(duì)流型轉(zhuǎn)變具有重要影響，隨著飽和溫度的上升，XIA向右移，Gdryout、Gmist向左移。這是因?yàn)殡S著飽和溫度的增加，液氣密度比減小，氣液相速度比減小，間歇流中的氣泡聚合困難，難以形成連貫的氣芯，所以XIA向右移，間歇流區(qū)域增大；較高的飽和溫度表面張力較小，在高干度區(qū)域液膜容易破裂，局部干涸現(xiàn)象提前出現(xiàn)，所以Gdryout、Gmist向左移。隨著飽和溫度的降低，代表干涸區(qū)域的面積越小，甚至在環(huán)狀流與霧狀流之間消失，主要是因?yàn)殡S著飽和溫度的降低，液氣密度比、表面張力、液體黏度均增大，使管內(nèi)氣流速度加快，液相流體能夠更好的附著在管內(nèi)壁面形成環(huán)狀流，在高熱流密度高質(zhì)量流率工況下，管內(nèi)液滴夾帶現(xiàn)象明顯增強(qiáng)，管內(nèi)流態(tài)直接由環(huán)狀流轉(zhuǎn)向霧狀流轉(zhuǎn)變。

3 流態(tài)可視化研究

基于可視化研究裝置，對(duì)CO2在1.5 mm細(xì)通道內(nèi)氣泡動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明：僅當(dāng)在質(zhì)量流率較小時(shí)，才能夠觀測(cè)到較多的流態(tài)形式，這與流態(tài)預(yù)測(cè)理論數(shù)學(xué)計(jì)算模型反映的趨勢(shì)一致。一般情況下細(xì)通道內(nèi)換熱速度較快，為了清晰分辨各流態(tài)，熱流密度要處于較小的工況下。圖7所示為CO2在細(xì)通道內(nèi)氣泡動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程。從壁面脫離后的氣泡因浮力作用懸浮于管道上方，隨著主流液體一起向前運(yùn)動(dòng)，由于換熱進(jìn)程較快，氣泡很快長(zhǎng)大脫離壁面，但氣泡內(nèi)徑略小于管徑，如圖7(a)、圖7(b)所示；隨著換熱持續(xù)進(jìn)行，氣泡繼續(xù)生長(zhǎng)直至管徑般大小，壁面上剛核化形成的小氣泡還沒(méi)來(lái)得及脫離就被吞并形成更大的氣泡，形成的大氣泡能夠截獲更多的氣泡，由于管內(nèi)徑向尺寸的限制，氣泡只能沿軸向延伸，氣泡形狀也由自然形成的圓形轉(zhuǎn)變?yōu)樽訌椥停鲬B(tài)也呈現(xiàn)為塞狀流或間歇流狀態(tài)，如圖7(c)～圖7(h)所示；隨著換熱的進(jìn)一步進(jìn)行，氣泡間的液塞蒸發(fā)殆盡，氣泡與氣泡直接相連，此時(shí)管內(nèi)流速較低，因受到重力作用，氣相工質(zhì)集中在管上部，液體沉積在管底部流動(dòng)，氣液兩相分界面較為光滑，如圖7(f)～圖7(j)所示；隨著換熱的進(jìn)行干度增加，管內(nèi)流速也增加，尤其氣相流速的增加導(dǎo)致液體薄層表面液體沿流動(dòng)方向翻滾，在氣液分界面上形成波，且沿著流動(dòng)方向往下游傳遞，形成波狀流，如圖7(k)所示；當(dāng)氣流速度足夠大時(shí)，擠壓沉積在底部液體至管兩側(cè)，當(dāng)兩側(cè)液膜在管頂部接觸時(shí)，管橫截面上形成了連續(xù)的環(huán)形液膜，中心為高速流動(dòng)的蒸汽核心，環(huán)狀液膜與蒸汽核心之間存在強(qiáng)烈的擾動(dòng)現(xiàn)象，尤其在環(huán)狀流后期中心高速氣流夾帶氣液分界面上表層液體分子以液滴的形式彌散在中心氣流中，如圖7(l)所示；在換熱的最后階段，液膜逐漸變薄甚至蒸干，氣相為連續(xù)流體，液體完全以液滴的形式彌散在高速流動(dòng)的氣體中，進(jìn)入霧狀流區(qū)域，如圖7(m)所示。

