垂直管內(nèi)不同物性降液膜流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)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(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

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垂直管內(nèi)不同物性降液膜流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)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(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較不同物性的液體在不同管徑的換熱管中的成膜流動(dòng)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(shí)驗(yàn)液體，進(jìn)行垂直管內(nèi)降膜冷模實(shí)驗(yàn)。觀察記錄不同流量下管內(nèi)液膜流動(dòng)穩(wěn)定性，綜合考慮液膜厚度等因素，選取最佳液膜流動(dòng)狀態(tài)。引入一個(gè)與黏度、表面張力、管內(nèi)液膜流速有關(guān)的無(wú)量綱參數(shù)A，發(fā)現(xiàn)A值在(8.8～10.2)×10-2范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi)液膜流動(dòng)穩(wěn)定、膜厚均勻、厚度適中。實(shí)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(jì)降膜式熱交換器時(shí)選擇管徑提供了一種簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)的同時(shí)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(diǎn)，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(rùn)，不僅降低傳熱系數(shù)，而且會(huì)增加污垢；而液膜太厚也會(huì)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(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)研究是解決液膜厚度均勻且達(dá)到傳熱要求的一種主要方法，同時(shí)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(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

液體降膜流動(dòng)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(dòng)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(duì)異形豎管降膜蒸發(fā)器的液膜流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，模擬結(jié)果表明，液體流速的增加能促進(jìn)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(guò)一定值時(shí)，液膜的湍動(dòng)能急劇增加，液膜不能沿壁面均勻流下，會(huì)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?fù)Q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(fù)荷公式：

Mmin=1 400(μρσ3)1/5

(1)

式中：Mmin為最小允許液體負(fù)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液體能夠沿?fù)Q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(dòng)，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(shí)的液膜厚度計(jì)算公式，王承平等[12～17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬等方式，驗(yàn)證了該公式的正確性，

(5)

當(dāng)設(shè)計(jì)降膜式熱交換器時(shí)，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(guò)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(shí)液體流量Q(或換熱管內(nèi)液膜流速)。

因此，對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)此展開(kāi)設(shè)想，對(duì)液體的黏度、表面張力和液膜流速進(jìn)行無(wú)量綱化運(yùn)算，得到一量綱為1的數(shù)值A(chǔ)：

(6)

對(duì)不同的A在不同流量和熱交換器結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較液膜的流動(dòng)性能及成膜狀況，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)降膜式熱交換器提供非常重要的信息。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是將實(shí)際多管束高溫工況簡(jiǎn)化為單管常溫工況，同時(shí)為了觀察液膜的形成及流動(dòng)情況，以有機(jī)玻璃管作為熱交換管。圖1中的有機(jī)玻璃管的直徑是根據(jù)換熱管的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示，液體由循環(huán)泵從儲(chǔ)液槽中抽起，經(jīng)過(guò)閥門(mén)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入緩沖槽，再進(jìn)過(guò)布膜器的作用，沿著換熱管的管壁形成膜狀向下流動(dòng)，最終收集到儲(chǔ)液槽中，完成一個(gè)循環(huán)。

實(shí)驗(yàn)采用不同物性的液體進(jìn)行測(cè)試。首先關(guān)閉轉(zhuǎn)子流量計(jì)，啟動(dòng)循環(huán)泵；然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，逐漸增大液體流量，同時(shí)觀察換熱管中的液體成膜情況，當(dāng)液體均勻布滿管壁時(shí)，記下此時(shí)的轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)液體。

以液體通過(guò)管徑?38 mm的換熱管為例。實(shí)驗(yàn)乙醇水溶液的密度ρ=945.1 kg/m3，黏度μ=2.79 mPa·s，在有機(jī)玻璃的表面張力σ=0.051 53 N/m。

啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，從0開(kāi)始調(diào)節(jié)液體的流量，同時(shí)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(shí)，液體才開(kāi)始形成完整的薄膜，此時(shí)液膜很薄，波動(dòng)厲害、不穩(wěn)定。再逐漸增大液體流量，發(fā)現(xiàn)液膜越來(lái)越均勻且穩(wěn)定，液膜厚度也在增加，當(dāng)流量超過(guò)一定值后，液膜流動(dòng)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(guò)265 L/h時(shí)，管板上液位高度超過(guò)布膜器的高度，直接從布膜器的上端流進(jìn)換熱管，布膜器失去作用)進(jìn)行比較。

以110 L/h為例計(jì)算。根據(jù)式(4)求出：

表明可用式(5)計(jì)算管內(nèi)液膜的平均厚度：

再由式(2)計(jì)算出液膜換熱管內(nèi)的平均流速：

最后，對(duì)假設(shè)的式(6)進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)其他流量進(jìn)行類(lèi)似計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表征，如圖2所示。

表1 不同流量下計(jì)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(dòng)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(shí)，換熱管內(nèi)壁上布滿的液膜流動(dòng)均勻穩(wěn)定，厚度適中，是一種較理想的流動(dòng)情況，此時(shí)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(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(dòng)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(dòng)

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(dòng)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(dòng)

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(shí)驗(yàn)中要求液膜流動(dòng)穩(wěn)定，厚度均勻適中時(shí)的流量所對(duì)應(yīng)的A值都在(8.8～10.2)×10-2的范圍內(nèi)。

對(duì)于某確定物性(即黏度、表面張力、密度已知)的液體，按照實(shí)驗(yàn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)尺寸換熱管。

3 應(yīng)用舉例

以某乙二醇項(xiàng)目中的乙二醇精制工段降膜式熱交換器的設(shè)計(jì)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(jì)算換熱管內(nèi)徑為39.73 mm，選取的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，沿?fù)Q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(shí)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(duì)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(shí)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(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化運(yùn)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(shí)，換熱管內(nèi)液膜流動(dòng)穩(wěn)定，膜厚均勻，厚度適中，經(jīng)過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證，根據(jù)A值范圍選取換熱管管徑的方法是可行的。

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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?yàn)橄冗M(jìn)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(jìn)化工設(shè)備。

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

TQ 053.6

A

1006-7167(2015)02-0034-04