垂直管內(nèi)不同物性降液膜流動的實驗研究與應(yīng)用

劉 璐， 陳琴珠， 王學(xué)生， 范 宇(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

?

垂直管內(nèi)不同物性降液膜流動的實驗研究與應(yīng)用

劉 璐， 陳琴珠， 王學(xué)生， 范 宇
(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

通過實驗比較不同物性的液體在不同管徑的換熱管中的成膜流動情況，得到一種根據(jù)物性及工況條件選擇換熱管徑的有效方法。不同配比的乙二醇水溶液有不同的密度、黏度及表面張力等物性，以此溶液為實驗液體，進行垂直管內(nèi)降膜冷模實驗。觀察記錄不同流量下管內(nèi)液膜流動穩(wěn)定性，綜合考慮液膜厚度等因素，選取最佳液膜流動狀態(tài)。引入一個與黏度、表面張力、管內(nèi)液膜流速有關(guān)的無量綱參數(shù)A，發(fā)現(xiàn)A值在(8.8～10.2)×10-2范圍內(nèi)時，管內(nèi)液膜流動穩(wěn)定、膜厚均勻、厚度適中。實踐應(yīng)用證明：根據(jù)A值范圍選取換熱管管徑的方法是可行的。此方法為設(shè)計降膜式熱交換器時選擇管徑提供了一種簡便的新思路。

垂直管； 物性； 降液膜

0 引 言

垂直管降膜式換熱器是利用液體自身的重力經(jīng)過液體分布器的布液作用，沿著換熱管壁形成一層液膜，在向下流動的同時完成與管壁外流體的熱量交換。這種熱交換方式具有總傳熱系數(shù)高、管內(nèi)滯液量小、換熱管內(nèi)壓力降較小、溫度差損失低等優(yōu)點，在醫(yī)藥、化工等工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[1～6]。

在降膜式換熱器中，管壁形成的液膜厚度直接影響換熱器的工作狀況。液膜太薄，容易破裂，在管壁上出現(xiàn)“干壁”的現(xiàn)象，即部分管壁未被濕潤，不僅降低傳熱系數(shù)，而且會增加污垢；而液膜太厚也會影響傳熱，降低傳熱系數(shù)。因此，垂直管內(nèi)不同物料降液膜流動性能的實驗研究是解決液膜厚度均勻且達到傳熱要求的一種主要方法，同時也為工業(yè)生產(chǎn)制造降膜式換熱器提供可靠依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原理

液體降膜流動受結(jié)構(gòu)和黏度、張力等物性以及操作條件如液體流速三大方面的影響。谷芳等[7]利用VOF法建立了液膜在傾斜波紋板上的氣-液兩相流CFD模型，結(jié)果表明，黏度只影響液膜的厚度，表面張力影響液體與管壁的接觸角，從而影響形成穩(wěn)定連續(xù)液膜的液體流量。薄守石等[8]建立了垂直平板降膜流動的數(shù)學(xué)模型，研究表明，表面張力和黏度影響液膜形成的難易程度。董琳等[9]對異形豎管降膜蒸發(fā)器的液膜流動進行了數(shù)值分析，模擬結(jié)果表明，液體流速的增加能促進連續(xù)液膜的形成，但是并非在高液速下就一定能形成連續(xù)的液膜，當(dāng)液體流量超過一定值時，液膜的湍動能急劇增加，液膜不能沿壁面均勻流下，會出現(xiàn)脫體飛濺等情況。

在垂直管降膜式熱交換器中，為使液體能夠沿換熱管管壁形成液膜，必須使液體的流量大于某臨界最小值，Hartley等[10]給出了求形成液膜所必要的最小液體負荷公式：

Mmin=1 400(μρσ3)1/5

(1)

式中：Mmin為最小允許液體負荷，kg/(m·h)；ρ為液體的密度，kg/m3；μ為液體黏度，Pa·s；σ為液體在換熱管的表面張力，N/m。

實驗發(fā)現(xiàn)，液體能夠沿換熱管管壁成膜的最小流量不僅受液體本身密度、黏度、表面張力等物性的影響，而且受到布膜器的結(jié)構(gòu)、尺寸的影響，合適的布膜器可以降低液體成膜所需的最小流量。

液體在管內(nèi)沿著管壁成膜狀流動，有以下關(guān)系式：

(2)

根據(jù)雷諾數(shù)Re的定義，有：

(3)

式中：d1為當(dāng)量直徑；δ為液膜厚度。

整理式(2)、(3)，得：

(4)

