垂直管内不同物性降液膜流动的实验研究与应用

刘 璐， 陈琴珠， 王学生， 范 宇(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)



垂直管内不同物性降液膜流动的实验研究与应用

刘 璐， 陈琴珠， 王学生， 范 宇
(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

通过实验比较不同物性的液体在不同管径的换热管中的成膜流动情况，得到一种根据物性及工况条件选择换热管径的有效方法。不同配比的乙二醇水溶液有不同的密度、黏度及表面张力等物性，以此溶液为实验液体，进行垂直管内降膜冷模实验。观察记录不同流量下管内液膜流动稳定性，综合考虑液膜厚度等因素，选取最佳液膜流动状态。引入一个与黏度、表面张力、管内液膜流速有关的无量纲参数A，发现A值在(8.8～10.2)×10-2范围内时，管内液膜流动稳定、膜厚均匀、厚度适中。实践应用证明：根据A值范围选取换热管管径的方法是可行的。此方法为设计降膜式热交换器时选择管径提供了一种简便的新思路。

垂直管； 物性； 降液膜

0 引 言

垂直管降膜式换热器是利用液体自身的重力经过液体分布器的布液作用，沿着换热管壁形成一层液膜，在向下流动的同时完成与管壁外流体的热量交换。这种热交换方式具有总传热系数高、管内滞液量小、换热管内压力降较小、温度差损失低等优点，在医药、化工等工业生产中被广泛应用[1～6]。

在降膜式换热器中，管壁形成的液膜厚度直接影响换热器的工作状况。液膜太薄，容易破裂，在管壁上出现“干壁”的现象，即部分管壁未被湿润，不仅降低传热系数，而且会增加污垢；而液膜太厚也会影响传热，降低传热系数。因此，垂直管内不同物料降液膜流动性能的实验研究是解决液膜厚度均匀且达到传热要求的一种主要方法，同时也为工业生产制造降膜式换热器提供可靠依据。

1 实 验

1.1 实验原理

液体降膜流动受结构和黏度、张力等物性以及操作条件如液体流速三大方面的影响。谷芳等[7]利用VOF法建立了液膜在倾斜波纹板上的气-液两相流CFD模型，结果表明，黏度只影响液膜的厚度，表面张力影响液体与管壁的接触角，从而影响形成稳定连续液膜的液体流量。薄守石等[8]建立了垂直平板降膜流动的数学模型，研究表明，表面张力和黏度影响液膜形成的难易程度。董琳等[9]对异形竖管降膜蒸发器的液膜流动进行了数值分析，模拟结果表明，液体流速的增加能促进连续液膜的形成，但是并非在高液速下就一定能形成连续的液膜，当液体流量超过一定值时，液膜的湍动能急剧增加，液膜不能沿壁面均匀流下，会出现脱体飞溅等情况。

在垂直管降膜式热交换器中，为使液体能够沿换热管管壁形成液膜，必须使液体的流量大于某临界最小值，Hartley等[10]给出了求形成液膜所必要的最小液体负荷公式：

Mmin=1 400(μρσ3)1/5

(1)

式中：Mmin为最小允许液体负荷，kg/(m·h)；ρ为液体的密度，kg/m3；μ为液体黏度，Pa·s；σ为液体在换热管的表面张力，N/m。

实验发现，液体能够沿换热管管壁成膜的最小流量不仅受液体本身密度、黏度、表面张力等物性的影响，而且受到布膜器的结构、尺寸的影响，合适的布膜器可以降低液体成膜所需的最小流量。

液体在管内沿着管壁成膜状流动，有以下关系式：

(2)

根据雷诺数Re的定义，有：

(3)

式中：d1为当量直径；δ为液膜厚度。

整理式(2)、(3)，得：

(4)

尾花英朗[11]给出Re<1 600时的液膜厚度计算公式，王承平等[12～17]通过实验和模拟等方式，验证了该公式的正确性，

(5)

当设计降膜式热交换器时，液体的流速、换热管的管径等的选择是十分重要的。显然，不同的料液，其黏度、表面张力、密度等物性不同，以不同的流速，通过布膜器布膜后流经不同的换热管，液膜形成状况也不同。影响液体在换热管管壁成膜的因素很多，主要有：液体本身的物性，黏度μ、表面张力σ和热交换器的结构，换热管的管径d以及操作时液体流量Q(或换热管内液膜流速)。

因此，对于热交换器的尺寸选择，应根据工业生产要求以及对应某种物性的液体去寻找最适合它的换热器尺寸和流量。本实验对此展开设想，对液体的黏度、表面张力和液膜流速进行无量纲化运算，得到一量纲为1的数值A：

(6)

对不同的A在不同流量和热交换器结构中进行实验，比较液膜的流动性能及成膜状况，然后对实验数据进行归纳比较，初步得出A与液体成膜的关系。如果假设成立，将为以后设计降膜式热交换器提供非常重要的信息。

1.2 实验方法

本实验是将实际多管束高温工况简化为单管常温工况，同时为了观察液膜的形成及流动情况，以有机玻璃管作为热交换管。图1中的有机玻璃管的直径是根据换热管的标准管径选择确定，管外径分别是2∅38 mm和∅50 mm，内径分别是∅33 mm和∅44 mm。

图1 实验装置及流程

实验装置及流程如图1所示，液体由循环泵从储液槽中抽起，经过阀门和转子流量计进入缓冲槽，再进过布膜器的作用，沿着换热管的管壁形成膜状向下流动，最终收集到储液槽中，完成一个循环。

