不同表面結(jié)構(gòu)下豎板降膜鋪展性能的試驗(yàn)研究

張 嘉，許雄文，2，劉金平，2，朱業(yè)銘

（1．華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640；2．廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640）

在能源危機(jī)的背景下， 節(jié)約能源的相關(guān)政策被廣泛推廣，高能耗行業(yè)如海水淡化、采暖供熱、化工工業(yè)、制冷工業(yè)等受到重點(diǎn)關(guān)注。 它們很多都是支撐著社會(huì)、國(guó)家正常運(yùn)作的基礎(chǔ)行業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。 因此，需要在相關(guān)企業(yè)中推廣能高效利用能源的技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。

為了應(yīng)對(duì)工業(yè)和科技需求，傳熱領(lǐng)域不斷改進(jìn)傳熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了各種高性能換熱器。 降膜蒸發(fā)式冷卻器因其具有換熱能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，引起了科研和工程人員的廣泛關(guān)注[1-2]。 降膜蒸發(fā)式冷卻器工作過(guò)程中，熱阻主要集中在水膜、水-空氣界面上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了豐富的理論研究， 建立了不同約束條件下的理論模型[3-4]，分析了空氣與水膜之間的傳熱傳質(zhì)、液膜的流動(dòng)過(guò)程、空氣流動(dòng)特性及液膜傳熱系數(shù)等因素對(duì)傳熱過(guò)程的影響[5-7]。 并通過(guò)試驗(yàn)分析了冷卻溫度、空氣進(jìn)口濕球溫度、風(fēng)速、液膜流量、管束排列模式、管型等因素對(duì)換熱性能的影響[8-14]，為降膜蒸發(fā)式冷卻器的設(shè)計(jì)提供參考。

為了提高降膜蒸發(fā)傳熱性能，必須增大氣液界面面積。 液膜的流動(dòng)方式對(duì)液膜的氣液界面積起決定作用。 降膜的流動(dòng)方式可分為封閉膜狀流、溪狀流和滴狀流[15-16]。 由于液膜流量對(duì)流型有決定性的影響，許多試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示液膜流量越大，越有利于形成封閉的液膜。 當(dāng)液膜流量減小時(shí)，存在臨界流量，在極低的液膜流量下，液膜流型可能發(fā)生變化并發(fā)展為溪流甚至滴流。 與封閉液膜流動(dòng)方式相比， 另外兩種方式不僅減小了氣液兩相接觸面積，而且加快了液速，縮短了接觸時(shí)間，從而使傳熱傳質(zhì)更加糟糕[17-18]。封閉液膜流動(dòng)方式具有最大的界面接觸面積。 而影響封閉液膜流動(dòng)的因素包括液相流量、液相表面張力（包括接觸角的影響）以及氣液兩相在不同方向流動(dòng)時(shí)相間的阻力， 這幾個(gè)因素是相互耦合、相互制約的。

液膜流動(dòng)的不穩(wěn)定性是降膜最重要的特性之一，它影響著液膜的流動(dòng)，改變著液膜的流動(dòng)方式[19]。由于流體的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致界面波的產(chǎn)生， 許多研究表明表面張力對(duì)界面波的影響最為重要。特別是當(dāng)固液界面受熱時(shí)，溫差會(huì)引起接觸角的變化，從而影響表面張力和流動(dòng)情況，這種現(xiàn)象被稱為馬拉戈尼效應(yīng)[20-22]。同時(shí)，當(dāng)空氣流過(guò)降膜表面時(shí)，會(huì)在降膜表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，影響降膜的傳熱傳質(zhì)行為[23-27]。 目前對(duì)阻力的研究主要集中在逆流和順流兩方面，而對(duì)于降膜和空氣叉流流動(dòng)方式少有人研究。 同時(shí)，對(duì)于換熱平板壁面進(jìn)行加肋處理后的液膜的覆蓋情況的研究也較少。 因此，本文我們重點(diǎn)研究了液膜質(zhì)量流率、風(fēng)速、熱流密度以及不同的表面結(jié)構(gòu)對(duì)液膜覆蓋率的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 熱質(zhì)傳遞模型