尾花英朗[11]給出Re<1 600時的液膜厚度計算公式，王承平等[12～17]通過實驗和模擬等方式，驗證了該公式的正確性，

(5)

當(dāng)設(shè)計降膜式熱交換器時，液體的流速、換熱管的管徑等的選擇是十分重要的。顯然，不同的料液，其黏度、表面張力、密度等物性不同，以不同的流速，通過布膜器布膜后流經(jīng)不同的換熱管，液膜形成狀況也不同。影響液體在換熱管管壁成膜的因素很多，主要有：液體本身的物性，黏度μ、表面張力σ和熱交換器的結(jié)構(gòu)，換熱管的管徑d以及操作時液體流量Q(或換熱管內(nèi)液膜流速)。

因此，對于熱交換器的尺寸選擇，應(yīng)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)要求以及對應(yīng)某種物性的液體去尋找最適合它的換熱器尺寸和流量。本實驗對此展開設(shè)想，對液體的黏度、表面張力和液膜流速進行無量綱化運算，得到一量綱為1的數(shù)值A(chǔ)：

(6)

對不同的A在不同流量和熱交換器結(jié)構(gòu)中進行實驗，比較液膜的流動性能及成膜狀況，然后對實驗數(shù)據(jù)進行歸納比較，初步得出A與液體成膜的關(guān)系。如果假設(shè)成立，將為以后設(shè)計降膜式熱交換器提供非常重要的信息。

1.2 實驗方法

本實驗是將實際多管束高溫工況簡化為單管常溫工況，同時為了觀察液膜的形成及流動情況，以有機玻璃管作為熱交換管。圖1中的有機玻璃管的直徑是根據(jù)換熱管的標準管徑選擇確定，管外徑分別是2?38 mm和?50 mm，內(nèi)徑分別是?33 mm和?44 mm。

圖1 實驗裝置及流程

實驗裝置及流程如圖1所示，液體由循環(huán)泵從儲液槽中抽起，經(jīng)過閥門和轉(zhuǎn)子流量計進入緩沖槽，再進過布膜器的作用，沿著換熱管的管壁形成膜狀向下流動，最終收集到儲液槽中，完成一個循環(huán)。

實驗采用不同物性的液體進行測試。首先關(guān)閉轉(zhuǎn)子流量計，啟動循環(huán)泵；然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計，逐漸增大液體流量，同時觀察換熱管中的液體成膜情況，當(dāng)液體均勻布滿管壁時，記下此時的轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)。

2 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)生產(chǎn)中用于降膜式熱交換器的液體物性，將乙醇與水以不同的比例混合，得到不同的黏度和張力等物性，以此作為實驗液體。

以液體通過管徑?38 mm的換熱管為例。實驗乙醇水溶液的密度ρ=945.1 kg/m3，黏度μ=2.79 mPa·s，在有機玻璃的表面張力σ=0.051 53 N/m。

啟動實驗裝置，從0開始調(diào)節(jié)液體的流量，同時觀察液體在換熱管內(nèi)壁的成膜情況，發(fā)現(xiàn)在流量為110 L/h時，液體才開始形成完整的薄膜，此時液膜很薄，波動厲害、不穩(wěn)定。再逐漸增大液體流量，發(fā)現(xiàn)液膜越來越均勻且穩(wěn)定，液膜厚度也在增加，當(dāng)流量超過一定值后，液膜流動非常不穩(wěn)定。選取110、140、165、195、230和最大值265 L/h(當(dāng)流量超過265 L/h時，管板上液位高度超過布膜器的高度，直接從布膜器的上端流進換熱管，布膜器失去作用)進行比較。

以110 L/h為例計算。根據(jù)式(4)求出：

表明可用式(5)計算管內(nèi)液膜的平均厚度：

再由式(2)計算出液膜換熱管內(nèi)的平均流速：

最后，對假設(shè)的式(6)進行計算：

對其他流量進行類似計算，計算結(jié)果見表1。將上述實驗數(shù)據(jù)表征，如圖2所示。

表1 不同流量下計算結(jié)果

圖2 流量與A的關(guān)系圖

比較不同流量下的降膜流動情況，綜合考慮液膜厚度等因素，觀察發(fā)現(xiàn)在流量為190和230 L/h時，換熱管內(nèi)壁上布滿的液膜流動均勻穩(wěn)定，厚度適中，是一種較理想的流動情況，此時A值分別為9.267 8×10-2和10.01×10-2。

