不同表面結構下豎板降膜鋪展性能的試驗研究

張 嘉，許雄文，2，劉金平，2，朱業銘

（1．華南理工大學 電力學院，廣東 廣州510640；2．廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州510640）

在能源危機的背景下， 節約能源的相關政策被廣泛推廣，高能耗行業如海水淡化、采暖供熱、化工工業、制冷工業等受到重點關注。 它們很多都是支撐著社會、國家正常運作的基礎行業，是國民經濟的重要組成部分。 因此，需要在相關企業中推廣能高效利用能源的技術和相關產品。

為了應對工業和科技需求，傳熱領域不斷改進傳熱結構，設計了各種高性能換熱器。 降膜蒸發式冷卻器因其具有換熱能力強和結構緊湊的優點，引起了科研和工程人員的廣泛關注[1-2]。 降膜蒸發式冷卻器工作過程中，熱阻主要集中在水膜、水-空氣界面上，國內外學者對此進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、液膜的流動過程、空氣流動特性及液膜傳熱系數等因素對傳熱過程的影響[5-7]。 并通過試驗分析了冷卻溫度、空氣進口濕球溫度、風速、液膜流量、管束排列模式、管型等因素對換熱性能的影響[8-14]，為降膜蒸發式冷卻器的設計提供參考。

為了提高降膜蒸發傳熱性能，必須增大氣液界面面積。 液膜的流動方式對液膜的氣液界面積起決定作用。 降膜的流動方式可分為封閉膜狀流、溪狀流和滴狀流[15-16]。 由于液膜流量對流型有決定性的影響，許多試驗數據揭示液膜流量越大，越有利于形成封閉的液膜。 當液膜流量減小時，存在臨界流量，在極低的液膜流量下，液膜流型可能發生變化并發展為溪流甚至滴流。 與封閉液膜流動方式相比， 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，縮短了接觸時間，從而使傳熱傳質更加糟糕[17-18]。封閉液膜流動方式具有最大的界面接觸面積。 而影響封閉液膜流動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時相間的阻力， 這幾個因素是相互耦合、相互制約的。

液膜流動的不穩定性是降膜最重要的特性之一，它影響著液膜的流動，改變著液膜的流動方式[19]。由于流體的不穩定性可能導致界面波的產生， 許多研究表明表面張力對界面波的影響最為重要。特別是當固液界面受熱時，溫差會引起接觸角的變化，從而影響表面張力和流動情況，這種現象被稱為馬拉戈尼效應[20-22]。同時，當空氣流過降膜表面時，會在降膜表面產生剪切應力，影響降膜的傳熱傳質行為[23-27]。 目前對阻力的研究主要集中在逆流和順流兩方面，而對于降膜和空氣叉流流動方式少有人研究。 同時，對于換熱平板壁面進行加肋處理后的液膜的覆蓋情況的研究也較少。 因此，本文我們重點研究了液膜質量流率、風速、熱流密度以及不同的表面結構對液膜覆蓋率的影響。

1 試驗設計

1.1 熱質傳遞模型

圖1 為豎直平板降膜蒸發式冷卻蒸發側的熱質傳遞示意圖。 在換熱壁面的一側有熱流體流過，另一側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， 空氣以一定的速度水平掠過液膜表面。 換熱壁面被加以一定的熱流密度，導致通過固體導熱引起換熱壁面水側的溫升，與水膜接觸，通過對流把熱量傳遞給水膜， 水膜再與空氣進行熱質交換（Qcw）。 在換熱表面液膜不完全覆蓋時，干斑部分會發生壁面與空氣的直接對流換熱（Qda）。

圖1 豎直平板降膜蒸發式冷卻內部流場示意圖

豎直平板上的液膜在整個換熱過程中起到了非常關鍵的作用。 其一方面吸收了來自換熱壁面的大部分熱量，另一方面通過蒸發相變，與空氣進行熱質交換， 將大量的熱量通過汽化潛熱的方式轉移到了流動的空氣中，起到強化傳熱的作用。 而干斑處的熱阻大，壁面直接與空氣對流換熱，換熱性能差，因此換熱表面的均勻布膜對提高換熱性能尤為重要。

