降膜過程中液膜厚度和溫度同步測量系統研制

王子杰， 孔帥帥， 許曉妍， 陳 軍， 蘇明旭， 楊薈楠

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093)

金屬圓管外降膜形成和蒸發是熱交換器中重要的傳熱傳質過程，其廣泛存在于汽車電子、核能安全、制冷工程和航空航天等多個領域中[1-4]。液膜厚度及溫度影響熱量傳遞，是計算傳熱系數的關鍵參數。對液膜厚度和溫度的高精度測量不僅能更好地了解液膜形成、流動和蒸發過程的傳熱機理，也對優化所涉及的工業過程具有重要的工程應用價值。因此，降膜過程中液膜厚度和溫度的高精度測量至關重要[5-6]。

常見的液膜厚度的測量方法主要有電學法[7-10]、聲學法[11]、圖像法[12]和光學法[13]。Xua等[7]采用電容法對直徑為20～40 mm的水平圓管上水膜厚度進行了測量。Coney[8]采用電導探針連續測量了快速移動的波浪狀水膜厚度。馬明飛[11]利用超聲波脈沖反射法對氣液分層流液膜厚度進行了測量。Gstoehl等[12]使用高速數碼相機對管壁周向80°范圍內水、乙二醇和水-乙二醇混合物的降膜進行了研究。Greszik等[13]結合激光誘導熒光技術與拉曼散射法對水膜厚度的二維分布狀況進行了研究。然而電學法使用的探針容易對流場造成影響，且膜厚測量范圍和精度常受到液膜波動形態、平板表面液膜覆蓋情況、傳感器有效截面及探針結構參數等的影響[6]。聲學法雖然不影響流場，但測量精度易受氣泡、雜質和振動等因素的影響。而圖像法與光學法需要添加示蹤物質，相機的離焦模糊程度會影響測量精度，且需要對測量結果進行標定。

液膜溫度測量方法(如熱電阻和熱電偶測溫法)多為接觸式測量方法。龍黃祥[14]和包天杰[15]分別利用熱電偶測量豎直壁面和傾斜壁面降膜過程中的液膜溫度。接觸式測量方法通常會干擾液膜流動，影響測量精度，而非接觸式的光譜法測溫具有無干擾、時間分辨率高和響應迅速等優點。薛婷等[16]基于平面激光誘導熒光技術實現了有機玻璃透明管道上液膜的溫度場測量和測溫誤差分析。然而，在大多情況下，液膜厚度與溫度密切相關，在其機理研究中這2個參數相互耦合，給模型建立和求解帶來困難，傳統的測量方法只能實現對單個參數的測量，無法實現同步測量。因此，楊薈楠等[17]基于雙波長激光吸收光譜 (DLAS) 技術研制了雙波長透射表面上動態液膜厚度與溫度高精度同步測量系統。然而在各種工業過程中，液膜通常在非透射固體(如金屬)表面上形成，而該系統僅適用于透射固體(如透明石英玻璃板)表面上的液膜測量。筆者在此基礎上研制了基于DLAS技術的金屬圓管外降膜過程液膜厚度和溫度同步測量系統，并利用該系統對豎直/水平金屬圓管外的降膜過程進行了研究。

1 測量原理

基于比爾-朗伯定律，激光被非透射固體表面上工質吸收時，其透射率τ(vi)[18]可表示為：

(1)

式中：It為激光穿過液膜后的透射光強；Is為激光在液膜表面發生反射時的反射光強；r為激光在液膜表面的反射因數；I0為入射光強；c為濃度；vi為波長位置；T為液膜溫度；L為總光程；σ(vi,T)為工質在波長位置vi和液膜溫度T時的紅外吸收截面積；下標i表示第i束激光。

本文研究對象為純水液膜，其濃度為：

(2)

式中：M為摩爾質量；ρ(T)為密度，與T有關[19]。

ρ(T)=0.736 94+0.001 99T-3.738 81×

10-6T2

(3)

液態水在近紅外區域存在一個寬帶的吸收光譜，Yang等[20]精確測定了不同溫度(298～348 K)下液態水在5 800～7 800 cm-1波長范圍內的紅外吸收截面積σ。圖1給出了在7 044.7 cm-1和6 722.6 cm-12個波數位置σ(vi,T)的擬合曲線，擬合公式如式(4)所示。

圖1 7 044.7 cm-1和6 722.6 cm-1波數位置σ(vi,T)的擬合曲線Fig.1 Fitting curves of σ(vi,T) at 7 044.7 cm-1 and 6 722.6 cm-1σ(vi,T)=ai+biT

(4)

