分类号tq 051.5
characteristics of upward two-phase frictional pressure drop in vertical
internally ribbed tube
lecturercheng lixin
(south china university of technology,guangzhou 510641)
professorchen tingkuan
(xi'an jiaotong university, xi'an 710049)
abstractexperiments of upward two-phase frictional pressure drop in vertical internally ribbed tube and smooth tube were conducted respectively when fluid flew and evaporated along tube length.the working fluids were water and kerosene respectively.the experimental results in internally ribbed tube were compared with those in smooth tube. based on homogeneous model ,correlation of two-phase frictional pressure drop factor was proposed.
keywords:internallyribbedtube,two-phase flow,frictional pressure drop,homogeneous model
符号说明
| di--实验段平均内径，m | retp--两相雷诺数 | | f--单相摩擦阻力因数 | υf--液相比体积，m3/kg | | g--质量流速，kg/(m2.s) | υfg--汽液两相比体积之差，m3/kg | | g--重力加速度，m/s2 | x--质量干度 | | l--实验段有效加热长度，m | φ--两相动力粘度，kg/(m.s) | | pin--实验段进口压力，pa | μf--液相动力粘度，kg/(m.s) | | pout--实验段出口压力，pa | μfg--汽液两相动力粘度之差，kg/(m.s) | | δp--实验段进出口总压降，pa | μg--汽相动力粘度，kg/(m.s) | | δpa--加速压降，pa | ρc--导压管中液体密度，kg/m3 | | δpcy--差压变送器测量值，pa | φfo2--两相摩擦因子 | | δpftp--两相摩擦压降，pa | 下标： | | δpf--单相摩擦压降，pa | exp--实验值 | | δpg--重位压降，pa | cal--计算值 | | re--雷诺数 |
压力降计算是设计各种存在气液两相流动工程设备的最基本和最重要的课题之一。虽然在两相流动的研究中，压降计算研究的最早、最广泛，也较为成熟，但至今尚无特别准确和通用的压降计算式。这是因为影响压降变化的参数相当复杂，没有一个关系式能包容全部影响参数，现有的压降关系式并不包含流型区分，因此，限制了其适用范围。目前，广泛应用的两相摩擦阻力模型有均相模型、分相模型及经验公式。然而，对于强化传热管中的两相摩擦阻力，受管内表面形状的影响，很难提出适用的通用两相摩擦压降计算式。对此，必须针对具体的管型，研究其两相摩擦压降特性，笔者对一种内螺纹管中的两相摩擦压降特性进行了实验研究，提出了相应的两相摩擦因子的关联式。
1 实验装置和方法
笔者研究两相摩擦阻力的实验装置见图1。实验段为垂直安装，工质自下向上流入实验段中，通过电加热管壁来加热流体，从而使工质沿流动方向蒸发而产生汽液两相流动，工质分别为水和煤油，实验段分别使用内螺纹管和光管，有效加热长度均为2.5 m。内螺纹管结构见图2，光管尺寸(mm)为 19×2。实验的质量流速g分别为410、610和810，单位均为kg/(m2.s)。实验段出口压力为0.3 mpa，实验中最大的出口干度为0.5。实验段阻力用1151差压变送器来测量。 |
图1 实验装置
图2 内螺纹管结构
2 实验数据处理
对于管中垂直上升的两相流动，其总压力降可以表示为：
| | δp=δpftp+δpg+δpa | (1) | | | | 假设差压变送器显示的读数为δpcy，则有：
| δp=pin-pout=δpcy+ρcg(h2-h1) | (2) | | | 由式(1)和式(2)可求得：
| δpftp=δpcy+ρcg(h2-h1)-δpg-δpa | (3) | | | 对于沿管道蒸发的两相流动，有：
| |  | (4) | | | δpa=g2υfgx | (5) |
由式(3)～式(5)可得到两相摩擦阻力的测量值。
在本实验中，按均相模型处理两相摩擦阻力的关系式，即：
| | δpftp=δpfφfo2 | (6) | | | | 对于按全部为单相流动时的摩擦阻力，当流动处于水力光滑管时，按fanning公式计算：
| | δpf=2fg2υfl／di | (7) | | | | 其中，摩擦阻力因数按blasius公式计算：
| | f=0.079／re0.25 | (8) | | | | 对于均相模型，平均的均相粘度为：
| |  | (9) | | | | 两相雷诺数为：
| |  | (10) | | | | 3 结果分析
为了标定本实验系统，在两相摩擦阻力实验前，先进行单相水在光管中的摩擦阻力特性实验，雷诺数范围为1×104～8×104(充分发展的紊流区域)。将实验得到的单相水摩擦阻力同fanning公式的计算值比较，见图3，其误差在±8%以内，这表明由选用的实验系统和测试手段获得数据是可靠的。 |
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图3 单相水的δpfexp与δpfcal比较
工质分别为水和煤油时内螺纹管同光管中两相摩擦阻力的比较，见图4。内螺纹管中的两相摩擦阻力明显大于光管中的摩擦阻力。工质为水时，前者是后者的1.6～2.0倍。工质为煤油时，前者是后者的1.7～2.6倍。实验结果表明，由于内螺纹肋片的影响，一方面流动表面粗糙，另一方面加强了流动的扰动，从而使两相摩擦阻力增大，而且在较大的两相雷诺数区域，这种影响更为明显。
图4 内螺纹管与光管两相摩擦阻力δpfexp比较
为了得到内螺纹管中两相流动摩擦阻力的关系式，笔者以均相模型为基础，拟合了两相摩擦因子随两相雷诺数的变化关系，见图5，关系式为：
| | φfo2=3.21retp1.96×10-9 | (11) |
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图5 φfo2与retp关系
按上式求出两相摩擦因子后，即可由式(6)计算内螺纹管中的两相摩擦阻力，其中单相摩擦阻力按全部为液体流动来计算。该式可用于相应实际工况的两相摩擦阻力的计算。
4 结语
通过实验研究，无论水还是煤油，其在内螺纹管中的流动沸腾两相摩擦阻力均明显大于光管中的摩擦阻力。对于内螺纹管中的两相摩擦阻力，按均相模型，拟合了一个计算两相摩擦因子的关系式，可用于实际相应工况摩擦阻力计算。
作者单位：程立新（华南理工大学(广州 510641) 讲师）
陈听宽（西安交通大学(西安 710049) 教授）
参考文献
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[2] collier j g, thome j r. convective boiling and condensation.new york: oxford university press inc,1994.
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[4] 徐济(均)/(金).沸腾传热和气液两相流.北京：原子能出版社，1993.
[5] 程立新.内螺纹管和微结构槽管中单相和两相流动的强化传热与摩擦阻力特性的研究：［博士学位论文］.西安：西安交通大学，1998 |