圖7 CO2氣泡動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程Fig.7 Dynamic grow progress of CO2 bubble

圖8 質(zhì)量流率為100 kg/(m2·s)時(shí)，相同飽和溫度下CO2管內(nèi)流態(tài)隨熱流密度的變化Fig.8 The flow pattern variation for CO2 with different heat flux at mass flow rate G=100 kg/(m2·s)and the same saturation temperature

圖8所示為在質(zhì)量流率為100 kg/(m2·s)時(shí)，相同飽和溫度下CO2管內(nèi)流態(tài)隨熱流密度的變化。由圖8可知，隨著熱流密度的增大，沉積在管底部的液膜逐漸變薄直至蒸干，隨著管內(nèi)液相逐漸蒸發(fā)為氣相，管內(nèi)流速迅速增加，帶動(dòng)氣液分界面上表層液體分子隨流動(dòng)方向翻滾，管內(nèi)流態(tài)由分層流發(fā)展為波狀流，最終發(fā)展為霧狀流。熱流密度的大小對(duì)管內(nèi)CO2由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟霓D(zhuǎn)變速率具有決定性作用，而對(duì)流態(tài)形式?jīng)]有影響。對(duì)相同質(zhì)量流率相同熱流密度不同飽和溫度下流態(tài)變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，飽和溫度對(duì)流態(tài)的影響與熱流密度類似，主要原因是不同飽和溫度下汽化潛熱不同，相當(dāng)于改變熱流密度，所以飽和溫度對(duì)流態(tài)的影響與熱流密度類似。

圖9所示為在熱流密度為7.5 kW/m2時(shí)，相同飽和溫度下CO2管內(nèi)流態(tài)隨質(zhì)量流率的變化。當(dāng)質(zhì)量流率為50 kg/(m2·s)時(shí)，管內(nèi)流態(tài)為氣液界面較為光滑的分層流；當(dāng)質(zhì)量流率提升至150 kg/(m2·s)時(shí)，管內(nèi)為氣液界面擾動(dòng)較為強(qiáng)烈的波狀流；當(dāng)質(zhì)量流率提升至300 kg/(m2·s)以上時(shí)，管內(nèi)流態(tài)則為中心高速蒸汽核心的環(huán)狀流。由此可見(jiàn)質(zhì)量流率直接決定換熱過(guò)程中流態(tài)形式，隨著質(zhì)量流率的增加，氣液兩相相對(duì)速度差增大，對(duì)氣液界面的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，造成液膜不穩(wěn)定，流態(tài)由分層流向波狀流/環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，管內(nèi)表面上部容易出現(xiàn)局部干涸，這與流態(tài)預(yù)測(cè)理論數(shù)學(xué)計(jì)算模型研究相一致。

圖9 熱流密度為7.5 kW/m2時(shí)，相同飽和溫度下CO2管內(nèi)流態(tài)隨質(zhì)量流率的變化Fig.9 The flow pattern variation for CO2 with different mass flow rate at heat flux q=7.5 kW/m2 the same saturation temperature

對(duì)比實(shí)際觀測(cè)CO2動(dòng)態(tài)流態(tài)與理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型可知，由理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型繪制的理論流態(tài)圖能夠較好的反映CO2在細(xì)通道內(nèi)所需經(jīng)歷的流態(tài)；對(duì)比研究不同工況下觀測(cè)到的流態(tài)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量流率、熱流密度和飽和溫度對(duì)流態(tài)及其轉(zhuǎn)變特性的影響與不同工況下理論流態(tài)圖對(duì)比研究反映的變化趨勢(shì)一致。