圖1 為豎直平板降膜蒸發(fā)式冷卻蒸發(fā)側(cè)的熱質(zhì)傳遞示意圖。 在換熱壁面的一側(cè)有熱流體流過(guò)，另一側(cè)外壁面上有水膜覆蓋， 在重力的作用下液膜沿著外壁面向下流動(dòng)， 空氣以一定的速度水平掠過(guò)液膜表面。 換熱壁面被加以一定的熱流密度，導(dǎo)致通過(guò)固體導(dǎo)熱引起換熱壁面水側(cè)的溫升，與水膜接觸，通過(guò)對(duì)流把熱量傳遞給水膜， 水膜再與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換（Qcw）。 在換熱表面液膜不完全覆蓋時(shí)，干斑部分會(huì)發(fā)生壁面與空氣的直接對(duì)流換熱（Qda）。

圖1 豎直平板降膜蒸發(fā)式冷卻內(nèi)部流場(chǎng)示意圖

豎直平板上的液膜在整個(gè)換熱過(guò)程中起到了非常關(guān)鍵的作用。 其一方面吸收了來(lái)自換熱壁面的大部分熱量，另一方面通過(guò)蒸發(fā)相變，與空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換， 將大量的熱量通過(guò)汽化潛熱的方式轉(zhuǎn)移到了流動(dòng)的空氣中，起到強(qiáng)化傳熱的作用。 而干斑處的熱阻大，壁面直接與空氣對(duì)流換熱，換熱性能差，因此換熱表面的均勻布膜對(duì)提高換熱性能尤為重要。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置與步驟

試驗(yàn)臺(tái)如圖2 所示，試驗(yàn)系統(tǒng)分為冷卻水、強(qiáng)制空氣流和電加熱三個(gè)子系統(tǒng)。 對(duì)于冷卻水系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)由水泵輸送到試驗(yàn)段上方經(jīng)布膜器流出， 在豎直平板上與平板和空氣流充分換熱， 一部分水蒸發(fā)到空氣流系統(tǒng)中，一部分回流繼續(xù)參加下一次循環(huán)，其中測(cè)量了冷卻水的進(jìn)出口溫度以及流量。 利用軸流風(fēng)機(jī)吸風(fēng)在試驗(yàn)段水平方向入口處形成較為均勻的風(fēng)場(chǎng)，形成與冷卻水流向垂直的強(qiáng)制空氣流，測(cè)量空氣流速大小和進(jìn)出口的干、濕球溫度。 電加熱系統(tǒng)則是用電加熱片貼在換熱壁面內(nèi)側(cè)來(lái)替代熱流體，記錄其加熱功率。 另外，在換熱壁面與電加熱片之間利用熱電偶測(cè)量了壁面溫度。 同時(shí)，利用紅外熱像儀拍攝豎直平板表面冷卻水的成膜情況。

1.3 表面處理

在本文中， 我們對(duì)三種不同表面處理的銅板進(jìn)行了試驗(yàn)。 其中有兩塊板表面進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)的加肋處理，而第三塊板不做任何處理，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。 在相同的條件下（均置于水平桌面上），將等體積的水滴在銅板上，板2 的潤(rùn)濕性最差，其次是板1，最好的是板3。 板2 的肋尖夾角比較小，當(dāng)水平放置的時(shí)候，表面相當(dāng)于有深且細(xì)的凹槽，容易殘存空氣，進(jìn)而影響液滴的鋪展。 值得一提的是，液滴的形狀在板1 上較為對(duì)稱，呈現(xiàn)從中心向四周擴(kuò)散趨勢(shì)，而水在加肋板上，液滴不僅向外擴(kuò)散，而且會(huì)沿著肋的方向延伸，被兩側(cè)的肋約束，液滴變得又長(zhǎng)又窄，呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)狀態(tài)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 銅板結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.4 液膜覆蓋率的計(jì)算

