孫秋南，溫濟(jì)銘，丁 銘，谷海峰

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

在核能領(lǐng)域，由于鼓泡式過濾器具有能提供充足氣液接觸面積和接觸時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，已作為一種有效過濾手段在安全殼過濾排放系統(tǒng)中使用[1-2]。瑞士研發(fā)的CCI鼓泡式過濾排放系統(tǒng)已在瑞士的核電站投入使用[3]。鼓泡式過濾器的工作性能受氣泡尺寸影響較大，相同氣體流量條件下，小氣泡能產(chǎn)生更大的氣液截面面積濃度，從而增加氣液間的傳質(zhì)和傳熱面積[4]。此外，小氣泡受浮力較小，在較低上升速度條件下所受的拖拽力便能與浮力達(dá)到平衡[5]。因此，氣泡體積減小會導(dǎo)致氣液接觸時(shí)間增加。鼓泡式過濾器內(nèi)氣泡尺寸分布受氣泡破裂、聚合以及曝氣裝置等因素影響。已有研究[6-7]表明，當(dāng)液相的無機(jī)鹽濃度較高時(shí)，氣泡間的聚合現(xiàn)象受到抑制甚至消失。此時(shí)，鼓泡式過濾器內(nèi)的氣泡尺寸分布主要由曝氣裝置所生成的氣泡尺寸分布決定。

在嚴(yán)重事故下投入使用的安全殼過濾排放系統(tǒng)應(yīng)滿足非能動運(yùn)行的條件，因此鼓泡式過濾器所采用的曝氣方式應(yīng)為非能動式曝氣。多孔板因具有機(jī)構(gòu)簡單、可靠性高、易于加工、不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)而適合鼓泡式過濾器的工作環(huán)境。

目前，針對孔板式鼓泡器鼓泡特性的研究主要集中在單孔板鼓泡問題上[8-10]。多孔板鼓泡過程因包含孔間氣泡相互作用[11-12]而較單孔板鼓泡過程更復(fù)雜。

在多孔板鼓泡過程中，孔徑、孔間距、氣流量以及液相性質(zhì)等因素均會對鼓泡特性產(chǎn)生影響，從而影響多孔板生成氣泡的尺寸分布。沈鑒彪等[13]對兩獨(dú)立供氣噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了氣液間傳質(zhì)產(chǎn)生的Marangoni效應(yīng)對孔間氣泡聚合的影響，由液相向氣相的傳質(zhì)會抑制孔間氣泡的聚合。Loimer等[14]使用可視化技術(shù)對多孔板的有效鼓泡孔數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了孔板潤濕性對鼓泡孔數(shù)和氣泡體積的影響，建立了給定氣體流量條件下有效鼓泡孔數(shù)的計(jì)算方法。Kazakis等[15]研究了以多孔介質(zhì)作為曝氣裝置產(chǎn)生氣泡的尺寸分布，并建立了計(jì)算氣泡尺寸分布的關(guān)系式。

已有的針對多孔板鼓泡問題的研究主要關(guān)注氣泡聚合現(xiàn)象，將多孔板作為一個(gè)能產(chǎn)生相距較近氣泡的氣泡發(fā)生裝置來使用，而不是研究多孔板本身的鼓泡特性。此外，在已有實(shí)驗(yàn)研究中大多使用相互獨(dú)立的氣腔對各鼓泡孔單獨(dú)供氣。在實(shí)際應(yīng)用中，多采用單氣腔為各鼓泡孔同時(shí)供氣。本文利用可視化實(shí)驗(yàn)手段，研究包括孔間距、孔徑、氣腔狀態(tài)等因素對多孔板鼓泡特性的影響，分析各因素對多孔板鼓泡特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Schematic of experimental facility

