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摘 要：为提高多通道烘缸的换热效率，优化其蒸汽利用率，本研究探究了蒸汽在多通道烘缸通道内的冷凝换热过程，并借助高速摄像机对蒸汽冷凝换热过程进行了可视化观测。在蒸汽质量流速（kg/（m2·s））与冷却水质量流量（kg/h）两种不同工况下，分析了多通道烘缸通道内气液两相流型的变化情况，研究了通道内蒸汽冷凝换热系数及其沿通道壁面方向压降的变化规律，为多通道烘缸通道内蒸汽的流动与传热机理研究提供了依据。
关键词： 冷凝换热;两相流;压降;可视化;多通道烘缸
中图分类号：TS734;TK124
文献标识码：A
DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.010
多通道烘缸是为了改善传统烘缸冷凝水积水问题提出的一种新型烘缸[1]。与传统烘缸相比，多通道烘缸虽然改善了冷凝水积水问题，但蒸汽在烘缸通道中的流动会因冷凝而形成气液两相混合流动的状态，其传热特点相对复杂。
国内外研究人员对以上提出的问题进行了实验研究，Choi S U S等人[2]对夹套烘缸通道内冷凝换热系数、两相流动压降同蒸汽质量流速与干度的关系进行了研究，得出冷凝换热系数与蒸汽质量流速及干度无关;两相流动压降梯度随蒸汽质量流速及干度的增加而增大。Shin J H等人[3]对单个水平通道蒸汽冷凝的流动和传热特性进行了研究，除了得到与Choi S U S相似的结果，同时发现当水平通道截面宽高比为1∶3时，单个水平通道具有最高的冷凝换热系数与最小的两相流动压降。严彦等人[4-5]对多通道烘缸单个水平矩形管内冷凝换热特性及流型进行了可视化研究。结果表明，当蒸汽质量流速较低时，冷凝换热系数受蒸汽质量流速和干度影响较小;随着蒸汽质量流速增加，冷凝换热系数受到蒸汽质量流速和干度的影響变大，且随着蒸汽质量流速和干度的增加而增加，而在数值模拟研究方面国内外研究较少。师晋生等人[6-7]对矩形肋槽烘缸传热特性进行了研究，分析了饱和水蒸气在烘缸内壁肋顶面与肋侧面上的冷凝和对流传热，
推导出关于烘缸传热系数的具体计算公式。结果表明，宽的肋顶面和短的肋侧面有利于增强肋槽烘缸的传热，增大肋宽有利于提高传热速率。陕西科技大学董继先团队[8-11]对多通道烘缸结构与传热机理进行了CFD数值模拟研究，利用FLUENT软件对气液两相流型、烘缸传热性能等进行了数值模拟。研究表明，当两相流型为环状流时，通道内两相流动压降最小。同时，在一定条件下，提高蒸汽入口压力不仅可以提高多通道烘缸的干燥效率，还可以进一步改善其表面温度分布的不均匀性。
本实验通过改变入口冷却水质量流量来模拟湿纸幅的不同含水率所对应的冷负荷，借助已建立的实验装置，分析入口蒸汽质量流速与入口冷却水质量流量对冷凝换热系数与两相流动压降的影响。开展蒸汽在多通道烘缸中的冷凝换热以及气液两相流动特性研究，为造纸干燥部烘缸节能降耗提供依据。
1 实验设备
图1为多通道烘缸通道内冷凝实验装置流程图。如图1所示，实验装置由三部分组成，即实验段、水蒸气回路、冷却水回路，该实验装置可用于观测两相流型变化、测量两相流动压降和冷凝换热系数。
本实验中实验段水蒸气冷凝通道截面宽高比为1∶3，不仅用于验证前人的实验结果，同时研究多通道烘缸通道内蒸汽冷凝流动与传热的影响。实验段测试部分由800 mm铝制矩形板制造，两侧分别刻有矩形通道，即水蒸气冷凝通道和冷却水换热通道，如图2所示。由图2可知，水蒸气冷凝通道两侧借助铝制矩形板以及耐高温的聚碳酸酯有机玻璃板可实现可视化，再用不锈钢板夹紧固定，除可视通道拍摄范围外，所有外侧表面均紧密贴有两层厚度为30 mm的绝热保温棉，最大限度地减少从铝制矩形板扩散到环境中的热损失。