用普通相機(jī)捕捉垂直銅板上的薄膜分布， 很難識(shí)別到液體薄膜的邊緣。 所有物體都輻射紅外線能量， 能量輻射量是根據(jù)實(shí)際表面溫度和表面輻射系數(shù)計(jì)算的， 而紅外熱像儀正是通過(guò)感知物體表面的紅外能量，并利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出溫度。 由于整體試驗(yàn)臺(tái)的材質(zhì)采用的是有機(jī)玻璃， 而有機(jī)玻璃并不透紅外光，因此需要對(duì)試驗(yàn)測(cè)量段進(jìn)行特殊處理，用聚氯乙烯薄膜代替有機(jī)玻璃。

本文通過(guò)分析紅外攝像機(jī)捕獲的溫度場(chǎng)， 可以計(jì)算出液膜的覆蓋范圍。 溫度測(cè)量的示例圖像如圖3 所示，不同的顏色代表不同的溫度。 由于水的輻射系數(shù)跟銅相差很大，因此用紅外熱像儀測(cè)量時(shí)，在液膜邊緣處溫度是不同的， 表現(xiàn)為圖像上顏色的突然變化。 利用PS 軟件，捕捉圖像上不同顏色的邊界即液膜邊緣， 根據(jù)不同顏色區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占總體的比例可以計(jì)算得到液膜覆蓋率。

圖3 紅外熱像儀成像示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

豎直平板降膜蒸發(fā)冷卻器換熱外表面流動(dòng)著冷卻水和強(qiáng)制空氣流， 其液膜覆蓋率受噴淋冷卻水和強(qiáng)制空氣流的共同影響。 同時(shí)，在對(duì)換熱表面進(jìn)行處理可以得到不同的布膜效果。 因此，本文重點(diǎn)考慮可控制調(diào)節(jié)參數(shù)，即液膜質(zhì)量流率、風(fēng)速以及表面處理對(duì)液膜覆蓋率的影響，對(duì)于冷卻水入口水溫、空氣干濕球溫度等非可控因素的影響暫不考慮。

2.1 流型

如圖4 所示， 對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的普通換熱銅板1，水膜會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的偏移，這是因?yàn)樗c銅板的接觸角較大，水膜較厚，同時(shí)又因?yàn)闄M向風(fēng)的綜合作用，使得遠(yuǎn)離壁面的表層液膜出現(xiàn)切向速度，液膜流動(dòng)方向受到擾動(dòng)進(jìn)而在壁面上擺動(dòng)下降。 同時(shí)，隨著液膜沿重力方向的流動(dòng)，其速度逐漸增大，擺動(dòng)現(xiàn)象愈發(fā)明顯。 因此板1 上，冷卻液膜的流動(dòng)形態(tài)通常為不規(guī)則的溪流。

圖4 不同表面處理銅板上的液膜鋪展情況示例圖

帶肋板的液膜行為較為相似， 液體總是沿肋流動(dòng)，由于有垂直于收縮方向的縱向肋，因此板2 和板3 的液膜覆蓋率較大。 對(duì)于板2，由于肋尖夾角小且肋間距為零，因此肋底夾角等于肋尖夾角，相當(dāng)于有細(xì)且深的槽，空氣較難排出，因此液膜大多覆蓋在凸起的肋尖周圍，而凹陷的肋底不容易潤(rùn)濕。 板3 增大了肋尖夾角， 使得銅板表面上液膜能夠得到更好的鋪展，液膜形態(tài)較為完整。 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)板1 和板2 上的水膜流型主要為溪流， 而板3上的水膜流型主要為薄膜流。