1.2 試驗設置與步驟

試驗臺如圖2 所示，試驗系統分為冷卻水、強制空氣流和電加熱三個子系統。 對于冷卻水系統，冷卻水經由水泵輸送到試驗段上方經布膜器流出， 在豎直平板上與平板和空氣流充分換熱， 一部分水蒸發到空氣流系統中，一部分回流繼續參加下一次循環，其中測量了冷卻水的進出口溫度以及流量。 利用軸流風機吸風在試驗段水平方向入口處形成較為均勻的風場，形成與冷卻水流向垂直的強制空氣流，測量空氣流速大小和進出口的干、濕球溫度。 電加熱系統則是用電加熱片貼在換熱壁面內側來替代熱流體，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量了壁面溫度。 同時，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， 我們對三種不同表面處理的銅板進行了試驗。 其中有兩塊板表面進行了不同結構的加肋處理，而第三塊板不做任何處理，其結構參數如表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，當水平放置的時候，表面相當于有深且細的凹槽，容易殘存空氣，進而影響液滴的鋪展。 值得一提的是，液滴的形狀在板1 上較為對稱，呈現從中心向四周擴散趨勢，而水在加肋板上，液滴不僅向外擴散，而且會沿著肋的方向延伸，被兩側的肋約束，液滴變得又長又窄，呈現細長狀態。

圖2 試驗裝置示意圖

表1 銅板結構參數

1.4 液膜覆蓋率的計算

用普通相機捕捉垂直銅板上的薄膜分布， 很難識別到液體薄膜的邊緣。 所有物體都輻射紅外線能量， 能量輻射量是根據實際表面溫度和表面輻射系數計算的， 而紅外熱像儀正是通過感知物體表面的紅外能量，并利用這些數據計算出溫度。 由于整體試驗臺的材質采用的是有機玻璃， 而有機玻璃并不透紅外光，因此需要對試驗測量段進行特殊處理，用聚氯乙烯薄膜代替有機玻璃。

本文通過分析紅外攝像機捕獲的溫度場， 可以計算出液膜的覆蓋范圍。 溫度測量的示例圖像如圖3 所示，不同的顏色代表不同的溫度。 由于水的輻射系數跟銅相差很大，因此用紅外熱像儀測量時，在液膜邊緣處溫度是不同的， 表現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， 根據不同顏色區域像素點個數占總體的比例可以計算得到液膜覆蓋率。

圖3 紅外熱像儀成像示意圖

2 試驗結果與分析

豎直平板降膜蒸發冷卻器換熱外表面流動著冷卻水和強制空氣流， 其液膜覆蓋率受噴淋冷卻水和強制空氣流的共同影響。 同時，在對換熱表面進行處理可以得到不同的布膜效果。 因此，本文重點考慮可控制調節參數，即液膜質量流率、風速以及表面處理對液膜覆蓋率的影響，對于冷卻水入口水溫、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， 對于沒有經過處理的普通換熱銅板1，水膜會出現不規則的偏移，這是因為水與銅板的接觸角較大，水膜較厚，同時又因為橫向風的綜合作用，使得遠離壁面的表層液膜出現切向速度，液膜流動方向受到擾動進而在壁面上擺動下降。 同時，隨著液膜沿重力方向的流動，其速度逐漸增大，擺動現象愈發明顯。 因此板1 上，冷卻液膜的流動形態通常為不規則的溪流。

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，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，相當于有細且深的槽，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，液膜形態較為完整。 通過對試驗數據的分析，發現板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 液膜質量流率的影響