流態(tài)可視化研究表明：當(dāng)前由理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型繪制的理論流態(tài)圖中流態(tài)邊界轉(zhuǎn)變曲線預(yù)測(cè)偏差較大，尤其對(duì)干涸區(qū)域和霧狀流區(qū)域預(yù)測(cè)偏差較大，與理論流態(tài)圖對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，理論流態(tài)圖對(duì)Gdryout、Gmist預(yù)測(cè)較為提前，這是因?yàn)楸疚膶?shí)驗(yàn)研究工況飽和溫度較低，液體黏度較大，附著在壁面的液膜較厚，汽化潛熱較大等特性延緩了干涸現(xiàn)象的出現(xiàn)，而Cheng L.X.等[12]理論流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型適合工況-5～25 ℃，因此對(duì)低溫工況下理論流態(tài)預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差。

4 流態(tài)理論預(yù)測(cè)模型更新

理論分析液氣黏度比、表面張力及液氣密度比等均對(duì)CO2干涸現(xiàn)象有影響，因此本文研究水平細(xì)圓管內(nèi)CO2干涸特性時(shí)對(duì)臨界熱流密度理論模型進(jìn)行了更新[14-15]，添加了液氣黏度比無(wú)量綱因子，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新擬合臨界熱流密度預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，如式(17)所示。

(17)

基于更新后的臨界熱流密度理論預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型和流態(tài)可視化研究對(duì)Gdryout、Gmist分別進(jìn)行更新，利用計(jì)算機(jī)算法對(duì)式(18)、式(19)中系數(shù)重新進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2、表3所示。

表2 環(huán)狀流-干涸區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線系數(shù)Tab.2 The coefficient of transformation curve at the annular to the dryout area

表3 干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線系數(shù)Tab.3 The coefficient of transformation curve at the dryout area to mist area

(18)

(19)

由流態(tài)可視化研究可知，流態(tài)及流態(tài)變化受質(zhì)量流率和熱流密度影響較大[16-18]，而Cheng L.X.等[12]理論流態(tài)預(yù)測(cè)模型中間XIA數(shù)學(xué)計(jì)算式中未能體現(xiàn)質(zhì)量流率與熱流密度的作用，所以考慮加入沸騰數(shù)Bo作為影響因子，數(shù)學(xué)計(jì)算模型如式(20)～式(22)所示，擬合結(jié)果如表4所示。

(20)

(21)

(22)

表4 間歇流-環(huán)狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線系數(shù)Tab.4 The coefficient of transformation curve at the Intermittent to annular

圖10所示為更新后CO2流態(tài)圖，新建CO2流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型與統(tǒng)計(jì)不同工況不同干度下流態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可視化研究得到的流態(tài)89.4%符合新建CO2流型圖對(duì)于流型的劃分，因此可以認(rèn)為新建CO2流態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖10 飽和溫度Tsat=-10 ℃、質(zhì)量流率G=400 kg/(m2·s)、熱流密度q=30 kW/m2、內(nèi)徑Di=1.5 mm下CO2更新理論流態(tài)圖Fig.10 The updated theoretical flow pattern diagram for CO2 at Tsat= -10 ℃，G=400 kg/(m2·s)，q=30 kW/m2,Di=1.5 mm

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于間歇流、環(huán)狀流、干涸區(qū)域及霧狀流的流態(tài)特征較為明顯，在可視化研究過(guò)程中出現(xiàn)頻率高，且容易觀測(cè)辨別，便于將相應(yīng)工況下流態(tài)與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和摩擦壓降對(duì)應(yīng)；而泡狀流、分層流、波狀流等流態(tài)由于換熱極快，所以流態(tài)只是短暫的出現(xiàn)過(guò)，分界線不明顯難以觀察分辨，且流態(tài)可視化研究過(guò)程中存在筆者觀測(cè)主觀性，不能保證實(shí)驗(yàn)觀測(cè)流態(tài)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和摩擦壓降能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，為保證更新CO2流態(tài)圖的可靠性，本文不對(duì)這些模棱兩可的流態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所以不對(duì)泡狀流、分層流及波狀流邊界轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行更新。

5 結(jié)論

本文針對(duì)CO2在水平細(xì)通道管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過(guò)程流態(tài)特性進(jìn)行了理論分析。當(dāng)熱流密度為7.5～30 kW/m2，質(zhì)量流率為50～600 kg/(m2·s)，飽和溫度為-40～0 ℃，干度為0～1，內(nèi)徑為1.5 mm時(shí)，對(duì)水平細(xì)通道內(nèi)氣泡動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論流態(tài)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)理論流態(tài)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行更新，得到如下結(jié)論：