实验采用不同物性的液体进行测试。首先关闭转子流量计，启动循环泵；然后调节转子流量计，逐渐增大液体流量，同时观察换热管中的液体成膜情况，当液体均匀布满管壁时，记下此时的转子流量计的读数。

2 实验数据处理与分析

根据生产中用于降膜式热交换器的液体物性，将乙醇与水以不同的比例混合，得到不同的黏度和张力等物性，以此作为实验液体。

以液体通过管径∅38 mm的换热管为例。实验乙醇水溶液的密度ρ=945.1 kg/m3，黏度μ=2.79 mPa·s，在有机玻璃的表面张力σ=0.051 53 N/m。

启动实验装置，从0开始调节液体的流量，同时观察液体在换热管内壁的成膜情况，发现在流量为110 L/h时，液体才开始形成完整的薄膜，此时液膜很薄，波动厉害、不稳定。再逐渐增大液体流量，发现液膜越来越均匀且稳定，液膜厚度也在增加，当流量超过一定值后，液膜流动非常不稳定。选取110、140、165、195、230和最大值265 L/h(当流量超过265 L/h时，管板上液位高度超过布膜器的高度，直接从布膜器的上端流进换热管，布膜器失去作用)进行比较。

以110 L/h为例计算。根据式(4)求出：

表明可用式(5)计算管内液膜的平均厚度：

再由式(2)计算出液膜换热管内的平均流速：

最后，对假设的式(6)进行计算：

对其他流量进行类似计算，计算结果见表1。将上述实验数据表征，如图2所示。

表1 不同流量下计算结果

图2 流量与A的关系图

比较不同流量下的降膜流动情况，综合考虑液膜厚度等因素，观察发现在流量为190和230 L/h时，换热管内壁上布满的液膜流动均匀稳定，厚度适中，是一种较理想的流动情况，此时A值分别为9.267 8×10-2和10.01×10-2。

更换液体，重复上述实验，得到实验数据见图3和图4。图3表示不同物性的液体在管径为∅38 mm的换热管中的流动数据分析折线图。其中，曲线1表示的液体物性为：ρ=868 kg/m3，μ=3.32 mPa·s，σ=49.44 mN/m；曲线2所表示的液体物性为：ρ=956.5 kg/m3，μ=3.28 mPa·s，σ=52.05 mN/m；曲线3所表示的液体物性为：ρ=945.1 kg/m3，μ=2.79 mPa·s，σ=51.53 mN/m；曲线4所表示的液体物性为：ρ=844.9 kg/m3，μ=2.74 mPa·s，σ=61.35 mN/m。

图3 ∅38 mm管内不同液体流动

图4表示不同物性的液体在管径为∅50 mm的换热管中的流动数据分析折线图。其中曲线1所表示的液体物性为：ρ=914.6 kg/m3，μ=3.39 mPa·s，σ=54.8 mN/m；曲线2所表示的液体物性为：ρ=922.6 kg/m3，μ=3.2 mPa·s，σ=52.53 mN/m；曲线3所表示的液体物性为：ρ=890.7 kg/m3，μ=2.69 mPa·s，σ=49.55 mN/m；曲线4所表示的液体物性为：ρ=920.8 kg/m3，μ=2.64 mPa·s，σ=55.95 mN/m。

图4 ∅50 mm管内不同液体流动

从图3、4可以看出，随着液体流量的增加，A值也在逐渐增加，但是每组实验中要求液膜流动稳定，厚度均匀适中时的流量所对应的A值都在(8.8～10.2)×10-2的范围内。

对于某确定物性(即黏度、表面张力、密度已知)的液体，按照实验结论的A值，可由式(6)求出换热管内液体的平均流速，根据工业实际要求，换算出换热管单管流量Q和要求的液膜厚度δ，将上述参数代入式(2)中即可求出所需换热管的内径，最后以此为依据选取合适的工业标准尺寸换热管。

3 应用举例

以某乙二醇项目中的乙二醇精制工段降膜式热交换器的设计为例，某工段料液物性分别是ρ=1 002.4 kg/m3，μ=2.1 mPa·s，σ=31.5 mN/m，要求换热管内单管液体流量约160 L/h，液膜厚度约2.5 mm。取A值为9.5×10-2，由式(6)求出换热管内液体的平均流速=1.425 m/s，再由式(2)求出计算换热管内径为39.73 mm，选取的工业标准尺寸管为外径50 mm、壁厚3 mm的换热管。

4 结 论

(1) 液体在垂直管降膜式换热器中流动，沿换热管管壁成膜受液体自身物性和换热器的结构尺寸以及工作时液体流量等因素的影响，其中布膜器影响液体成膜的最小流量，密度、黏度、表面张力等物性和换热管的尺寸影响液膜的流速、厚度等。

(2) 对于某物性确定的液体，在不同管径的换热管中有不同的合适流速，液体以该流速在该管径中可形成稳定的液膜，且液膜厚度均匀适中；但是受实际工况等因素的影响，工业生产中流速在某范围内，这意味着并不是任何管径的换热管都合适。

(3) 为了快速、简便地选出合适的换热管，综合考虑液体的黏度、表面张力和液膜流速等影响因素，对其进行无量纲化运算，得到一量纲为1的参数A，发现当A值在(8.8～10.2)×10-2的范围内时，换热管内液膜流动稳定，膜厚均匀，厚度适中，经过工程实际应用实践验证，根据A值范围选取换热管管径的方法是可行的。

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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

刘 璐(1990-)，女，湖北随州人，硕士生，主要研究方向为先进化工设备研究。

陈琴珠(1959- )，女，上海人，副教授，硕士生导师，研究方向：先进化工设备。

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

TQ 053.6

A

1006-7167(2015)02-0034-04