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

圖5 不同液膜質量流率下換熱板的液膜覆蓋率情況對比圖

對于液膜，肋板表面突出的肋尖有著釘扎效應，如圖6 所示，在具有三角肋的銅板換熱表面，當液膜隨著質量流率的增加，想從形態a 轉變為形態c 時，需要躍遷一個肋的距離，液膜在流量增加的過程中，液膜會有一個在形態a 和b 之間的中間態， 厚度會有瞬時的增加，而當流量增加到一定程度時，根據最小能量法，需要通過躍遷來維系平衡。 因此會出現圖5 所示的液膜覆蓋率隨著液膜質量流率增加時的突變點。 同時，發現板2 的突變幅度較板3 要大一點，這是因為板2 的肋比較密， 因此在液膜流率變化量相同的時候，更容易產生躍遷，使得液膜覆蓋率增加的更快一點。 同時，在突變點的前后，液膜覆蓋率變化緩慢，這是肋對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

肋對液膜鋪展的促進作用從三塊板之間的液膜覆蓋率大小可以充分體現。 板1 的液膜覆蓋率在0.082～0.11 之間波動， 而板2 在0.41～0.57 之間波動， 板3 的液膜覆蓋率則始終是最大的， 在0.76～0.87 間波動，數值上是板1 的9 倍。 結合圖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，根據質量守恒，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長。 而對于板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，通過減小液膜厚度保持質量守恒，直至板的后半段，液膜厚度減小到臨界值，而流速還在增加，完整的液膜會出現隨機的破裂，而破裂處的液膜邊緣會受到肋尖的約束，使得干斑的形態跟肋的形態相似， 一方面也能抑制干斑的持續增大。

2.3 風速的影響

在豎直平板降膜蒸發式冷卻過程中， 風速的大小對于液膜和空氣的傳熱傳質起著重要的作用。 本文通過改變風速， 觀察其對平板表面液膜覆蓋率的影響。 從圖7 可以看出，風速的變化對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，板1 次之為5.6%，而板3 最小僅為2.8%，因此可以適當增加風速，加強液膜氣液交界面的擾動，強化液膜的傳熱傳質。 試驗中還發現，從液膜覆蓋的區域上可以看出水平風對液膜的偏移作用， 在靠近進風口處的液膜相對于出風口處的液膜更容易出現干斑，且液膜整體會有稍稍向出風口處偏移的現象，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 不同風速下換熱板的液膜覆蓋率情況對比圖

試驗過程中， 發現保持液膜的質量流率不變，板1 的液膜質量流率為0.012 5 kg/（m·s），板2 為0.020 5 kg/（m·s），板3 為0.011 6 kg/（m·s），改變電加熱系統的加熱量， 也即是改變換熱壁面的熱流密度，液膜覆蓋率會發生變化。 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。 這是因為在加熱的情況下，換熱管壁的溫度發生了變化，液膜被加熱，這時候由于馬拉戈尼表面熱效應，液膜會趨向于收縮。 而板1 因為本身液膜覆蓋率就很小，液膜比較厚，液膜受熱收縮的效果在這里并不明顯。 分析發現，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 不同熱流密度下換熱板的液膜覆蓋率情況對比圖

3 結論

本文對三種不同表面結構的豎板降膜蒸發式冷卻過程的液膜覆蓋率進行了試驗分析， 得出了三種板的液膜流型以及液膜隨液膜質量流率、風速、熱流密度三個參數的變化情況。

（1）分析發現表面帶有三角肋結構且其肋尖夾角為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。同時普通銅板的液膜與肋板相比， 更容易因為橫向風及液膜流速的變化而發生橫向偏移。

（2）對于三種板，液膜覆蓋率都隨液膜質量流率增大而增大，隨風速的增大而減小。 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象，同時，發現肋對液膜的收縮有抑制作用，且肋尖夾角為120°的肋板對收縮的抑制作用更好。

（4）在相同的液膜質量流率下，肋尖夾角為120°的肋板有更好的液膜覆蓋率， 其對風速和熱流密度的敏感度也相對較低， 在風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構。