低温气液两相流数值计算分析

    1　引言

    低温工质的两相流动系统在传统工业领域,如工业换热器、液化气体储存及输送管道、化学反应器,空分精馏塔中都广泛存在。在一些前沿的新技术领域,如超导磁 体冷却等过程中,也要利用低温气液两相流动中较高的传热效率来强化换热。低温两相流动过程中相关参数(温度、压力、流量/流速、含汽率/空泡份额)的变化 直接影响流动与换热状况,如低温换热器的换热效率、低温工质输送管道的漏热和摩擦损失、空分精馏塔分离效率等。本文采用一维均相流模型,以液氮在自然循环 回路中的流动与传热过程为算例,进行了低温气液两相流稳态数值计算,得到了在不同回路条件下液氮两相流动各相关参数沿回路方向的分布曲线,并对计算结果进 行分析。

    2　物理过程

    如图1所示为以液氮为工质的自然循环回路示意图。

    低温工质在回路中流动涉及到的物理过程十分复杂:循环刚开始时,同时打开充注阀和回流阀,低温工质从储液箱进入回路。此时由于管路系统处于外界室温,与低 温工质的温差相当大,低温工质进入循环回路后急剧汽化,沿着流动方向可能会出现单相液体、气液两相,甚至单相气的不同状态流动;在此过程中,由于管道内低 温工质的冷却作用,管壁温度及充液罐壁温不断降低,从而使管壁及充液罐壁与外界空气间形成温度梯度,并在温度梯度的作用下产生由外向内传递的热流;随着壁 温的不断降低,热流密度也在不断变化;在回路自然循环的条件下,回路中两相流体密度分布成为循环的驱动力,直到某一时刻,壁温不再降低,外界传入的热流不 再变化,且驱动力与阻力相平衡,循环过程达到稳定。本文通过程序计算循环回路中低温工质两相流动与传热和稳态参数分布结果。

    3　简化假设

    低温工质的两相流动过程十分复杂,本文对计算的过程作了适当的简化:1)管流采用一维近似,考虑压缩性和热膨胀性;2)沿管程分为两段:单相液体段和沸腾 两相段(程序也可对出口为单相蒸汽的情况进行计算),每段采用相应的阻力和换热公式;3)汽液两相之间处于热力平衡,即不考虑欠热沸腾和相间热力弛 豫;4)两相流区采用均相模型来描述;5)传热管壁仅考虑径向导热。

    4　基本方程及辅助关系式

    4.1基本方程

    在以上简化假设的基础上,两相流动和单相流动统一用以下守恒方程来描述(下标l和g分别代表液相和汽相)。

    质量守恒方程:          (1)