水平管降膜換熱器性能規(guī)律研究進(jìn)展

王乃繼, 朱承磊, 李美軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院, 北京 100013; 2.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司, 北京 100013; 3.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013; 4.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013)

由于管內(nèi)媒介溫度的不同,水平管降膜換熱器可用于吸收和蒸發(fā)過(guò)程,具有熱質(zhì)傳遞效率高、利用形式靈活、阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷[1]、海水淡化[2]、化工生產(chǎn)[3]、作物烘干[4]等傳統(tǒng)領(lǐng)域。近幾年在碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)背景下,水平管降膜換熱器在能源利用系統(tǒng)的余熱回收[5-7]和節(jié)能減排中得到重視和發(fā)展。

1 工作原理

水平管降膜吸收過(guò)程中,溶液受重力作用在管外形成降膜,與濕空氣或水蒸氣直接接觸,在溶液表面蒸汽壓和氣體蒸汽壓之差的作用下,于氣液交界面處完成吸收過(guò)程,同時(shí)水平管內(nèi)流有冷卻媒介,用以傳遞吸收過(guò)程產(chǎn)生的熱量。水平管降膜蒸發(fā)過(guò)程則與之相反,管內(nèi)流有高溫媒介,管外為降膜液體,在內(nèi)外流體溫差的作用下,降膜液體吸熱蒸發(fā)。無(wú)論吸收或是蒸發(fā),降膜換熱器內(nèi)部均發(fā)生流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。首先,降膜管表面液體的成膜質(zhì)量影響熱質(zhì)傳遞過(guò)程,過(guò)小流量時(shí)易在管表面形成“干斑”,出現(xiàn)不完全潤(rùn)濕,過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致液膜厚度增加,傳熱熱阻增大,影響傳熱傳質(zhì),如圖1(a)所示。其次,隨流量增大液體會(huì)在管間依次呈現(xiàn)滴、柱、片狀等基本流型,由于吸收發(fā)生在氣液交界面處,不同流型氣液交界面的位置和變化不同,從而影響傳質(zhì)過(guò)程,如圖1(b)所示。此外,換熱器內(nèi)氣體的流向和速度也是影響傳熱傳質(zhì)速率的重要因素,尤其當(dāng)氣體中含不吸收氣體時(shí),會(huì)在液膜表面形成不吸收氣膜,影響氣液交界面處的局部蒸汽分壓力,增大傳質(zhì)阻力,如圖1(c)所示。因此,為提高水平管降膜換熱器的性能,對(duì)降膜流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)特征的研究一直是重點(diǎn)。

圖1 水平管降膜局部流動(dòng)特性Fig.1 Local flow characteristics of falling membranes in horizontal tubes

2 研究方法

對(duì)于水平管降膜換熱器,早期國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中于整體性能研究,通過(guò)熱電偶、密度濃度計(jì)等測(cè)量不同工況下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度、溶液濃度等參數(shù),探究操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)降膜換熱器整體性能的影響規(guī)律。