圖1為多孔板鼓泡可視化研究實(shí)驗(yàn)裝置簡圖，主體為可視化水箱，水箱前后兩面由鋼化玻璃加工制作，其余部分使用不銹鋼材質(zhì)加工。在水箱后側(cè)平面固定功率為12 W的LED冷光源，采用冷光源既可為可視化拍攝提供必要的光強(qiáng)，又能避免光源對氣泡加熱導(dǎo)致的氣泡膨脹。在光源和后側(cè)平面之間安裝均光板，對光源進(jìn)行均化處理以提高拍攝圖像質(zhì)量。采用PID控溫模塊對液相溫度進(jìn)行控制，加熱棒和熱電阻測溫點(diǎn)布置在與鼓泡孔板同一水平高度處。放置高速攝影儀的小平臺具有兩套導(dǎo)軌，該設(shè)計(jì)用以實(shí)現(xiàn)高速攝影儀在上下方向和垂直可視化平面方向上移動，從而實(shí)現(xiàn)拍攝不同高度和方便調(diào)焦的功能。實(shí)驗(yàn)裝置的氣源來自大容量儲氣罐，在實(shí)驗(yàn)開始前使用空氣泵將儲氣罐壓力提升到0.3 MPa左右，儲氣罐的體積相對于實(shí)驗(yàn)流量足夠大，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間儲氣罐壓力基本維持不變。儲氣罐和氣腔之間安裝針閥進(jìn)行節(jié)流。下游壓力為常壓，上游壓力為儲氣罐壓力。在孔板鼓泡過程中，氣腔內(nèi)壓力會出現(xiàn)波動。但氣腔壓力波動對針閥兩側(cè)較大的壓差影響較小，因而能保證氣體流量不隨鼓泡氣腔壓力波動而發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)使用AALBORG生產(chǎn)的量程為2 L/min的質(zhì)量流量計(jì)(精度為1)測量進(jìn)入氣腔的氣體流量。采用PHANPOM系列V641高速攝影設(shè)備進(jìn)行拍攝，拍攝速率為1 000幀/s。

圖2為多孔板鼓泡器結(jié)構(gòu)示意圖。多孔板鼓泡器主要由曝氣單元多孔板和均氣單元?dú)馇唤M成?？装搴蜌馇恢g采用螺栓連接，以方便實(shí)現(xiàn)不同孔板和氣腔之間的組合。為避免所拍攝錄像中出現(xiàn)大量氣泡重疊的情況，將孔板所開孔口排為一列，該排布方式可保證所有鼓泡孔在高速攝影儀的聚焦平面上。采用與實(shí)際工程應(yīng)用一致的不銹鋼材質(zhì)加工制作多孔板，為方便觀察氣腔狀態(tài)，采用有機(jī)玻璃加工制作可視化氣腔，氣腔編號和相應(yīng)體積如下：1#，32 mL；2#，164 mL；3#，440 mL。多孔板和氣腔腔體通過螺栓固定，可簡單拆卸并更換不同結(jié)構(gòu)多孔板。

圖2 多孔板鼓泡器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of multi-orifice sparger

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

多孔板的鼓泡孔數(shù)和鼓泡時(shí)間間隔對多孔板的鼓泡效果影響較大。相同氣體流量下，鼓泡孔數(shù)越多，鼓泡時(shí)間間隔越短，生成氣泡的體積越小。在實(shí)際的多孔鼓泡過程中，鼓泡孔數(shù)會不斷變化。本文使用鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額來定量表示不同鼓泡孔數(shù)對整個(gè)多孔鼓泡過程的貢獻(xiàn)。鼓泡孔數(shù)為k時(shí)所占鼓泡時(shí)間tk與總鼓泡時(shí)間∑tn之比記為鼓泡孔數(shù)k的時(shí)間份額ηk，即：