2.2 液膜質(zhì)量流率的影響

通過(guò)改變冷卻水系統(tǒng)中閥的開(kāi)度改變液膜質(zhì)量流率，控制其他參數(shù)在一定范圍內(nèi)，可以得到液膜流量對(duì)液膜覆蓋率的影響，如圖5 所示。 從圖上可以看出，在大趨勢(shì)上三塊板都是保持一致的，隨著液膜質(zhì)量流率的增加，液膜覆蓋率隨之增大。 對(duì)于板1，其變化曲線較為平緩， 而板2 和板3 都有相應(yīng)的突增點(diǎn)。 這是由于肋對(duì)液膜的鋪展作用是有雙面性的，既有促進(jìn)也有抑制。

圖5 不同液膜質(zhì)量流率下?lián)Q熱板的液膜覆蓋率情況對(duì)比圖

對(duì)于液膜，肋板表面突出的肋尖有著釘扎效應(yīng)，如圖6 所示，在具有三角肋的銅板換熱表面，當(dāng)液膜隨著質(zhì)量流率的增加，想從形態(tài)a 轉(zhuǎn)變?yōu)樾螒B(tài)c 時(shí)，需要躍遷一個(gè)肋的距離，液膜在流量增加的過(guò)程中，液膜會(huì)有一個(gè)在形態(tài)a 和b 之間的中間態(tài)， 厚度會(huì)有瞬時(shí)的增加，而當(dāng)流量增加到一定程度時(shí)，根據(jù)最小能量法，需要通過(guò)躍遷來(lái)維系平衡。 因此會(huì)出現(xiàn)圖5 所示的液膜覆蓋率隨著液膜質(zhì)量流率增加時(shí)的突變點(diǎn)。 同時(shí)，發(fā)現(xiàn)板2 的突變幅度較板3 要大一點(diǎn)，這是因?yàn)榘? 的肋比較密， 因此在液膜流率變化量相同的時(shí)候，更容易產(chǎn)生躍遷，使得液膜覆蓋率增加的更快一點(diǎn)。 同時(shí)，在突變點(diǎn)的前后，液膜覆蓋率變化緩慢，這是肋對(duì)液膜鋪展的抑制在起作用。

圖6 液膜在三角肋表面的躍遷示意圖

肋對(duì)液膜鋪展的促進(jìn)作用從三塊板之間的液膜覆蓋率大小可以充分體現(xiàn)。 板1 的液膜覆蓋率在0.082～0.11 之間波動(dòng)， 而板2 在0.41～0.57 之間波動(dòng)， 板3 的液膜覆蓋率則始終是最大的， 在0.76～0.87 間波動(dòng)，數(shù)值上是板1 的9 倍。 結(jié)合圖4 也可以看出， 在入口段， 板1 可以看出液膜明顯的收縮現(xiàn)象，這是由于重力加速度的作用，液膜沿重力方向流速增大，根據(jù)質(zhì)量守恒，需要減小液膜橫截面積，液膜寬度減小而厚度增加，因此液膜明顯變得細(xì)長(zhǎng)。 而對(duì)于板2 和板3，由于肋的存在，使得液膜的收縮受到阻礙，仍能維持入口處的液膜寬度，通過(guò)減小液膜厚度保持質(zhì)量守恒，直至板的后半段，液膜厚度減小到臨界值，而流速還在增加，完整的液膜會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)的破裂，而破裂處的液膜邊緣會(huì)受到肋尖的約束，使得干斑的形態(tài)跟肋的形態(tài)相似， 一方面也能抑制干斑的持續(xù)增大。