氣液界面處傳熱傳質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的熱力過(guò)程,局部流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)相互影響和耦合,近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始側(cè)重于換熱器內(nèi)部局部流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)特性研究,測(cè)量手段更加先進(jìn),主要的液膜測(cè)量方法與其適用條件詳見(jiàn)表1。早期對(duì)液膜膜厚的測(cè)量主要為直接接觸法,Gstoehl等[8]、趙亞磊[9]、譚起濱[10]、Hou等[11]采用電導(dǎo)探針?lè)?圖2),利用空氣與液體電導(dǎo)率不同的原理,將電導(dǎo)探針插入液膜并與兩個(gè)平行電極之間的電阻相關(guān)聯(lián),液膜厚度δ與電阻阻值之間呈函數(shù)關(guān)系。此方法使用較為方便,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但探針侵入液膜,會(huì)破壞液膜流,表面張力作用下,液面在探針處容易升高,造成測(cè)量誤差。同時(shí),也受探針尺寸、流體溫度變化等因素的影響,測(cè)量精度較差,僅適用于導(dǎo)電且液膜厚度較大的場(chǎng)景。為避免破壞液膜流動(dòng),Dukler等[12]使用電容法測(cè)量液膜厚度。其原理與電導(dǎo)探針?lè)ㄝ^為相似,其在壁面前放置一塊平行金屬板,與壁面形成電容器,液膜厚度與電容呈函數(shù)關(guān)系。此方法不與液膜接觸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但易受到液膜流動(dòng)的影響,比如液滴飛濺等,且測(cè)量誤差較大。隨著科技的發(fā)展,光學(xué)測(cè)量方法得以廣泛應(yīng)用。Hazuku等[13]、Lei等[14]、Han等[15]采用激光共焦位移計(jì)法(圖3)測(cè)量液膜厚度,利用激光共聚焦和透鏡色差原理,壁面及液膜表面位置可以通過(guò)音叉移動(dòng)物鏡的位移來(lái)確定。當(dāng)在目標(biāo)表面上獲得焦點(diǎn)時(shí),反射光的強(qiáng)度在光接收元件中變得最高。此方法測(cè)量精度較高,目前的激光焦點(diǎn)位移計(jì)的分辨率為0.01 μm,激光光斑直徑為2 μm,響應(yīng)時(shí)間為640 μs,測(cè)量誤差僅為1%;但其測(cè)量范圍較窄(50 μm<δ<0.3 mm),厚度過(guò)小,反射光波峰重合,無(wú)法計(jì)算;厚度過(guò)大,則無(wú)法實(shí)現(xiàn)目鏡的高頻移動(dòng)。Lei等[14]還介紹了一種熒光強(qiáng)度法(圖4)測(cè)量液膜厚度,在測(cè)量流體中加入熒光劑,用激光照射,通過(guò)檢測(cè)流體熒光強(qiáng)度來(lái)測(cè)量液膜厚度,但此方法校準(zhǔn)較為困難。 Chen等[16]、陳子琪[17]將熒光強(qiáng)度法與圖像處理相結(jié)合,通過(guò)激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(圖5)測(cè)量液膜厚度,利用高清攝像機(jī)記錄液膜熒光圖像,并對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理,測(cè)量液膜厚度。此方法操作較為簡(jiǎn)單,能有效測(cè)量較大的液膜厚度(δ>0.2 mm),但圖像處理誤差較大,相對(duì)誤差約為5%,絕對(duì)誤差約為8.5 μm,且需要處理大量圖像以減小測(cè)量誤差。非接觸法的優(yōu)點(diǎn)是在不影響降膜流動(dòng)的情況下可得到完整的液膜波動(dòng)信息和液膜厚度分布。對(duì)于局部流動(dòng)特性中管間流型潤(rùn)濕性的研究主要為可視化實(shí)驗(yàn)法[18],即通過(guò)高速攝像機(jī)和數(shù)字圖像相結(jié)合對(duì)管間流型轉(zhuǎn)變及管外液膜潤(rùn)濕情況進(jìn)行分析研究。

表1 液膜厚度測(cè)量方法Table 1 Liquid film thickness measurement method

δ為液膜厚度;R為降膜管半徑;β為周向角圖2 電導(dǎo)探針?lè)ㄔ韀11]Fig.2 Principle of conductivity probe method[11]

圖3 激光共焦位移計(jì)法原理[13]Fig.3 Principle of laser focus displacement meter[13]

圖4 熒光強(qiáng)度法[14]Fig.4 Principle of the fluorescence intensity technique[14]

圖5 激光誘導(dǎo)熒光法[16]Fig.5 Principle of laser-induced fluorescence technology[16]

與實(shí)驗(yàn)方法不同,數(shù)值模擬手段具有成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn),能夠更直觀方便地分析換熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等分布特征并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì),因此被廣泛應(yīng)用于降膜局部特征的研究。數(shù)值模型是基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量和組分傳遞等方程,通過(guò)一定的假設(shè)條件,將復(fù)雜的降膜流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)等物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行求解。隨著計(jì)算手段的進(jìn)步和計(jì)算精度的要求,模型的建立早期為忽略管軸向方向的二維模型[19],發(fā)展為考慮實(shí)際情況的三維模型[20],從單排管[19]計(jì)算發(fā)展為多排管[21],從沿管周向液膜厚度恒定[19,22]發(fā)展為考慮管周向和管軸向的液膜波動(dòng)[23],從不考慮管間吸收過(guò)程[19]發(fā)展為考慮實(shí)際降膜過(guò)程的不完全潤(rùn)濕[24]、管間流型[21]以及氣流特征[25]等綜合因素的影響。實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法各有優(yōu)劣,因此,對(duì)于水平管降膜換熱器性能的研究大多采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的研究方法。

3 水平管降膜流動(dòng)

由于吸收過(guò)程發(fā)生在氣液界面,氣相參數(shù)與液膜特征是影響傳熱傳質(zhì)特征的重要因素。相較于氣相參數(shù),管外液膜特征受操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響更為顯著。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平管降膜管外及管間流型、液膜厚度和潤(rùn)濕性等局部流動(dòng)特性開(kāi)展了大量研究[11,16,18,26]。

3.1 管間流型

在多重因素影響下,液體在離開(kāi)上排管底部至下一排管頂部前,會(huì)在管間形成不同流型,直接導(dǎo)致管間氣液交界面形狀和面積的變化,進(jìn)而影響傳熱傳質(zhì),因此預(yù)測(cè)管間流型并總結(jié)流型轉(zhuǎn)變規(guī)律是研究換熱器熱質(zhì)傳遞特征的前提和基礎(chǔ)。