ηk=tk/∑tn

(1)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氣腔狀態(tài)對鼓泡特性的影響

在孔板鼓泡過程中，由于氣腔內(nèi)壓力波動以及氣泡尾流影響，液相會從鼓泡孔板向氣腔內(nèi)滲漏。當(dāng)存在漏液現(xiàn)象的鼓泡過程達(dá)平衡狀態(tài)后，氣腔內(nèi)的氣空間會明顯減小。此外，當(dāng)氣腔內(nèi)存在液相時(shí)，氣腔內(nèi)為氣液兩相流動，因而氣腔內(nèi)的壓力分布會發(fā)生改變。因此，氣腔內(nèi)液相會對多孔板鼓泡過程產(chǎn)生影響。為研究氣腔存在液相對多孔鼓泡過程的影響，在孔板結(jié)構(gòu)和氣腔體積滿足不存在液相滲水的條件下，改變氣腔初始狀態(tài)。這樣既能研究氣腔含水狀態(tài)，也能研究相同孔板結(jié)構(gòu)和氣腔體積條件下的氣腔無水狀態(tài)。

圖3為氣腔狀態(tài)對不同鼓泡孔數(shù)所占時(shí)間份額的影響，其中多孔板孔數(shù)為3、孔間距為6 mm、孔徑為2 mm，使用1#和3#氣腔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從圖3可看出，在氣腔無水條件下，氣體流量由0.01 L/min增大至0.2 L/min的過程中，單孔鼓泡時(shí)間份額迅速下降到0.2，隨著氣體流量的繼續(xù)增加，單孔鼓泡時(shí)間份額在0.2附近波動。在整個(gè)氣體流量范圍內(nèi)，雙孔、三孔鼓泡時(shí)間份額隨氣體流量的增加有明顯的增大。當(dāng)氣腔為滿水狀態(tài)時(shí)，隨氣體流量的增加，雖然雙孔鼓泡時(shí)間份額同樣增大明顯，但整體仍小于氣腔無水條件下的雙孔鼓泡時(shí)間份額。氣腔滿水狀態(tài)下的三孔鼓泡時(shí)間份額基本不隨氣體流量的增加而發(fā)生變化。在孔板結(jié)構(gòu)、氣體流量等因素相同的條件下，氣腔無水時(shí)的鼓泡孔數(shù)明顯多于氣腔滿水條件下的鼓泡孔數(shù)。圖4示出了氣腔狀態(tài)對平均鼓泡時(shí)間間隔的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣腔是否存在液相對平均鼓泡時(shí)間影響較小。因此，相同時(shí)間內(nèi)，氣腔無水條件下生成的氣泡數(shù)量更多，氣泡的平均體積較小。

a——單孔鼓泡；b——雙孔鼓泡；c——三孔鼓泡圖3 氣腔狀態(tài)對不同鼓泡孔數(shù)所占時(shí)間份額的影響Fig.3 Influence of air cavity condition on time portion of different bubbling orifice numbers

圖4 氣腔狀態(tài)對平均鼓泡時(shí)間間隔的影響Fig.4 Influence of air cavity condition on average bubbling time interval

氣腔滿水狀態(tài)和無水狀態(tài)下多孔鼓泡特性存在差異主要是由氣腔內(nèi)氣空間大小不同所致。氣腔初始狀態(tài)為滿水時(shí)，氣體進(jìn)入氣腔會將氣腔內(nèi)少量液體擠出，而后在緊貼孔板下側(cè)形成一層氣膜。氣膜內(nèi)氣體經(jīng)鼓泡孔進(jìn)入主液相完成鼓泡過程，同時(shí)，進(jìn)入氣腔的氣體不斷在氣層處匯集補(bǔ)充氣層內(nèi)消耗的氣體?？装灏l(fā)生鼓泡的條件為氣腔內(nèi)的壓力pc等于孔板表面液相壓力pl與表面張力引起的附加毛細(xì)壓力Δpσ之和，如式(2)、(3)所示，可知液相表面張力σ和孔徑r決定附加毛細(xì)壓力的大小。孔徑越大，對應(yīng)的附加毛細(xì)壓力越小。由于孔板加工過程中存在一定誤差，且氣泡生長、脫離會改變孔板表面液相的靜壓力分布，因而不同鼓泡孔鼓泡所需的氣腔壓力也各異。在氣體進(jìn)入氣腔使氣腔壓力不斷上升的過程中，首先達(dá)到某一鼓泡孔的鼓泡條件。該鼓泡孔開始鼓泡，但由于滿水氣腔內(nèi)氣層體積較小，氣層內(nèi)壓力快速下降，從而導(dǎo)致氣層壓力始終無法滿足其他鼓泡孔鼓泡的條件。圖5示出了多孔鼓泡受到抑制的過程，即使當(dāng)氣腔壓力滿足多個(gè)鼓泡孔鼓泡條件時(shí)，多孔鼓泡孔同時(shí)出現(xiàn)氣核，但由于氣層氣體流量過小而無法維持多孔的氣泡生長，最終只有單鼓泡孔鼓泡，其余鼓泡孔氣核縮退回氣腔。無水氣腔狀態(tài)下，僅在氣體流量較低條件下出現(xiàn)圖5所示的現(xiàn)象。