更換液體，重復(fù)上述實驗，得到實驗數(shù)據(jù)見圖3和圖4。圖3表示不同物性的液體在管徑為?38 mm的換熱管中的流動數(shù)據(jù)分析折線圖。其中，曲線1表示的液體物性為：ρ=868 kg/m3，μ=3.32 mPa·s，σ=49.44 mN/m；曲線2所表示的液體物性為：ρ=956.5 kg/m3，μ=3.28 mPa·s，σ=52.05 mN/m；曲線3所表示的液體物性為：ρ=945.1 kg/m3，μ=2.79 mPa·s，σ=51.53 mN/m；曲線4所表示的液體物性為：ρ=844.9 kg/m3，μ=2.74 mPa·s，σ=61.35 mN/m。

圖3 ?38 mm管內(nèi)不同液體流動

圖4表示不同物性的液體在管徑為?50 mm的換熱管中的流動數(shù)據(jù)分析折線圖。其中曲線1所表示的液體物性為：ρ=914.6 kg/m3，μ=3.39 mPa·s，σ=54.8 mN/m；曲線2所表示的液體物性為：ρ=922.6 kg/m3，μ=3.2 mPa·s，σ=52.53 mN/m；曲線3所表示的液體物性為：ρ=890.7 kg/m3，μ=2.69 mPa·s，σ=49.55 mN/m；曲線4所表示的液體物性為：ρ=920.8 kg/m3，μ=2.64 mPa·s，σ=55.95 mN/m。

圖4 ?50 mm管內(nèi)不同液體流動

從圖3、4可以看出，隨著液體流量的增加，A值也在逐漸增加，但是每組實驗中要求液膜流動穩(wěn)定，厚度均勻適中時的流量所對應(yīng)的A值都在(8.8～10.2)×10-2的范圍內(nèi)。

對于某確定物性(即黏度、表面張力、密度已知)的液體，按照實驗結(jié)論的A值，可由式(6)求出換熱管內(nèi)液體的平均流速，根據(jù)工業(yè)實際要求，換算出換熱管單管流量Q和要求的液膜厚度δ，將上述參數(shù)代入式(2)中即可求出所需換熱管的內(nèi)徑，最后以此為依據(jù)選取合適的工業(yè)標準尺寸換熱管。

3 應(yīng)用舉例

以某乙二醇項目中的乙二醇精制工段降膜式熱交換器的設(shè)計為例，某工段料液物性分別是ρ=1 002.4 kg/m3，μ=2.1 mPa·s，σ=31.5 mN/m，要求換熱管內(nèi)單管液體流量約160 L/h，液膜厚度約2.5 mm。取A值為9.5×10-2，由式(6)求出換熱管內(nèi)液體的平均流速=1.425 m/s，再由式(2)求出計算換熱管內(nèi)徑為39.73 mm，選取的工業(yè)標準尺寸管為外徑50 mm、壁厚3 mm的換熱管。

4 結(jié) 論

(1) 液體在垂直管降膜式換熱器中流動，沿換熱管管壁成膜受液體自身物性和換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸以及工作時液體流量等因素的影響，其中布膜器影響液體成膜的最小流量，密度、黏度、表面張力等物性和換熱管的尺寸影響液膜的流速、厚度等。

(2) 對于某物性確定的液體，在不同管徑的換熱管中有不同的合適流速，液體以該流速在該管徑中可形成穩(wěn)定的液膜，且液膜厚度均勻適中；但是受實際工況等因素的影響，工業(yè)生產(chǎn)中流速在某范圍內(nèi)，這意味著并不是任何管徑的換熱管都合適。

(3) 為了快速、簡便地選出合適的換熱管，綜合考慮液體的黏度、表面張力和液膜流速等影響因素，對其進行無量綱化運算，得到一量綱為1的參數(shù)A，發(fā)現(xiàn)當(dāng)A值在(8.8～10.2)×10-2的范圍內(nèi)時，換熱管內(nèi)液膜流動穩(wěn)定，膜厚均勻，厚度適中，經(jīng)過工程實際應(yīng)用實踐驗證，根據(jù)A值范圍選取換熱管管徑的方法是可行的。

[1] CHU K J，DUKLER A E. Statistical characteristics of thin，wavy film：part Ⅲ，structure of large wave and their resistance to gas flow[J]. AICHE J,1795，21(3):583-593.

[2] 葉學(xué)民，閻維平. 蒸發(fā)、等溫或冷凝薄液膜二維表面波的通用時空穩(wěn)定性方程[J].中國電機工程學(xué)報，2004，24(3)：200-205.