Mitrovic[27]最早通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)研究表明:隨流量的增加,管間流型依次呈現(xiàn)滴狀、柱狀和片狀3種基本狀態(tài),同時(shí)存在滴-柱混合流、柱-片混合流等過(guò)渡流型。圖6所示為不同的管間流型。管間流型轉(zhuǎn)變噴淋密度為主要影響因素,但其他操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)直接或間接改變流型轉(zhuǎn)變的臨界Re,甚至流量增大或減小方向不同,臨界Re也會(huì)隨之變化。

圖6 不同管間流型Fig.6 Different intertube flow patterns

孫文倩[28]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了5種流體,結(jié)果表明:相同流型的轉(zhuǎn)變時(shí),正向比反向?qū)?yīng)的臨界Re大,且流體Ga數(shù)越大,臨界Re的增量越大,即為滯后現(xiàn)象。不同流型下慣性力、黏性力與表面張力相互作用,且主導(dǎo)因素不同,因此產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。為此,Armbruster等[29]對(duì)比水和異丙醇管間流型轉(zhuǎn)變臨界Re變化趨勢(shì),并按照Re=AGa1/4建立了臨界Re和不同物性Ga的經(jīng)驗(yàn)式,即管間流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式。Re的計(jì)算公式及管間流型轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián)式分別為

Re=4Γ/μl

(1)

(2)

(3)

式中:Re為無(wú)量綱雷諾數(shù),表征流體慣性力與黏性力之比;Г為單側(cè)噴淋密度,kg/(m·s);μl為液體動(dòng)力黏度,Ps·s;Ga為無(wú)量綱伽利略數(shù),表征重力與黏性力之比;ρl為液體密度,kg/m3;σ為表面張力,mN/m;g為重力加速度,m/s2。

式(2)給出了臨界Re與溶液物性Ga的整體關(guān)系,但對(duì)于不同流型轉(zhuǎn)變,所受多種因素綜合影響不同,以1/4為指數(shù)常數(shù)較為單一,存在偶然性。因此,Hu等[30]驗(yàn)證式(2)將工質(zhì)種類拓展至水、乙二醇、液壓油及其混合溶液,經(jīng)過(guò)1 000多次實(shí)驗(yàn)后對(duì)臨界Re表達(dá)式進(jìn)行優(yōu)化總結(jié),得

(4)

式(4)研究了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高不同流型臨界Re的預(yù)測(cè)水準(zhǔn)。對(duì)溶液物性與臨界Re分析研究。管間流型是多種因素相互耦合影響的結(jié)果,忽略了外在幾何結(jié)構(gòu)與氣流特征的影響,為此Roques等[31]以水、乙二醇及二者混合物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,綜合考慮管間距和工質(zhì)種類的影響,給出了忽略及考慮管間距(0.003 2～0.025 m)、管徑(0.012～0.028 m)影響的關(guān)聯(lián)式,分別為式(5)和式(6),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(4)相差較小,在其實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)管徑與管間距對(duì)臨界Re的影響較小,進(jìn)一步提高臨界Re的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

忽略管間距s及管徑d影響的關(guān)聯(lián)式為

(5)

考慮管間距s及管徑d影響的關(guān)聯(lián)式為

(6)

此后對(duì)單一幾何結(jié)構(gòu)(管徑、管間距)的研究[32-34]并分析其影響機(jī)理,臨界Re隨管徑的增大而增大,是由于隨管徑增大,液膜鋪展面積增加,要達(dá)到相同的管間流型所需的流量增大,臨界Re相應(yīng)增大,但液膜厚度較小,管徑變化較小其影響不明顯。鄭祺美[35]實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明:管徑在0.019～0.025 4 m時(shí)對(duì)臨界Re的影響較小。相較于管徑,管間距對(duì)臨界Re的影響更大。隨管間距的增大,維持相應(yīng)管間流型所需流量變化增大,滴狀?滴-柱狀流、滴狀-柱狀流?柱狀流和柱狀?柱-片狀流對(duì)應(yīng)的臨界Re增大,但反向?qū)嶒?yàn)的結(jié)果卻不同[28]。管間流型是慣性力、黏性力、表面張力、氣流特征等共同作用的結(jié)果[36],噴淋密度較小時(shí),黏性力為主導(dǎo)因素,隨流量增大,重力作用下的慣性力逐漸為主導(dǎo)因素。在兩者更替階段仍需深入研究。姚寧等[37]通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明:隨著管間距的增大,片狀?片-柱狀臨界Re數(shù)逐漸減小,柱狀?柱-滴狀臨界Re數(shù)先減小后增大。滴狀與柱狀、片狀流型時(shí)主導(dǎo)因素或有不同。以上研究表明:管間流型受多重因素相互作用相互影響,液相參數(shù)為主體因素,結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣流特征的影響也十分關(guān)鍵。近些年,學(xué)者們對(duì)與液膜接觸的氣流特征(流動(dòng)方向、流速大小等)對(duì)管間流型轉(zhuǎn)變臨界Re的影響進(jìn)行研究,用We表征氣流的大小,表達(dá)式為