圖5 雙孔鼓泡受到抑制現(xiàn)象Fig.5 Suppression phenomenon of double-orifice bubbling

由圖3、4可知，氣腔滿水條件下，氣腔體積對多孔板鼓泡特性影響較小。當(dāng)氣腔為滿水狀態(tài)時(shí)實(shí)際的氣空間大小與氣腔體積無關(guān)，氣腔內(nèi)氣空間的大小僅受氣體流量、孔板結(jié)構(gòu)等因素的影響。由于氣腔無水條件下多孔板的曝氣更好，因此后文重點(diǎn)分析氣腔無水條件下的多孔板鼓泡特點(diǎn)。

pc=pl+Δpσ

(2)

Δpσ=2σ/r

(3)

2.2 孔間距及氣腔體積對鼓泡特性的影響

圖6為孔徑1 mm、3#氣腔無水條件下孔間距對鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額的影響。從圖6可發(fā)現(xiàn)，不同孔間距下鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額與氣體流量的關(guān)系規(guī)律性較差，同樣無法明確地得到孔間距對鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額的影響規(guī)律。當(dāng)氣體流量為0.3～0.5 L/min時(shí)，6 mm孔間距下單孔鼓泡時(shí)間份額為1，而4 mm和8 mm孔間距下的單孔鼓泡時(shí)間份額均在0.5以下。孔間距對平均鼓泡時(shí)間間隔的影響示于圖7，在0.3～0.5 L/min的氣體流量范圍內(nèi)，6 mm孔間距下的平均鼓泡時(shí)間間隔明顯小于4 mm和8 mm孔間距下的平均鼓泡時(shí)間間隔。因此，需建立一個(gè)新的量同時(shí)考慮鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額和平均鼓泡時(shí)間對鼓泡特性的影響。因而引入有效鼓泡時(shí)間的概念，有效鼓泡時(shí)間te的物理意義是每個(gè)氣泡所單獨(dú)占用相應(yīng)氣體流量的時(shí)間ta，即：

a——單孔鼓泡；b——雙孔鼓泡；c——三孔鼓泡圖6 孔間距對鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額的影響Fig.6 Influence of pitch of holes on time portion of bubbling orifice number

(4)

當(dāng)孔間距較大、氣體流量較小時(shí)，孔間氣泡的相互作用較弱，孔間距對多孔鼓泡過程的影響可忽略。將圖6、7中孔間距6、8 mm，氣體流量范圍為0.04～0.43 L/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果按式(4)進(jìn)行處理。從圖6、7可看出，在所處理的流量范圍內(nèi)，孔間距分別為6 mm和8 mm時(shí)的鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額和平均鼓泡時(shí)間間隔均相差較大。圖8示出了6 mm和8 mm孔間距下的有效鼓泡時(shí)間，可看出，兩個(gè)孔間距下的有效鼓泡時(shí)間基本相同，二者相差不超過20%。當(dāng)鼓泡條件基本相同時(shí)，有效鼓泡時(shí)間基本一致。表明同時(shí)考慮鼓泡孔數(shù)時(shí)間份額和平均鼓泡時(shí)間間隔的有效鼓泡時(shí)間更適合表征多孔板鼓泡性能。