[3] 鄭曉軍,劉人滔,朱家驊，等. 豎直管外氣液逆流環(huán)狀降膜速度與溫度分布[J].化工學(xué)報,2013,64(11):3903-3909.

[4] 張 群,童一俊，任海剛，等. 豎壁降膜流動特性與穩(wěn)定性的數(shù)值研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,31(5):733-736.

[5] RONG Shao-peng, SUN Ya-bing, ZHAO Ze-hua. Degradation of sulfadiazine antibiotics by water falling film dielectric barrier discharge[J]. Chinese Chemical Letters,2014,1:187-192.

[6] KOICHI TAKEMORI，ISAO ISHIHARA，RYOSUKE MATSUMOTO，etal. Behavior of condensate of carbon dioxide and heat transfer in subcritical region[C]//ICOPE-03，D214,Japan:JSME,2003:2-329.

[7] 谷 芳,劉春江,袁希鋼，等.傾斜波紋板上液膜流動的CFD研究[J].化工學(xué)報,2005,56(3):462-467.

[8] 薄守石,馬學(xué)虎,陳宏霞,等.物性對垂直降液膜流動的影響[C]//中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)學(xué)2009年學(xué)術(shù)會議論文集.青島：中國工程熱物理學(xué)會，2009：1-8.

[9] 董 琳,張寶堃.異形豎管降膜蒸發(fā)器管內(nèi)液膜流動的數(shù)值研究[J].化工裝備技術(shù),2011,32(1):24-27.

[10] Hartley D E, Murgatroyd W. Criteria for the break-up od thin liquid layers flowing isothermally over solid surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1964, 7(9):1003-1015.

[11] Oka Ero. Heat Exchanger Design Handbook [M]. 2nd ed. Beijing: Petroleum Industry Press,1982: 376-414.

[12] 王靈平,王亦飛,郭強強，等. 洗滌冷卻管內(nèi)垂直降膜流動特性[J].化工學(xué)報,2013,64(6)：1959-1968.

WANG Ling-ping, WANG Yi-fei, GUO Qiang-qiang,etal. Flow characteristics of vertical falling film in scrubbing-cooling pipe[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2013,64(6)：1959-1968.

[13] 閻維平,李洪濤,葉學(xué)民，等.垂直自由下降液膜厚度的瞬時無接觸測量研究[J].熱能動力工程,2007,22(4):380-384.

[14] 韋勝杰,宋 建,胡 珀，等.豎壁冷態(tài)降液膜流動統(tǒng)計特性實驗研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(6):674-678.

[15] 張 鋒,耿 皎.利用電容法測量降膜厚度[J].計量技術(shù),2005(5):34-35.

[16] 王海濤,陳 曄. 水平管降膜蒸發(fā)液膜厚度及傳熱系數(shù)研究[J].海洋技術(shù),2013,32(4):81-84.

[17] 郝 麗,肖曉明,張呂鴻，等. 豎直管降膜蒸發(fā)器流動與傳熱過程的數(shù)值模擬[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2014,31(2):60-65.

Experimental Study and Application of Different Physical Properties Falling Film Flow in Vertical Tube

LIULu，CHENQin-zhu，WANGXue-sheng，F(xiàn)ANYu
(Mechanical and Power Engineering School， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237, China)

Experiments were done to study and compare the liquid of different physical properties flow in the heat exchange pipes of different diameters. And an effective method was proposed to choose heat pipe diameter according to the physical properties and working conditions. Ethylene glycol aqueous solution with different ratio whose density, viscosity, surface tension and other properties were different were taken as experimental liquid and flowed in the vertical tube. Observing the falling film flow process, and considering the liquid film thickness and other factors, the best film flow was selected. A non dimensional parameter was proposed. The parameter is related to the viscosity, surface tension, and velocity of the liquid. A more stability flow and a more uniform film can be observed when the parameter ranges in 8.8×10-2—10.2×10-2. The engineering application of the method was also carried out in present work. The method can provide certain directive significance to the design of falling film evaporator.

vertical tube; physical properties; falling liquid film

2014-04-26

劉 璐(1990-)，女，湖北隨州人，碩士生，主要研究方向為先進化工設(shè)備研究。

陳琴珠(1959- )，女，上海人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：先進化工設(shè)備。

Tel.:021-64253175;E-mail: qzchen@ecust.edu.cn

TQ 053.6

A

1006-7167(2015)02-0034-04