在水蒸气回路中，去离子水从蓄水箱流出经过滤器，由变频隔膜泵泵入锅炉，蒸汽由去离子水经电加热蒸汽发生器锅炉加热产生，后经保温管道进入实验
段。在实验段中冷凝传热过程、气液两相变化过程、流型变化过程经由高速摄像机观测;温度、压力由分布于进出口的T型热电偶、压力传感器监测，如图3所示。经过实验段的气液两相流体，被逆流流过的冷却水在换热器（过冷器）中充分冷凝，冷凝成液态去离子水，再经涡轮流量计测量后返回蓄水箱中，循环利用。其中，换热器的主要作用将蒸汽充分冷凝，便于测量蒸汽质量流速，同时减少对变频隔膜泵的损伤。
冷却水回路主要用于模仿湿纸幅在不同含水率所对应冷负荷下的干燥过程。冷却水由水箱经水泵送入实验段进行换热，吸收由蒸汽冷凝释放的热量，加热冷却水，后经换热器进行降温处理返回水箱储存。冷却水换热通道均匀分布9组T型热电偶对冷却水温度进行测量。另外，将数据采集仪（LR8400型，日本HIOKI公司）设定为每20 ms对通道内的温度、压力进行记录一次，所有实验数据点均在稳态条件下测定。该实验装置的实物图如图4所示。
3 结果与分析
气液两相在烘缸通道中的流动，会受重力、黏性力、表面张力和惯性力的共同影响，尤其是流体作用力会严重影响两相流动的流型转换。蒸汽在水蒸气冷凝通道内冷凝过程中，沿程温度随蒸汽的冷凝凝结而逐渐降低。根据第3类边界条件下蒸汽冷凝相变传热可知，影响冷凝换热系数大小的原因可能是入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量。同时，蒸汽冷凝伴随两相流体相态变化，即两相流型改变，这主要原因是存在相间剪切力、速度差以及液膜等因素，因此两相流型对蒸汽流动特性和换热特性存在重要影响。
3.1 入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量对流型的影响
蒸汽在烘缸通道内冷凝换热，将热量传给烘缸壁，干燥湿纸幅，从而蒸汽冷凝为液态冷凝水。在整个汽化潜热释放过程中，气液相态改变发生在两相界面上，表现为流型的变化。采用高速摄像机拍摄观测水蒸气冷凝通道全程两相流型变化，由于进出口流型差异大，故取全区域内占比大的主要流型进行讨论，并对比两相流型理论来进行分析，如图5所示。当冷却水质量流量一定时（Mc为140.4 kg/h），温度98～143℃，压力0.095～0.3 MPa，在5～45 kg/（m2·s）范围内调节入口蒸汽质量流速，调节过程中观测两相流型变化，如图6所示。由图6可知，随着入口蒸汽质量流速的增大，流型变化经历了泡状流、塞状流、分层流、波状流、环状流;当入口蒸汽质量流速较小时（G<18 kg/（m2·s）），流型变化明显且主要以泡状流、塞状流为主;当入口蒸汽质量流速逐渐增大时，冷凝液的产生与流动受到蒸汽的影响，相间剪切力增大，液膜逐渐变薄，形成波状流、环状流，当两相流型为环状流时，对应着最大的蒸汽换热系数。当蒸汽质量流速一定时（G为30 kg/（m2·s）），进口温度20℃，在56.16～532.8 kg/h范围内调节冷却水质量流量，调节过程中观测两相流型变化，由图7所示。由图7可知，随着冷却水质量流量的增大，两相流型发生了与入口蒸汽质量流速增大时相反的变化，即环状流、波状流、分层流、塞状流、泡状流。 3.2 入口蒸汽质量流速对两相流动压降与换热系数的影响