圖7 孔間距對平均鼓泡時(shí)間間隔的影響Fig.7 Influence of pitch of holes on average bubbling time interval

圖8 不同孔間距下有效鼓泡時(shí)間對比Fig.8 Comparison of effective bubbling time at different pitches of holes

圖9 不同鼓泡器結(jié)構(gòu)下有效鼓泡時(shí)間與氣體流量的關(guān)系Fig.9 Relationship of effective bubbling time and gas flow rate for different orifice constructions

圖9為不同鼓泡器結(jié)構(gòu)下有效鼓泡時(shí)間與氣體流量的關(guān)系。當(dāng)孔間距大于6 mm時(shí)，孔間距對有效鼓泡時(shí)間的影響可忽略。當(dāng)氣腔為3#氣腔、氣體流量為0.35～0.7 L/min時(shí)，4 mm孔間距下的有效鼓泡時(shí)間明顯低于6 mm和8 mm孔間距下的有效鼓泡時(shí)間。這主要是由于當(dāng)孔間距較小時(shí)，氣泡脫離后帶動鼓泡孔附近液相向上流動，從而拉拽相鄰鼓泡孔氣核并促進(jìn)相鄰鼓泡孔氣泡的脫離。而當(dāng)氣腔為2#氣腔時(shí)，4 mm孔間距的有效鼓泡時(shí)間與6 mm和8 mm孔間距的有效鼓泡時(shí)間相同。隨氣腔體積的增加，4 mm孔間距的有效鼓泡時(shí)間增加。當(dāng)氣腔體積較小時(shí)，氣泡對相鄰鼓泡孔氣核有拉拽作用并促進(jìn)其生長及脫離，但多個(gè)鼓泡孔的氣泡生長過程所消耗的氣體較多，使得小氣腔內(nèi)壓力快速下降從而提前結(jié)束氣泡生成過程。但氣腔體積增大后，氣腔內(nèi)氣體充足，氣泡對相鄰鼓泡孔氣泡的拉拽作用不會促進(jìn)其提前脫離。因此，隨氣腔體積的增大，孔間距對有效鼓泡時(shí)間的影響減弱甚至消失。

由圖9可見，4 mm孔間距對有效鼓泡時(shí)間的影響在0.35～0.7 L/min流量范圍內(nèi)較明顯。在其余流量范圍內(nèi)，4 mm孔間距的有效鼓泡時(shí)間基本與6 mm和8 mm孔間距下的有效鼓泡時(shí)間相同。當(dāng)氣體流量小于0.35 L/min時(shí)，由圖6可知，單孔鼓泡時(shí)間份額較大。在鼓泡孔數(shù)大部分時(shí)間為單孔的條件下，氣泡對相鄰鼓泡孔氣泡的拖拽概率較小，因而由拖拽導(dǎo)致的有效鼓泡時(shí)間降低的趨勢不明顯。而當(dāng)氣體流量大于0.7 L/min時(shí)，進(jìn)入氣腔的氣體流量能充分維持多個(gè)鼓泡孔氣泡生長所需氣體流量，此時(shí)由上一組氣泡拖拽導(dǎo)致的氣泡提前脫離現(xiàn)象消失，孔間距對有效鼓泡時(shí)間的影響可忽略。

