不同表面结构下竖板降膜铺展性能的试验研究

2020-09-17许雄文刘金平朱业铭

工业炉 2020年4期

张嘉，许雄文，2，刘金平，2，朱业铭

（1．华南理工大学电力学院，广东广州510640；2．广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东广州510640）

在能源危机的背景下，节约能源的相关政策被广泛推广，高能耗行业如海水淡化、采暖供热、化工工业、制冷工业等受到重点关注。它们很多都是支撑着社会、国家正常运作的基础行业，是国民经济的重要组成部分。因此，需要在相关企业中推广能高效利用能源的技术和相关产品。

为了应对工业和科技需求，传热领域不断改进传热结构，设计了各种高性能换热器。降膜蒸发式冷却器因其具有换热能力强和结构紧凑的优点，引起了科研和工程人员的广泛关注[1-2]。降膜蒸发式冷却器工作过程中，热阻主要集中在水膜、水-空气界面上，国内外学者对此进行了丰富的理论研究，建立了不同约束条件下的理论模型[3-4]，分析了空气与水膜之间的传热传质、液膜的流动过程、空气流动特性及液膜传热系数等因素对传热过程的影响[5-7]。并通过试验分析了冷却温度、空气进口湿球温度、风速、液膜流量、管束排列模式、管型等因素对换热性能的影响[8-14]，为降膜蒸发式冷却器的设计提供参考。

为了提高降膜蒸发传热性能，必须增大气液界面面积。液膜的流动方式对液膜的气液界面积起决定作用。降膜的流动方式可分为封闭膜状流、溪状流和滴状流[15-16]。由于液膜流量对流型有决定性的影响，许多试验数据揭示液膜流量越大，越有利于形成封闭的液膜。当液膜流量减小时，存在临界流量，在极低的液膜流量下，液膜流型可能发生变化并发展为溪流甚至滴流。与封闭液膜流动方式相比，另外两种方式不仅减小了气液两相接触面积，而且加快了液速，缩短了接触时间，从而使传热传质更加糟糕[17-18]。封闭液膜流动方式具有最大的界面接触面积。而影响封闭液膜流动的因素包括液相流量、液相表面张力（包括接触角的影响）以及气液两相在不同方向流动时相间的阻力，这几个因素是相互耦合、相互制约的。

液膜流动的不稳定性是降膜最重要的特性之一，它影响着液膜的流动，改变着液膜的流动方式[19]。由于流体的不稳定性可能导致界面波的产生，许多研究表明表面张力对界面波的影响最为重要。特别是当固液界面受热时，温差会引起接触角的变化，从而影响表面张力和流动情况，这种现象被称为马拉戈尼效应[20-22]。同时，当空气流过降膜表面时，会在降膜表面产生剪切应力，影响降膜的传热传质行为[23-27]。目前对阻力的研究主要集中在逆流和顺流两方面，而对于降膜和空气叉流流动方式少有人研究。同时，对于换热平板壁面进行加肋处理后的液膜的覆盖情况的研究也较少。因此，本文我们重点研究了液膜质量流率、风速、热流密度以及不同的表面结构对液膜覆盖率的影响。

1 试验设计

1.1 热质传递模型

图1 为竖直平板降膜蒸发式冷却蒸发侧的热质传递示意图。在换热壁面的一侧有热流体流过，另一侧外壁面上有水膜覆盖，在重力的作用下液膜沿着外壁面向下流动，空气以一定的速度水平掠过液膜表面。换热壁面被加以一定的热流密度，导致通过固体导热引起换热壁面水侧的温升，与水膜接触，通过对流把热量传递给水膜，水膜再与空气进行热质交换（Qcw）。在换热表面液膜不完全覆盖时，干斑部分会发生壁面与空气的直接对流换热（Qda）。

图1 竖直平板降膜蒸发式冷却内部流场示意图

竖直平板上的液膜在整个换热过程中起到了非常关键的作用。其一方面吸收了来自换热壁面的大部分热量，另一方面通过蒸发相变，与空气进行热质交换，将大量的热量通过汽化潜热的方式转移到了流动的空气中，起到强化传热的作用。而干斑处的热阻大，壁面直接与空气对流换热，换热性能差，因此换热表面的均匀布膜对提高换热性能尤为重要。