图8所示为入口处蒸汽质量流速对两相流动压降的影响。由图8可知，通道内两相流动压降随入口蒸汽质量流速的增加而增大，当入口蒸汽质量流速较低时（G<15 kg/（m2·s）），压降相对平缓，此时通道中的蒸汽全部冷凝为液态水，且两相流型以泡状流为主，进出口相对压力较小。结合图6可知，当入口蒸汽质量流速为15 kg/（m2·s）时，主要流型从泡状流变化为塞状流，气泡不断地破灭、融合，增加了气液两相界面间的表面相对粗糙度，相应也增大了蒸汽与冷凝液间的摩擦力，造成两相流动压降变大。当入口蒸汽质量流速较高时（G>30 kg/（m2·s）），两相流动压降随蒸汽质量流速的增加而增加。由于较高蒸汽质量流速，通道内两相流动速度较快，导致通道内流体与壁面间的沿程摩擦阻力增大，两相流动压降升高。同时，蒸汽对液膜的剪切力增大，覆盖在通道内壁的冷凝液膜湍流程度增加，导致两相流动压降增大。蒸汽冷凝过程的两相流动压降越大，则表明蒸汽在通道传热过程中克服的摩擦阻力越大，能源消耗越多，所需烘缸干燥纸张的能量越多。因此，可通过选择合理的蒸汽质量流速（G为15 kg/（m2·s））来避免压降过大。
图9所示为入口蒸汽质量流速对蒸汽冷凝换热系数的影响。在相同的冷却水质量流量条件下（Mc为140.4 kg/h），通道内蒸汽冷凝换热系数随着入口蒸汽质量流速的增加而增大。由于随着入口蒸汽质量流速的增大，气液两相环状流在通道内占据区域的长度增大，但环状流液膜较薄，其传热热阻较泡状流、波状流、弹状流传热热阻小，从而提高了通道内蒸汽冷凝换热效率[4]。另外两相流动速度会随着入口蒸汽质量流速的增加而增大，在液膜中有很高的雷诺数，因而产生紊动，面对冷凝液膜的剪切力作用增强，紊动引起的传热增强超过液膜增厚引起的传热减弱，从而提高了通道蒸汽冷凝换热效率。
3.3 冷却水质量流量对两相流动压降与换热系数的影响
图10所示为不同入口冷却水质量流量对两相流动压降的影响。由图10可知，在相同的入口蒸汽质量流速条件下（G为30 kg/（m2·s）），随着冷却水质量流量的增加，矩形水蒸气冷凝通道内两相流动压降有所减小，由于冷却水质量流量的增大，传热温差增大，使通道内蒸汽冷凝传热量加大，加快了蒸汽传热转化为液相冷凝水，液相冷凝水含量增加，而冷凝水密度要远高于蒸汽密度，从而使通道内流体平均速度减小，壁面摩擦阻力作用效果减弱，造成两相流动压降减小。
图11所示为冷却水质量流量对冷凝换热系数的影响。从图11可以看出，在相同的入口处蒸汽质量流速条件下，随着冷却水质量流量增大，通道内蒸汽冷凝换热系数无明显变化。而在相同的入口蒸汽质量流速下（G为30 kg/（m2·s）），冷却水质量流量越高，其冷却水平均温度越低，则壁面与冷却水传热温差越大，越有利于强化传热，导致通道内冷凝相變总传热量增大。本实验冷凝换热系数虽有增长，但变化微弱，其主要是因为在冷却水与蒸汽换热只存在单一面的热传递，冷却水质量流量的改变，对环状流液相厚度的形成没有太大影响，且热阻变化不大。由此可见，多通道烘缸在干燥过程中，湿纸幅含水率的变化对烘缸干燥效率没有明显的改变。
4 结 论
本实验对多通道烘缸通道内蒸汽冷凝流动对传热特性的影响进行了实验研究，就入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量对冷凝换热系数和两相流动压降的影响进行讨论，得到以下结论。
4.1 多通道烘缸通道内，在换热过程中，当入口蒸汽质量流速增大或冷却水质量流量增大时，流型变化过程出现相反的现象。两相流流型主要以泡状流、塞状流、分层流、波状流、环状流为主。当流型为环状流时，对应着最大的换热系数。
4.2 多通道烘缸通道内蒸汽两相流动压降随入口蒸汽质量流速的增加而增大，随冷却水质量流量的增加而减小，其主要表现在一定条件下所对应的流型的变化，即环状流所对应的压降大于泡状流所对应的压降。
4.3 当冷却水质量流量一定时，冷凝换热系数随着入口蒸汽质量流速的增加而增大，但当入口蒸汽质量流速增大到流型呈现环状流时，增长趋势变缓;当入口蒸汽质量流速一定时，冷凝传热系数不受冷却水质量流量的影响，几乎无变化。