2.3 鼓泡孔數(shù)量確定

根據(jù)有效鼓泡時(shí)間的物理意義，可通過式(5)計(jì)算相應(yīng)鼓泡條件下的平均氣泡體積Vbp。圖10為不同理論模型計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，其中，氣腔為2#氣腔，孔徑為1 mm。在氣體流量較低時(shí)，氣泡體積不隨鼓泡孔數(shù)和氣體流量發(fā)生變化。當(dāng)氣體流量達(dá)到0.8 L/min后，雙孔板生成的氣泡開始逐漸隨氣體流量的增加而增大。當(dāng)氣體流量增加至2.5 L/min時(shí)，三孔板生成的氣泡體積明顯增大。Park等[16]的研究結(jié)果表明，當(dāng)氣腔體積滿足式(8)所示關(guān)系式時(shí)，氣腔處于恒壓狀態(tài)?？捎墒?6)計(jì)算得到氣泡生成體積Vbc。此時(shí)，氣泡體積由氣腔體積Vc、孔徑r、液相張力系數(shù)σ及氣腔平均壓力pa等因素決定而不受氣體流量影響。但圖10所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅當(dāng)氣體流量較低時(shí)，氣泡體積符合式(6)的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)氣體流量較高時(shí)，氣泡體積大于式(6)計(jì)算值并隨氣體流量的增加而增大。氣體流量較高時(shí)，控制氣泡脫離的主要作用力為慣性力，氣腔恒流條件下氣泡體積的計(jì)算公式如(7)[14]所示，式(7)計(jì)算得到的氣泡體積Vbp與鼓泡孔內(nèi)的平均氣體流量q具有指數(shù)關(guān)系。當(dāng)氣體流量較小時(shí)，由式(7)計(jì)算得到的氣泡體積小于式(6)計(jì)算得到的氣泡體積。將該區(qū)域定義為氣腔控制區(qū)，隨氣體流量的增加，式(7)計(jì)算得到的氣泡體積開始超越式(6)計(jì)算值，將該區(qū)域定義為慣性力控制區(qū)。氣體流量處于氣腔控制區(qū)時(shí)，氣泡體積不隨氣體流量的變化而變化，生成的平均氣泡體積可由式(6)計(jì)算得到。當(dāng)氣體流量升高至慣性力控制區(qū)時(shí)，氣泡平均體積隨氣體流量的增加而增大。此時(shí)，生成的平均氣泡體積處于式(6)與(7)的計(jì)算值之間。由圖10可知，當(dāng)鼓泡孔數(shù)量增加后，由氣腔控制區(qū)向慣性力控制區(qū)轉(zhuǎn)換的流量隨之增加。因此，可合理設(shè)置多孔鼓泡孔板的開孔數(shù)量，從而保證氣泡生成處于氣腔控制區(qū)。

Vbp=teQg

(5)

Vbc=2σVc/Krpa

(6)

Vbq=1.378q1.2/g0.6

(7)

(8)

其中：Qg為進(jìn)入氣腔的平均氣體流量；K和M分別為多變系數(shù)和氣體分子量。

圖10 實(shí)際氣泡體積與不同理論模型計(jì)算體積比較Fig.10 Comparison between practical bubble volume and calculated value by different models

3 結(jié)論

本文通過可視化實(shí)驗(yàn)手段，對孔板結(jié)構(gòu)、氣腔狀態(tài)等參數(shù)與多孔板鼓泡性能的影響關(guān)系進(jìn)行研究，分析了各因素對鼓泡性能的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論。

1) 氣腔滿水條件下每組鼓泡的時(shí)間間隔基本不變，但高鼓泡孔數(shù)所占時(shí)間份額明顯降低，鼓泡孔利用效率下降，氣泡體積增大。

2) 多孔板鼓泡過程中鼓泡孔數(shù)和平均鼓泡時(shí)間間隔有較強(qiáng)的隨機(jī)性，均不適宜單獨(dú)作為特征量來衡量多孔板鼓泡性能；包含二者的有效鼓泡時(shí)間可較好地衡量相同氣體流量條件下多孔板的鼓泡性能。

3) 當(dāng)氣體流量為0.35～0.7 L/min、孔間距為4 mm時(shí)，氣泡脫離會拉拽相鄰鼓泡孔氣泡并促進(jìn)其脫離，從而減少有效鼓泡時(shí)間。

4) 隨氣體流量的增加，氣泡生成體積從氣腔控制區(qū)過渡到慣性力控制區(qū)。鼓泡孔數(shù)量的設(shè)計(jì)應(yīng)保證生成的氣泡體積處于氣腔控制區(qū)。