1.2 试验设置与步骤

试验台如图2 所示，试验系统分为冷却水、强制空气流和电加热三个子系统。对于冷却水系统，冷却水经由水泵输送到试验段上方经布膜器流出，在竖直平板上与平板和空气流充分换热，一部分水蒸发到空气流系统中，一部分回流继续参加下一次循环，其中测量了冷却水的进出口温度以及流量。利用轴流风机吸风在试验段水平方向入口处形成较为均匀的风场，形成与冷却水流向垂直的强制空气流，测量空气流速大小和进出口的干、湿球温度。电加热系统则是用电加热片贴在换热壁面内侧来替代热流体，记录其加热功率。另外，在换热壁面与电加热片之间利用热电偶测量了壁面温度。同时，利用红外热像仪拍摄竖直平板表面冷却水的成膜情况。

1.3 表面处理

在本文中，我们对三种不同表面处理的铜板进行了试验。其中有两块板表面进行了不同结构的加肋处理，而第三块板不做任何处理，其结构参数如表1 所示。在相同的条件下（均置于水平桌面上），将等体积的水滴在铜板上，板2 的润湿性最差，其次是板1，最好的是板3。板2 的肋尖夹角比较小，当水平放置的时候，表面相当于有深且细的凹槽，容易残存空气，进而影响液滴的铺展。值得一提的是，液滴的形状在板1 上较为对称，呈现从中心向四周扩散趋势，而水在加肋板上，液滴不仅向外扩散，而且会沿着肋的方向延伸，被两侧的肋约束，液滴变得又长又窄，呈现细长状态。

图2 试验装置示意图

表1 铜板结构参数

1.4 液膜覆盖率的计算

用普通相机捕捉垂直铜板上的薄膜分布，很难识别到液体薄膜的边缘。所有物体都辐射红外线能量，能量辐射量是根据实际表面温度和表面辐射系数计算的，而红外热像仪正是通过感知物体表面的红外能量，并利用这些数据计算出温度。由于整体试验台的材质采用的是有机玻璃，而有机玻璃并不透红外光，因此需要对试验测量段进行特殊处理，用聚氯乙烯薄膜代替有机玻璃。

本文通过分析红外摄像机捕获的温度场，可以计算出液膜的覆盖范围。温度测量的示例图像如图3 所示，不同的颜色代表不同的温度。由于水的辐射系数跟铜相差很大，因此用红外热像仪测量时，在液膜边缘处温度是不同的，表现为图像上颜色的突然变化。利用PS 软件，捕捉图像上不同颜色的边界即液膜边缘，根据不同颜色区域像素点个数占总体的比例可以计算得到液膜覆盖率。

图3 红外热像仪成像示意图

2 试验结果与分析

竖直平板降膜蒸发冷却器换热外表面流动着冷却水和强制空气流，其液膜覆盖率受喷淋冷却水和强制空气流的共同影响。同时，在对换热表面进行处理可以得到不同的布膜效果。因此，本文重点考虑可控制调节参数，即液膜质量流率、风速以及表面处理对液膜覆盖率的影响，对于冷却水入口水温、空气干湿球温度等非可控因素的影响暂不考虑。

2.1 流型

如图4 所示，对于没有经过处理的普通换热铜板1，水膜会出现不规则的偏移，这是因为水与铜板的接触角较大，水膜较厚，同时又因为横向风的综合作用，使得远离壁面的表层液膜出现切向速度，液膜流动方向受到扰动进而在壁面上摆动下降。同时，随着液膜沿重力方向的流动，其速度逐渐增大，摆动现象愈发明显。因此板1 上，冷却液膜的流动形态通常为不规则的溪流。

图4 不同表面处理铜板上的液膜铺展情况示例图

带肋板的液膜行为较为相似，液体总是沿肋流动，由于有垂直于收缩方向的纵向肋，因此板2 和板3 的液膜覆盖率较大。对于板2，由于肋尖夹角小且肋间距为零，因此肋底夹角等于肋尖夹角，相当于有细且深的槽，空气较难排出，因此液膜大多覆盖在凸起的肋尖周围，而凹陷的肋底不容易润湿。板3 增大了肋尖夹角，使得铜板表面上液膜能够得到更好的铺展，液膜形态较为完整。通过对试验数据的分析，发现板1 和板2 上的水膜流型主要为溪流，而板3上的水膜流型主要为薄膜流。