参 考 文 献
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林宗虎. 气液两相流和沸腾传热[M]. 西安： 西安交通大学出版社， 2003. CPP
（责任编辑：吴博士）
关键词： 冷凝换热;两相流;压降;可视化;多通道烘缸
中图分类号：TS734;TK124
文献标识码：A
DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.01.010
多通道烘缸是为了改善传统烘缸冷凝水积水问题提出的一种新型烘缸[1]。与传统烘缸相比，多通道烘缸虽然改善了冷凝水积水问题，但蒸汽在烘缸通道中的流动会因冷凝而形成气液两相混合流动的状态，其传热特点相对复杂。
国内外研究人员对以上提出的问题进行了实验研究，Choi S U S等人[2]对夹套烘缸通道内冷凝换热系数、两相流动压降同蒸汽质量流速与干度的关系进行了研究，得出冷凝换热系数与蒸汽质量流速及干度无关;两相流动压降梯度随蒸汽质量流速及干度的增加而增大。Shin J H等人[3]对单个水平通道蒸汽冷凝的流动和传热特性进行了研究，除了得到与Choi S U S相似的结果，同时发现当水平通道截面宽高比为1∶3时，单个水平通道具有最高的冷凝换热系数与最小的两相流动压降。严彦等人[4-5]对多通道烘缸单个水平矩形管内冷凝换热特性及流型进行了可视化研究。结果表明，当蒸汽质量流速较低时，冷凝换热系数受蒸汽质量流速和干度影响较小;随着蒸汽质量流速增加，冷凝换热系数受到蒸汽质量流速和干度的影響变大，且随着蒸汽质量流速和干度的增加而增加，而在数值模拟研究方面国内外研究较少。师晋生等人[6-7]对矩形肋槽烘缸传热特性进行了研究，分析了饱和水蒸气在烘缸内壁肋顶面与肋侧面上的冷凝和对流传热，
推导出关于烘缸传热系数的具体计算公式。结果表明，宽的肋顶面和短的肋侧面有利于增强肋槽烘缸的传热，增大肋宽有利于提高传热速率。陕西科技大学董继先团队[8-11]对多通道烘缸结构与传热机理进行了CFD数值模拟研究，利用FLUENT软件对气液两相流型、烘缸传热性能等进行了数值模拟。研究表明，当两相流型为环状流时，通道内两相流动压降最小。同时，在一定条件下，提高蒸汽入口压力不仅可以提高多通道烘缸的干燥效率，还可以进一步改善其表面温度分布的不均匀性。
本实验通过改变入口冷却水质量流量来模拟湿纸幅的不同含水率所对应的冷负荷，借助已建立的实验装置，分析入口蒸汽质量流速与入口冷却水质量流量对冷凝换热系数与两相流动压降的影响。开展蒸汽在多通道烘缸中的冷凝换热以及气液两相流动特性研究，为造纸干燥部烘缸节能降耗提供依据。
1 实验设备
图1为多通道烘缸通道内冷凝实验装置流程图。如图1所示，实验装置由三部分组成，即实验段、水蒸气回路、冷却水回路，该实验装置可用于观测两相流型变化、测量两相流动压降和冷凝换热系数。
本实验中实验段水蒸气冷凝通道截面宽高比为1∶3，不仅用于验证前人的实验结果，同时研究多通道烘缸通道内蒸汽冷凝流动与传热的影响。实验段测试部分由800 mm铝制矩形板制造，两侧分别刻有矩形通道，即水蒸气冷凝通道和冷却水换热通道，如图2所示。由图2可知，水蒸气冷凝通道两侧借助铝制矩形板以及耐高温的聚碳酸酯有机玻璃板可实现可视化，再用不锈钢板夹紧固定，除可视通道拍摄范围外，所有外侧表面均紧密贴有两层厚度为30 mm的绝热保温棉，最大限度地减少从铝制矩形板扩散到环境中的热损失。
在水蒸气回路中，去离子水从蓄水箱流出经过滤器，由变频隔膜泵泵入锅炉，蒸汽由去离子水经电加热蒸汽发生器锅炉加热产生，后经保温管道进入实验