其中，ai和bi為擬合系數。如表1所示，當波數為7 044.7 cm-1和6 722.6 cm-1時，線性擬合的決定系數K2分別為0.999 8和0.994 3，可見σ(vi,T)與T具有良好的線性關系。

令R為2個波數對應的透射率的對數比，則有

(5)

表1 7 044.7 cm-1和6 722.6 cm-1波數位置σ(vi,T)的擬合系數

將式(1)、式(4)代入式(5)，可得T為：

(6)

當T確定后，將式(6)先后代入式(4)、式(1)可得L為：

(7)

根據總光程L與液膜厚度d之間的關系可得：

(8)

式中：θ為激光入射角；η1為空氣折射率；η2為純水折射率。

2 金屬圓管外降膜過程研究

2.1 豎直金屬圓管外降膜過程研究

圖2為基于DLAS技術研制的豎直金屬圓管外降膜過程液膜厚度和溫度同步測量系統。在DLAS系統中，通過激光控制器(Thorlabs，PRO8000，第一項表示生產公司名稱，第二項表示型號，下同)調節2個分布反饋式半導體激光器(NTT，NLK1S5GAAA)的工作溫度和電流，使其發出穩定波長的激光(其中心波長分別為7 044.7 cm-1和6 722.6 cm-1)。2束激光由波分復用器(AIRXUN，WLF-FC-PC)進行耦合，經準直器(Thorlabs，F280APC-C)準直、凸透鏡(Thorlabs，LB1092-C，焦距f=15.0 mm)聚焦后入射至金屬圓管外的液膜上。金屬圓管表面反射后的光束經凸透鏡、多模光纖(Thorlabs，BFL37-400)和球面鏡(Thorlabs，LD4014，焦距f=-18.0 mm)后照射至光柵(Edmund，54-851)上。耦合的激光分離成2束后分別由凸透鏡聚焦和InGaAs光電探測器(Thorlabs，PDA10CS-EC)接收。InGaAs光電探測器將光強信號轉化成電壓信號，再由數據采集卡(NI，USB-6361，采樣率為2×106s-1)采集并傳輸到計算機，最后由自編的LabVIEW程序進行數據采集與后處理。

同時，結合圖像法和熱電偶對DLAS系統的測量精度進行驗證。對于圖像法，LED作為背景光源，采用CCD相機(IMI TECH相機)配備遠心鏡頭(型號為XF-MT0.8X110，放大倍率為0.8，焦距為110 mm)同步拍攝液膜圖像。當相機拍攝降膜時，實時采集(采樣率為12 Hz)的圖片數據傳輸至電腦中進行保存和處理。此外，熱電偶1(采樣率為1 Hz)用于記錄噴頭出口純水溫度，即注射溫度T0；熱電偶2用于采集并記錄降膜過程中液膜溫度。

圖2 豎直金屬圓管外降膜過程液膜厚度和溫度同步測量系統Fig.2 Synchronous measurement system of liquid film thickness and temperature during the falling film process outside of the vertical tube

為在豎直金屬圓管外形成均勻分布的降膜，首先將注射泵的注射時間設置為30 s，勻速推動針管，針管中的純水經水管后由噴頭(內徑為25 mm)注入豎直方型水槽(長×寬×高=31 mm×31 mm×70 mm，厚度為2 mm，材料為聚氯乙烯)中。水槽底部與豎直金屬圓管(外徑為19 mm，內徑為18 mm，長度為200 mm，材質為304不銹鋼管)間設置寬度為1 mm的環狀狹縫，純水注入水槽流過該狹縫后形成降膜。為了形成不同初始溫度的降膜，將加熱后的純水注入針管中。DLAS測點位置在水槽底部下方，與水槽底部的垂直距離為50 mm。同時，為避免熱電偶探頭對降膜流型造成干擾，將熱電偶2的探頭置于與DLAS測點關于豎直金屬圓管中心對稱的降膜中。