2.2 液膜质量流率的影响

通过改变冷却水系统中阀的开度改变液膜质量流率，控制其他参数在一定范围内，可以得到液膜流量对液膜覆盖率的影响，如图5 所示。从图上可以看出，在大趋势上三块板都是保持一致的，随着液膜质量流率的增加，液膜覆盖率随之增大。对于板1，其变化曲线较为平缓，而板2 和板3 都有相应的突增点。这是由于肋对液膜的铺展作用是有双面性的，既有促进也有抑制。

图5 不同液膜质量流率下换热板的液膜覆盖率情况对比图

对于液膜，肋板表面突出的肋尖有着钉扎效应，如图6 所示，在具有三角肋的铜板换热表面，当液膜随着质量流率的增加，想从形态a 转变为形态c 时，需要跃迁一个肋的距离，液膜在流量增加的过程中，液膜会有一个在形态a 和b 之间的中间态，厚度会有瞬时的增加，而当流量增加到一定程度时，根据最小能量法，需要通过跃迁来维系平衡。因此会出现图5 所示的液膜覆盖率随着液膜质量流率增加时的突变点。同时，发现板2 的突变幅度较板3 要大一点，这是因为板2 的肋比较密，因此在液膜流率变化量相同的时候，更容易产生跃迁，使得液膜覆盖率增加的更快一点。同时，在突变点的前后，液膜覆盖率变化缓慢，这是肋对液膜铺展的抑制在起作用。

图6 液膜在三角肋表面的跃迁示意图

肋对液膜铺展的促进作用从三块板之间的液膜覆盖率大小可以充分体现。板1 的液膜覆盖率在0.082～0.11 之间波动，而板2 在0.41～0.57 之间波动，板3 的液膜覆盖率则始终是最大的，在0.76～0.87 间波动，数值上是板1 的9 倍。结合图4 也可以看出，在入口段，板1 可以看出液膜明显的收缩现象，这是由于重力加速度的作用，液膜沿重力方向流速增大，根据质量守恒，需要减小液膜横截面积，液膜宽度减小而厚度增加，因此液膜明显变得细长。而对于板2 和板3，由于肋的存在，使得液膜的收缩受到阻碍，仍能维持入口处的液膜宽度，通过减小液膜厚度保持质量守恒，直至板的后半段，液膜厚度减小到临界值，而流速还在增加，完整的液膜会出现随机的破裂，而破裂处的液膜边缘会受到肋尖的约束，使得干斑的形态跟肋的形态相似，一方面也能抑制干斑的持续增大。

2.3 风速的影响

在竖直平板降膜蒸发式冷却过程中，风速的大小对于液膜和空气的传热传质起着重要的作用。本文通过改变风速，观察其对平板表面液膜覆盖率的影响。从图7 可以看出，风速的变化对液膜覆盖率的影响变化最大的是板2，其液膜覆盖率在±9.3%之间波动，板1 次之为5.6%，而板3 最小仅为2.8%，因此可以适当增加风速，加强液膜气液交界面的扰动，强化液膜的传热传质。试验中还发现，从液膜覆盖的区域上可以看出水平风对液膜的偏移作用，在靠近进风口处的液膜相对于出风口处的液膜更容易出现干斑，且液膜整体会有稍稍向出风口处偏移的现象，这是横向气流在液膜表面剪切力的作用效果。

2.4 热流密度的影响

图7 不同风速下换热板的液膜覆盖率情况对比图

试验过程中，发现保持液膜的质量流率不变，板1 的液膜质量流率为0.012 5 kg/（m·s），板2 为0.020 5 kg/（m·s），板3 为0.011 6 kg/（m·s），改变电加热系统的加热量，也即是改变换热壁面的热流密度，液膜覆盖率会发生变化。从图8 可以看出，随着热流密度的增加，板2 和板3 的液膜覆盖率呈下降趋势。这是因为在加热的情况下，换热管壁的温度发生了变化，液膜被加热，这时候由于马拉戈尼表面热效应，液膜会趋向于收缩。而板1 因为本身液膜覆盖率就很小，液膜比较厚，液膜受热收缩的效果在这里并不明显。分析发现，板2 的收缩更为明显，液膜覆盖率变化了6.6%，而板3 则仅有2.5%。可以看出，板3 对液膜收缩的抑制作用更为显著，能更好地保持液膜的良好铺展和比较高的液膜覆盖率。