段。在实验段中冷凝传热过程、气液两相变化过程、流型变化过程经由高速摄像机观测;温度、压力由分布于进出口的T型热电偶、压力传感器监测，如图3所示。经过实验段的气液两相流体，被逆流流过的冷却水在换热器（过冷器）中充分冷凝，冷凝成液态去离子水，再经涡轮流量计测量后返回蓄水箱中，循环利用。其中，换热器的主要作用将蒸汽充分冷凝，便于测量蒸汽质量流速，同时减少对变频隔膜泵的损伤。
冷却水回路主要用于模仿湿纸幅在不同含水率所对应冷负荷下的干燥过程。冷却水由水箱经水泵送入实验段进行换热，吸收由蒸汽冷凝释放的热量，加热冷却水，后经换热器进行降温处理返回水箱储存。冷却水换热通道均匀分布9组T型热电偶对冷却水温度进行测量。另外，将数据采集仪（LR8400型，日本HIOKI公司）设定为每20 ms对通道内的温度、压力进行记录一次，所有实验数据点均在稳态条件下测定。该实验装置的实物图如图4所示。
3 结果与分析
气液两相在烘缸通道中的流动，会受重力、黏性力、表面张力和惯性力的共同影响，尤其是流体作用力会严重影响两相流动的流型转换。蒸汽在水蒸气冷凝通道内冷凝过程中，沿程温度随蒸汽的冷凝凝结而逐渐降低。根据第3类边界条件下蒸汽冷凝相变传热可知，影响冷凝换热系数大小的原因可能是入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量。同时，蒸汽冷凝伴随两相流体相态变化，即两相流型改变，这主要原因是存在相间剪切力、速度差以及液膜等因素，因此两相流型对蒸汽流动特性和换热特性存在重要影响。
3.1 入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量对流型的影响
蒸汽在烘缸通道内冷凝换热，将热量传给烘缸壁，干燥湿纸幅，从而蒸汽冷凝为液态冷凝水。在整个汽化潜热释放过程中，气液相态改变发生在两相界面上，表现为流型的变化。采用高速摄像机拍摄观测水蒸气冷凝通道全程两相流型变化，由于进出口流型差异大，故取全区域内占比大的主要流型进行讨论，并对比两相流型理论来进行分析，如图5所示。当冷却水质量流量一定时（Mc为140.4 kg/h），温度98～143℃，压力0.095～0.3 MPa，在5～45 kg/（m2·s）范围内调节入口蒸汽质量流速，调节过程中观测两相流型变化，如图6所示。由图6可知，随着入口蒸汽质量流速的增大，流型变化经历了泡状流、塞状流、分层流、波状流、环状流;当入口蒸汽质量流速较小时（G<18 kg/（m2·s）），流型变化明显且主要以泡状流、塞状流为主;当入口蒸汽质量流速逐渐增大时，冷凝液的产生与流动受到蒸汽的影响，相间剪切力增大，液膜逐渐变薄，形成波状流、环状流，当两相流型为环状流时，对应着最大的蒸汽换热系数。当蒸汽质量流速一定时（G为30 kg/（m2·s）），进口温度20℃，在56.16～532.8 kg/h范围内调节冷却水质量流量，调节过程中观测两相流型变化，由图7所示。由图7可知，随着冷却水质量流量的增大，两相流型发生了与入口蒸汽质量流速增大时相反的变化，即环状流、波状流、分层流、塞状流、泡状流。 3.2 入口蒸汽质量流速对两相流动压降与换热系数的影响