圖3 (a)～圖3(c)為注射溫度T0=36.5 ℃、不同注射體積流量qV下，DLAS、圖像法和熱電偶測得的液膜厚度和溫度隨時間的變化情況。筆者將液膜厚度為零的點設置為時間原點，持續記錄時間為35 s。在前2.5 s內，DLAS測得的液膜厚度變化劇烈，出現震蕩現象。這是由于在降膜形成初期，當激光測點位置正好在降膜起始段邊緣時，部分反射光線無法被多模光纖接收，造成的光強信號衰減來自于純水吸收的貢獻，故而呈現液膜厚度增大的現象。同時，由于在降膜形成初期液膜波動較大，CCD相機無法實現自動調焦，造成拍攝的液膜圖片模糊失真。因此，該階段DLAS和圖像法獲得的液膜厚度數據均不參與進一步分析討論。當降膜逐漸平穩后，震蕩現象有所減弱，即在2.5～7.5 s內，DLAS與圖像法所測液膜厚度均出現先增大后減小的趨勢。在>7.5～29.5 s內，降膜進一步趨于平穩后，隨著注射體積流量的增加，流經水槽底部狹縫的純水體積流量也增加，液膜厚度隨之增大。當qV分別取3.33 mL/s、6.00 mL/s、8.67 mL/s時，DLAS和圖像法測得的液膜平均厚度分別為218.0 μm、284.5 μm、295.2 μm和222.3 μm、290.0 μm、307.4 μm。注射泵停止注射后，僅剩水槽內的水流出狹縫。在29.5 s后，DLAS和圖像法測得的液膜厚度均呈現減小趨勢，最后由于缺少后續純水的補給，在表面張力的作用下，液膜出現收縮現象，2種方法測得的液膜厚度均瞬間增大再減小最后趨于零。

(a) T0=36.5 ℃, qV=3.33 mL/s

(d) T0=23.0 ℃, qV=8.67 mL/s

由圖3(a)～圖3(c)可知，DLAS與熱電偶測得的液膜溫度變化趨勢一致。在0～8.0 s內，由于降膜與常溫下的豎直金屬圓管接觸，熱傳導導致降膜熱量散失，2種方法測得的液膜溫度均低于注射溫度(36.5 ℃)。隨著豎直金屬圓管溫度逐漸升高和注射泵熱水的補充，液膜溫度上升。在>8.0～28.0 s內，降膜與豎直金屬圓管的熱交換逐漸趨于平穩，液膜溫度趨于穩定。當T0=36.5 ℃，qV分別取3.33 mL/s、6.00 mL/s、8.67 mL/s時，DLAS和熱電偶測得的液膜平均溫度偏差分別為3.3%、3.5%、3.8%。在28.0 s后，2種方法測得的液膜溫度均逐漸降低。

圖3(c)～圖3(e)給出了注射體積流量qV=8.67 mL/s、不同注射溫度下，3種方法測得的液膜厚度和溫度隨時間變化情況。由圖3(c)～圖3(e)可知，液膜厚度和溫度變化趨勢與圖3(a)～圖3(c)基本一致。在降膜平穩段內(對應的時間分別為12.2～25.3 s、>7.5～29.5 s和5.56～28.60 s)，當T0分別取23.0 ℃、36.5 ℃、42.0 ℃時，DLAS與圖像法測得的液膜平均厚度偏差為3.1%、4.1%、4.3%。結果表明，降膜平穩段內液膜平均厚度減小，這主要是由于黏度值隨注射溫度升高而降低造成的。在0～5 s內，當T0分別取23.0 ℃、36.5 ℃、42.0 ℃時，液膜厚度的震蕩次數分別為5次、4次、3次，可見注射溫度升高也更易于形成更穩定的液膜。在降膜平穩段內，當T0分別取23.0 ℃、36.5 ℃、42.0 ℃時，DLAS與熱電偶測得的液膜平均溫度偏差為0.4%、3.6%、2.7 %。

圖4為圖3(c)中9個不同時刻t1～t9(0 s、1.9 s、2.6 s、10.1 s、17.1 s、24.0 s、30.1 s、33.8 s和33.9 s )對應的采集圖像，圖中白色豎線表示降膜與豎直金屬圓管的分界面，分界面左邊灰色部分為空氣，黑色部分為降膜，右邊黑色部分為金屬圓管。t1時刻圖中白點為DLAS測點位置。由圖4可知，t1～t3時刻為降膜起始段，液膜波動較大，液膜厚度變化劇烈；t4～t6時刻為降膜平穩段；t7～t9時刻為降膜結束段，可見測點上的降膜出現收縮現象，液膜厚度增大。

圖4 豎直金屬圓管外降膜過程9個不同時刻的液膜圖像

Fig.4 Liquid film photogrammetry during the falling film process outside of the vertical tube at nine moments

2.2 水平金屬圓管外降膜過程研究

圖5為基于DLAS技術研制的水平金屬圓管外降膜過程液膜厚度和溫度同步測量系統。DLAS系統與2.1節中一致，連接注射泵的噴嘴位于水平金屬圓管的中心垂直面上，注射泵注射純水后經噴嘴噴淋至水平金屬圓管表面。通過調整噴淋高度(H=10 mm、20 mm和25 mm)和注水溫度(T0=35.0 ℃、40.0 ℃和55.0 ℃)以形成不同工況的降膜。將注射泵的注射體積流量設置為8.67 mL/s，注射時間為15 s。在液膜表面張力的作用下，液膜邊緣兩側會出現“凸”狀的水峰，如采用CCD相機對液膜中心拍攝時，水峰將對激光測點位置造成遮擋。因此，本實驗不采用圖像法對液膜厚度進行測量。同時，采用熱電偶對與DLAS測點關于金屬圓管對稱的點的液膜溫度進行實時采集。