1)通過(guò)對(duì)不同工況下理論流態(tài)圖對(duì)比分析可知，質(zhì)量流率對(duì)換熱過(guò)程中所經(jīng)歷的流態(tài)具有決定性作用，隨著質(zhì)量流率的增大，環(huán)狀流-干涸區(qū)域、干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線均往向左上方延伸；熱流密度對(duì)干涸區(qū)域和霧狀流區(qū)域有決定性作用，隨著熱流密度增大，環(huán)狀流-干涸區(qū)域、干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線向左移；飽和溫度對(duì)流型轉(zhuǎn)變特性具有重要影響，隨著飽和溫度的上升，間歇流-環(huán)狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線向右移，環(huán)狀流-干涸區(qū)域、干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線向左移。

2)對(duì)CO2在水平細(xì)通道內(nèi)氣泡動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行可視化研究，結(jié)果表明：僅當(dāng)質(zhì)量流率和熱流密度均較小時(shí)，才能夠容易觀測(cè)到較多的流型。對(duì)比實(shí)際CO2動(dòng)態(tài)流態(tài)與理論流態(tài)圖可知，理論流態(tài)圖能夠較好的反映CO2在流動(dòng)沸騰換熱過(guò)程中所經(jīng)歷的流態(tài)。通過(guò)對(duì)不同工況下流態(tài)可視化的研究發(fā)現(xiàn)，不同工況下理論流態(tài)圖所反映的流態(tài)變化趨勢(shì)符合實(shí)際流態(tài)變化規(guī)律；但理論流態(tài)圖對(duì)CO2流態(tài)轉(zhuǎn)變的預(yù)測(cè)偏差較大，尤其在干涸區(qū)域和霧狀流區(qū)域。

3)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和更新后臨界熱流密度理論預(yù)測(cè)模型對(duì)理論流態(tài)圖中環(huán)狀流-干涸區(qū)域、干涸-霧狀流區(qū)域邊界轉(zhuǎn)變曲線進(jìn)行更新，對(duì)間歇流/彈狀流-環(huán)狀流邊界轉(zhuǎn)變曲線更新中引入了沸騰數(shù)Bo表征質(zhì)量流率和熱流密度對(duì)流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響；可視化研究獲得的流態(tài)數(shù)據(jù)中89.4%符合新建CO2流型圖對(duì)流型的劃分。

符號(hào)說(shuō)明

A——面積，m2

Bo——沸騰數(shù)

D——水力直徑，m

Fr——費(fèi)勞德數(shù)

G——質(zhì)量流率，kg/(m2·s)

h——焓值，kJ/kg

H——無(wú)量綱液面高度

L——加熱段長(zhǎng)度，m

M——摩爾分子量，kg/kmol

Pr——普朗特?cái)?shù)

P——無(wú)量綱液體濕周

式中65ZB為河南省人口老齡化系數(shù)；CZHL為河南省城鎮(zhèn)化率；LNFYB表示河南省老齡人口撫養(yǎng)比；WSJGS為河南省衛(wèi)生機(jī)構(gòu)數(shù)。

q——熱流密度，W/m2

qm——質(zhì)量流量，kg/s

Q——熱量，W

x——干度

σ——表面張力，N/m

θ——潤(rùn)濕角，rad

g——重力加速度，9.81 m/s2

ρ——密度，kg/m3

u——速度，m/s

We——韋伯?dāng)?shù)

ε——不確定度

μ——黏度，Pa·s

z——距離，m

下標(biāo)

CHF——臨界

pre——預(yù)熱

sul——過(guò)冷

v——?dú)怏w

l——液體

waly——波狀流

bubbly——泡狀流

dryout——干涸

IA——間歇流轉(zhuǎn)換環(huán)流

LD——液相占管橫截面

leak——泄漏

lv——液相轉(zhuǎn)氣相

mist——霧狀流

strat——分層流

VD——?dú)庀嗾脊軝M截面