图8所示为入口处蒸汽质量流速对两相流动压降的影响。由图8可知，通道内两相流动压降随入口蒸汽质量流速的增加而增大，当入口蒸汽质量流速较低时（G<15 kg/（m2·s）），压降相对平缓，此时通道中的蒸汽全部冷凝为液态水，且两相流型以泡状流为主，进出口相对压力较小。结合图6可知，当入口蒸汽质量流速为15 kg/（m2·s）时，主要流型从泡状流变化为塞状流，气泡不断地破灭、融合，增加了气液两相界面间的表面相对粗糙度，相应也增大了蒸汽与冷凝液间的摩擦力，造成两相流动压降变大。当入口蒸汽质量流速较高时（G>30 kg/（m2·s）），两相流动压降随蒸汽质量流速的增加而增加。由于较高蒸汽质量流速，通道内两相流动速度较快，导致通道内流体与壁面间的沿程摩擦阻力增大，两相流动压降升高。同时，蒸汽对液膜的剪切力增大，覆盖在通道内壁的冷凝液膜湍流程度增加，导致两相流动压降增大。蒸汽冷凝过程的两相流动压降越大，则表明蒸汽在通道传热过程中克服的摩擦阻力越大，能源消耗越多，所需烘缸干燥纸张的能量越多。因此，可通过选择合理的蒸汽质量流速（G为15 kg/（m2·s））来避免压降过大。
图9所示为入口蒸汽质量流速对蒸汽冷凝换热系数的影响。在相同的冷却水质量流量条件下（Mc为140.4 kg/h），通道内蒸汽冷凝换热系数随着入口蒸汽质量流速的增加而增大。由于随着入口蒸汽质量流速的增大，气液两相环状流在通道内占据区域的长度增大，但环状流液膜较薄，其传热热阻较泡状流、波状流、弹状流传热热阻小，从而提高了通道内蒸汽冷凝换热效率[4]。另外两相流动速度会随着入口蒸汽质量流速的增加而增大，在液膜中有很高的雷诺数，因而产生紊动，面对冷凝液膜的剪切力作用增强，紊动引起的传热增强超过液膜增厚引起的传热减弱，从而提高了通道蒸汽冷凝换热效率。
3.3 冷却水质量流量对两相流动压降与换热系数的影响
图10所示为不同入口冷却水质量流量对两相流动压降的影响。由图10可知，在相同的入口蒸汽质量流速条件下（G为30 kg/（m2·s）），随着冷却水质量流量的增加，矩形水蒸气冷凝通道内两相流动压降有所减小，由于冷却水质量流量的增大，传热温差增大，使通道内蒸汽冷凝传热量加大，加快了蒸汽传热转化为液相冷凝水，液相冷凝水含量增加，而冷凝水密度要远高于蒸汽密度，从而使通道内流体平均速度减小，壁面摩擦阻力作用效果减弱，造成两相流动压降减小。
图11所示为冷却水质量流量对冷凝换热系数的影响。从图11可以看出，在相同的入口处蒸汽质量流速条件下，随着冷却水质量流量增大，通道内蒸汽冷凝换热系数无明显变化。而在相同的入口蒸汽质量流速下（G为30 kg/（m2·s）），冷却水质量流量越高，其冷却水平均温度越低，则壁面与冷却水传热温差越大，越有利于强化传热，导致通道内冷凝相變总传热量增大。本实验冷凝换热系数虽有增长，但变化微弱，其主要是因为在冷却水与蒸汽换热只存在单一面的热传递，冷却水质量流量的改变，对环状流液相厚度的形成没有太大影响，且热阻变化不大。由此可见，多通道烘缸在干燥过程中，湿纸幅含水率的变化对烘缸干燥效率没有明显的改变。
4 结 论
本实验对多通道烘缸通道内蒸汽冷凝流动对传热特性的影响进行了实验研究，就入口蒸汽质量流速与冷却水质量流量对冷凝换热系数和两相流动压降的影响进行讨论，得到以下结论。
4.1 多通道烘缸通道内，在换热过程中，当入口蒸汽质量流速增大或冷却水质量流量增大时，流型变化过程出现相反的现象。两相流流型主要以泡状流、塞状流、分层流、波状流、环状流为主。当流型为环状流时，对应着最大的换热系数。
4.2 多通道烘缸通道内蒸汽两相流动压降随入口蒸汽质量流速的增加而增大，随冷却水质量流量的增加而减小，其主要表现在一定条件下所对应的流型的变化，即环状流所对应的压降大于泡状流所对应的压降。
4.3 当冷却水质量流量一定时，冷凝换热系数随着入口蒸汽质量流速的增加而增大，但当入口蒸汽质量流速增大到流型呈现环状流时，增长趋势变缓;当入口蒸汽质量流速一定时，冷凝传热系数不受冷却水质量流量的影响，几乎无变化。
参 考 文 献
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（责任编辑：吴博士）