圖5 水平金屬圓管外降膜過程液膜厚度和溫度同步測量系統

圖6(a)～圖6(c)給出了注射溫度T0=35.0 ℃、不同噴淋高度下，DLAS和熱電偶測得的水平金屬圓管外液膜厚度和溫度隨時間的變化情況。在0～2 s內，水平金屬圓管外的降膜處于形成階段，液膜邊緣曲率較大，但相較于豎直金屬圓管外起始段形成的降膜，其表面波動較小，DLAS測得的液膜厚度先突然增大后減小并持續穩定。在降膜平穩段(>2～15 s)內，當H分別取10 mm、20 mm、25 mm時，DLAS測得的液膜平均厚度為199.0 μm、253.2 μm、267.5 μm。隨著噴淋高度的減小，噴頭與水平金屬圓管表面的距離越接近，液體對金屬圓管表面的沖擊力越大，導致純水液體在金屬圓管的表面鋪展形成的降膜面積越大，因此在相同注射體積流量下液膜厚度越小。在15 s后，注射泵停止注射純水時，由于降膜沒有后續純水的補給，液膜發生收縮，因此液膜厚度先突然增大隨后迅速減小至零，液膜溫度呈現先升高后降低的趨勢。在5～15 s內，由于高溫液體的噴淋補充，降膜與金屬圓管逐漸達到熱平衡，液膜溫度逐漸穩定。在降膜平穩段內，當H分別取10 mm、20 mm、25 mm時，DLAS與熱電偶測得的液膜平均溫度偏差為2.8%、3.7%、3.2%。

圖6(c)～圖6(e)給出了噴淋高度H=20 mm、不同注射溫度下, DLAS和熱電偶測得的水平金屬圓管外液膜厚度和溫度隨時間的變化情況。由圖6(c)～圖6(e)可知，液膜厚度和溫度變化趨勢與圖6(a)～圖6(c)基本一致。在降膜平穩段(1.5～14.5 s)內，當T0分別取35.0 ℃、40.0 ℃、55.0 ℃時，DLAS測得的液膜平均厚度為259.7 μm、223.5 μm、198.8 μm，DLAS與熱電偶測得的液膜溫度變化趨勢一致。在5～15 s內，降膜與金屬圓管的熱交換逐漸趨于平穩，液膜溫度逐漸穩定。在此階段，當T0分別取35.0 ℃、40.0 ℃、55.0 ℃時，DLAS與熱電偶測得的液膜平均溫度偏差為2.3%、1.7%、3.3%。由圖6(e)可知，熱電偶測得的溫度變化相對劇烈，這是由于注射溫度達到55.0 ℃時，純水與外界溫差(常溫25 ℃)較大，當純水噴淋于金屬圓管表面時，傳熱過程不穩定，導致溫度存在較大波動。

(a) H=10 mm, T0=35.0 ℃

(d) H=20 mm, T0=40.0 ℃

3 結 論

(1) 針對金屬圓管外降膜過程中關鍵參數的高精度測量，研制了基于DLAS技術的液膜厚度和溫度同步測量系統，同時結合圖像法和熱電偶對該系統的測量精度進行了驗證。不同方法測得的金屬圓管外液膜厚度和溫度的變化趨勢吻合良好，二者的最大平均偏差分別為4.3%和3.8%，該系統具有無干擾、高精度和高靈敏度等優點。

(2) 在實驗注射溫度下，豎直金屬圓管外降膜過程的液膜厚度和溫度隨著注射體積流量的增加而增大；隨著注射溫度的升高，易于形成更穩定的液膜。

(3) 水平金屬圓管外降膜過程中，隨著噴淋高度增大，液體對金屬圓管表面沖擊力減小，鋪展形成的液膜面積減小，液膜厚度增大，液膜溫度降低；注射溫度升高，液膜厚度減小，液膜溫度變化更加劇烈。

(4) 本測量系統有望應用于選擇性催化還原系統中汽車尾氣排放管上形成的尿素水溶液液膜、海水淡化中水平管降膜蒸發器中形成的液膜和電子器件噴霧冷卻中器件表面形成的液膜等研究，可為其工業過程設計和優化提供指導意義。