垂直管內不同物性降液膜流動的實驗研究與應用

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

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垂直管內不同物性降液膜流動的實驗研究與應用

劉 璐， 陳琴珠， 王學生， 范 宇
(華東理工大學 機械與動力工程學院，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，進行垂直管內降膜冷模實驗。觀察記錄不同流量下管內液膜流動穩定性，綜合考慮液膜厚度等因素，選取最佳液膜流動狀態。引入一個與黏度、表面張力、管內液膜流速有關的無量綱參數A，發現A值在(8.8～10.2)×10-2范圍內時，管內液膜流動穩定、膜厚均勻、厚度適中。實踐應用證明：根據A值范圍選取換熱管管徑的方法是可行的。此方法為設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高、管內滯液量小、換熱管內壓力降較小、溫度差損失低等優點，在醫藥、化工等工業生產中被廣泛應用[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“干壁”的現象，即部分管壁未被濕潤，不僅降低傳熱系數，而且會增加污垢；而液膜太厚也會影響傳熱，降低傳熱系數。因此，垂直管內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，同時也為工業生產制造降膜式換熱器提供可靠依據。

1 實 驗

1.1 實驗原理

液體降膜流動受結構和黏度、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，從而影響形成穩定連續液膜的液體流量。薄守石等[8]建立了垂直平板降膜流動的數學模型，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器的液膜流動進行了數值分析，模擬結果表明，液體流速的增加能促進連續液膜的形成，但是并非在高液速下就一定能形成連續的液膜，當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。

實驗發現，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構、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。

液體在管內沿著管壁成膜狀流動，有以下關系式：

(2)

根據雷諾數Re的定義，有：

(3)

式中：d1為當量直徑；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)

當設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和熱交換器的結構，換熱管的管徑d以及操作時液體流量Q(或換熱管內液膜流速)。

因此，對于熱交換器的尺寸選擇，應根據工業生產要求以及對應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的數值A：

(6)

對不同的A在不同流量和熱交換器結構中進行實驗，比較液膜的流動性能及成膜狀況，然后對實驗數據進行歸納比較，初步得出A與液體成膜的關系。如果假設成立，將為以后設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，液體由循環泵從儲液槽中抽起，經過閥門和轉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。

實驗采用不同物性的液體進行測試。首先關閉轉子流量計，啟動循環泵；然后調節轉子流量計，逐漸增大液體流量，同時觀察換熱管中的液體成膜情況，當液體均勻布滿管壁時，記下此時的轉子流量計的讀數。

2 實驗數據處理與分析

根據生產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開始調節液體的流量，同時觀察液體在換熱管內壁的成膜情況，發現在流量為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、不穩定。再逐漸增大液體流量，發現液膜越來越均勻且穩定，液膜厚度也在增加，當流量超過一定值后，液膜流動非常不穩定。選取110、140、165、195、230和最大值265 L/h(當流量超過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。根據式(4)求出：

表明可用式(5)計算管內液膜的平均厚度：

再由式(2)計算出液膜換熱管內的平均流速：

最后，對假設的式(6)進行計算：

對其他流量進行類似計算，計算結果見表1。將上述實驗數據表征，如圖2所示。

表1 不同流量下計算結果

圖2 流量與A的關系圖

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，觀察發現在流量為190和230 L/h時，換熱管內壁上布滿的液膜流動均勻穩定，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，重復上述實驗，得到實驗數據見圖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據分析折線圖。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據分析折線圖。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定，厚度均勻適中時的流量所對應的A值都在(8.8～10.2)×10-2的范圍內。

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

3 應用舉例

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)求出換熱管內液體的平均流速=1.425 m/s，再由式(2)求出計算換熱管內徑為39.73 mm，選取的工業標準尺寸管為外徑50 mm、壁厚3 mm的換熱管。

4 結 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構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，工業生產中流速在某范圍內，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A，發現當A值在(8.8～10.2)×10-2的范圍內時，換熱管內液膜流動穩定，膜厚均勻，厚度適中，經過工程實際應用實踐驗證，根據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，FANYu
(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備研究。

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

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

TQ 053.6

A

1006-7167(2015)02-0034-04