水平管道内环状两相流流速对换热特性影响的实验设计

钱冬 田朋丹 栾茜

摘 要：随着能源的不断消耗，如何降低运输过程中的能量损耗进而提高换热效率是近年来人们所关注与研究的重点。本项目根据管道能量消耗问题，主要依据环状流型中气相液相流速的不同对管内换热性能影响的原理，基于控制变量法作出水平管道内环状两相流流速对换热特性影响的实验设计，以便能寻找出利用较低的成本提高管道运输中换热效率的方法，进而减少过程中能量的损失。该项目一旦研制成功，可将模型泛化，以便能应用于更广泛的空间。

关键词：环状两相流;换热特性;控制变量法

1引言

能源消耗逐年增加，急需寻找降低能源消耗的方法。大到近年来发展起的“西气东输”，“南水北调”旨在改变我国能源分步不均匀的状况等工程;小到生活中热量与天然气的运输等问题，其中都需要涉及到管道运输，降低运输过程中的能量损耗进而提高换热效率是一直都需要研究的重点。在流量领域研究换热特性时，单一液体流动沸腾换热或单相强制对流是目前管内流动换热常用的方法[1-2]。但在细短的管路或壁温较低的通道中，对于空气或水来说，其单相对流换热系数都比较低，由此气液两相流的问题引起了人们广泛注意。而水和空气的两相流动对换热特性有很好的适用性，让水在高速气流的拖动下进入通道内形成薄液膜可以达到很高的换热系数[3]。在现实生活中常见的换热效率问题有暖气加热等应用，大多数都属于环状流模型，所以本实验的两相流模型选用环状流。本文基于水平管道内环状两相流流速对换热特性的影响，作出了相应的实验设计。

2 实验方案设计

在实验开始前，拟利用仿真技术仿真模拟出来的数据进行分析，筛选出具有代表性的数据，主要是入口气相和液相流速，以此进行实验来提高实验的效率。

本实验设计液相介质采用R-134a，传统的研究流动特性和传热特性往往是以水为介质[4]，而本实验是以R-134a 为介质研究了水平管道中环状流型部分两相流速对传热特性的影响，对工程实际具有一定的指导意义。

在实验进行过程中，采用控制变量法。通过控制水平管道的轴向长度和横截面积相同，研究气相和液相流速的不同对管内换热性能的影响。先控制进口温度一定，给定一个气相流速并保持不变，通过改变入口液相流速研究其对换热性能的影响。拟对管道沿程上截取的五个数据点（包括出口点）进行温度的测量，将贴片式温度传感器通过高温密封胶粘剂贴在水平管道所截取的测量点周围，然后连接上电流型变送器，采用LabVIEW做出温度采集界面，如图1所示，最终将在电脑端采集到温度数据。在数据处理过程中，根据实验测得的数据计算出液膜的厚度以及传热效率。实验中要多次改变入口液相流速进而得到多组数据来进行分析，从而得到入口液相流速对传热效率的影响;在研究气相流速对管内换热效率影响时，给定一个液相流速并保持不变，通过改变气相流速，重复上述过程来分析气相流速对传热效率的影響。最后需要分析实验数据，建立出流速与换热效率的精确关系，以此来设计出提高传热效率的合适方案。

图1 LabVIEW温度采集界面

3 实验器材选择

3.1 温度传感器选择

管道低温流体温度的测量经常采用贴片式热电阻温度传感器贴在管道壁面的接触测温方法，温度的测量是基于温度传感器与被测介质之间达到热平衡的原理。采用贴片式温度传感器，其被测管道接触面积大且接触紧密，测温准确性高，反应灵敏，体积小便于安装，可以很好解决传统温度计不便于在水平管道使用的问题。常用贴片式温度传感器如图1所示。

图1 贴片式温度传感器

3.2 变送器的选择

管道外壁温度用贴片式温度传感器测量之后，需要将温度数据显示在电脑上以便数据处理和分析，本实验设计选用电流输出型变送器，如图2所示。此种变送器具有恒流源的性质，恒流源的内阻较大，模拟量电流信号适用于远程传输，在实验室中，电脑可能距离正在做实验的装置较远，因此选用此种类型变送器数据会比较稳定。通过此变送器，温度将转化成电流信号（4-20mA）输出，电脑上作出上位机界面，通过此界面便可得到温度信息。

图2 电流型变送器

4 总结

4.1 实验注意问题

（1）在项目进行过程通入水平管道的气相和液相流流速的数值准确;

（2）通过改进的贴片式温度计测量所需要点的温度值精确;

（3）控制变量中严格控制除变量之外数据的稳定性;

（4）数据处理时注意粗大误差的剔除;

4.2 实验研究方法

（1）CFD仿真：实验前先用仿真软件对实验流程做出模拟，在大量数据中选取有代表性的液相气相流速，以此来指导实验高效率进行。

（2）控制变量法：此方法能排除干扰，直接显露单一因素（气相或液相流速）对换热特性的影响情况。

4.3 实验拟达目标

可根据实验结果得出换热效率与气液两相流速度（流量）之间的具体关系，从而通过确定合适的气液两相流速的大小来有效提高流体与管壁的换热效率，有效地提高能源利用率。

4.4 实验必要性

实验达到目标后，将会减少北方集中供热途中热量的损失的问题，让人们在寒冷的冬天也能生活在更加舒适的环境;也能减少天然气运输过程中的损失进而减少能源的消耗，可以提高人民的生活质量，对于人们日常生活有着十分重要的意义;也解决了国家的一些运输工程中管道运输的能量损失，更将有利于社会的发展;对减少能量的消耗与分配不均问题的研究提出可行的方法与策略。

当今社会能源消耗快但能源有限，我们需要用较少的能源达到我们想要的效果，不断地提高能源利用率。管道输送，供暖，冷凝都涉及到了气液两相流的换热问题，换热效率高将有利于节约能源，提高能源利用率。所以研究换热效率的影响因素以及如何提高换热效率是很有必要的。

参考文献：

[1]Fouror，M..Bories.S..Experimental study of air—water flow through a fracture， Int.工Multiphase Flow.1995.21（4），621—637 .

[2]王永;梁文清;钱华;陈虹.低温流体输送过程中采用贴壁式温度传感器测温时的传热分析[J].低温工程，2016，No.213，42-48.

[3]刘振华.细小传熟管内过冷水和空气高速两相流的换热特性研究.中国电机工程学报，1999，19（6）.80—84.

基金项目：河北大学实验室开放项目基金资助，项目编号为sy201858