2.3 風(fēng)速的影響

在豎直平板降膜蒸發(fā)式冷卻過(guò)程中， 風(fēng)速的大小對(duì)于液膜和空氣的傳熱傳質(zhì)起著重要的作用。 本文通過(guò)改變風(fēng)速， 觀察其對(duì)平板表面液膜覆蓋率的影響。 從圖7 可以看出，風(fēng)速的變化對(duì)液膜覆蓋率的影響變化最大的是板2，其液膜覆蓋率在±9.3%之間波動(dòng)，板1 次之為5.6%，而板3 最小僅為2.8%，因此可以適當(dāng)增加風(fēng)速，加強(qiáng)液膜氣液交界面的擾動(dòng)，強(qiáng)化液膜的傳熱傳質(zhì)。 試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，從液膜覆蓋的區(qū)域上可以看出水平風(fēng)對(duì)液膜的偏移作用， 在靠近進(jìn)風(fēng)口處的液膜相對(duì)于出風(fēng)口處的液膜更容易出現(xiàn)干斑，且液膜整體會(huì)有稍稍向出風(fēng)口處偏移的現(xiàn)象，這是橫向氣流在液膜表面剪切力的作用效果。

2.4 熱流密度的影響

圖7 不同風(fēng)速下?lián)Q熱板的液膜覆蓋率情況對(duì)比圖

試驗(yàn)過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)保持液膜的質(zhì)量流率不變，板1 的液膜質(zhì)量流率為0.012 5 kg/（m·s），板2 為0.020 5 kg/（m·s），板3 為0.011 6 kg/（m·s），改變電加熱系統(tǒng)的加熱量， 也即是改變換熱壁面的熱流密度，液膜覆蓋率會(huì)發(fā)生變化。 從圖8 可以看出，隨著熱流密度的增加， 板2 和板3 的液膜覆蓋率呈下降趨勢(shì)。 這是因?yàn)樵诩訜岬那闆r下，換熱管壁的溫度發(fā)生了變化，液膜被加熱，這時(shí)候由于馬拉戈尼表面熱效應(yīng)，液膜會(huì)趨向于收縮。 而板1 因?yàn)楸旧硪耗じ采w率就很小，液膜比較厚，液膜受熱收縮的效果在這里并不明顯。 分析發(fā)現(xiàn)，板2 的收縮更為明顯，液膜覆蓋率變化了6.6%， 而板3 則僅有2.5%。 可以看出，板3 對(duì)液膜收縮的抑制作用更為顯著， 能更好地保持液膜的良好鋪展和比較高的液膜覆蓋率。

圖8 不同熱流密度下?lián)Q熱板的液膜覆蓋率情況對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文對(duì)三種不同表面結(jié)構(gòu)的豎板降膜蒸發(fā)式冷卻過(guò)程的液膜覆蓋率進(jìn)行了試驗(yàn)分析， 得出了三種板的液膜流型以及液膜隨液膜質(zhì)量流率、風(fēng)速、熱流密度三個(gè)參數(shù)的變化情況。

（1）分析發(fā)現(xiàn)表面帶有三角肋結(jié)構(gòu)且其肋尖夾角為60°的肋板以及普通銅板在液膜流型上多為溪流，而肋尖夾角為120°的肋板則是薄膜流。同時(shí)普通銅板的液膜與肋板相比， 更容易因?yàn)闄M向風(fēng)及液膜流速的變化而發(fā)生橫向偏移。

（2）對(duì)于三種板，液膜覆蓋率都隨液膜質(zhì)量流率增大而增大，隨風(fēng)速的增大而減小。 其中，肋尖夾角為120°的肋板的平均液膜覆蓋率最大為0.8，肋尖夾角為60°的肋板次之為0.52，光板的最小僅有0.13。

（3）在肋板上均觀察到液膜受熱收縮的現(xiàn)象，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)肋對(duì)液膜的收縮有抑制作用，且肋尖夾角為120°的肋板對(duì)收縮的抑制作用更好。

（4）在相同的液膜質(zhì)量流率下，肋尖夾角為120°的肋板有更好的液膜覆蓋率， 其對(duì)風(fēng)速和熱流密度的敏感度也相對(duì)較低， 在風(fēng)速和熱流密度變化的情況下仍能保持較高的液膜覆蓋率， 是更好的換熱表面結(jié)構(gòu)。