(7)

式(7)中:We為無(wú)量綱韋伯?dāng)?shù),表征氣體慣性力與表面張力效應(yīng)之比;ρg為氣體密度,kg/m3;vg為氣體流速,m/s;σ為表面張力,N/m。

Ruan等[25]以水和乙二醇為研究對(duì)象,得到了臨界Re和Ga、We的關(guān)聯(lián)式,即

(8)

Ruan等[25]認(rèn)為相較于氣流特征,管徑影響較小,式(8)中沒(méi)有體現(xiàn),并將管間距的影響通過(guò)常數(shù)調(diào)整,但相較于管間距s本身一定程度上會(huì)影響關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。Ruan等[25]充分考慮了進(jìn)料長(zhǎng)度的影響,但以無(wú)氣流影響的臨界Re為基準(zhǔn)則造成公式計(jì)算的繁瑣。

與Ruan等[25]不同,孫文倩[28]研究了逆向氣流的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨We的增大,滴狀?滴-柱狀、滴-柱狀?柱狀、柱-片狀?片狀對(duì)應(yīng)的臨界Re增大,柱狀?柱-片狀對(duì)應(yīng)臨界Re減小。氣流對(duì)于不同管間流型的影響具有差異性,并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。受氣流流向的影響,滴落點(diǎn)位移或液膜厚度發(fā)生變化,影響滯后現(xiàn)象,并最終影響臨界Re。趙亞磊[9]的實(shí)驗(yàn)表明橫向氣流流速是影響管間流型轉(zhuǎn)變及滯后現(xiàn)象的重要因素,相對(duì)片狀流型,對(duì)滴狀及柱狀影響更大。Xie等[38]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了交錯(cuò)管束中逆流氣流的影響,表明隨著氣流速度從1.6 m/s增加到3.5 m/s,同一噴淋密度下的管間流型逐漸從柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈沃鶢詈偷螤盍餍?且逆流氣流會(huì)使液滴或液柱偏離上管和下管之間的初始位置,同時(shí)總結(jié)出一系列關(guān)聯(lián)式來(lái)預(yù)測(cè)逆流氣流下的降膜轉(zhuǎn)變,即

(9)

(10)

式(9)中:a、b、c為常數(shù);ξ為毛細(xì)長(zhǎng)度,m,即流體所受表面張力與重力相當(dāng)時(shí)的特征長(zhǎng)度。

式(9)引入毛細(xì)長(zhǎng)度,并將管間距s作為自變量代入其中,與式(8)相比,其考慮因素更為全面,更貼近于實(shí)際流動(dòng)情況,關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)更為精確。

3.2 液膜厚度

液膜厚度也是影響傳熱傳質(zhì)性能的重要因素之一,液膜厚度過(guò)小,容易破裂并導(dǎo)致“干斑”出現(xiàn),使傳熱傳質(zhì)性能降低;液膜厚度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致傳熱熱阻增大,氣液蒸汽壓差變小,傳質(zhì)系數(shù)減小。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)液膜厚度分布及影響因素等開(kāi)展研究。

Nusselt[39]最早通過(guò)理論分析得出噴淋密度和溶液物性共同決定了管外液膜厚度沿管周向的分布,最小液膜厚度在周向角90°處,并建立了經(jīng)驗(yàn)式。但其忽略了液膜慣性力的影響,因此對(duì)下半周液膜厚度預(yù)測(cè)誤差較大。該經(jīng)驗(yàn)式為

(11)

Gstoehl等[8]采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量液膜厚度,通過(guò)與Nusselt[39]所得式(11)相比表明,實(shí)際最小液膜厚度應(yīng)出現(xiàn)在周向角90°之后。實(shí)際降膜流動(dòng)過(guò)程中,降膜管作為液膜流動(dòng)的基礎(chǔ),其幾何結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了液膜分布特性,但Nusselt[39]與Gstoehl等[8]都忽略了其影響。Hou等[11]綜合考慮幾何結(jié)構(gòu)和慣性力的影響,實(shí)驗(yàn)表明最小液膜厚度在圓周角90°～115°處,在Gstoehl的基礎(chǔ)上給出更精確的最小液膜角范圍,并與Nusselt[39]理論結(jié)果對(duì)比(圖7),提出了液膜厚度及液膜流速不對(duì)稱分布理論,修正了液膜厚度計(jì)算公式(適用范圍:Re=150～800),即

光滑試管, d=25.4 mm, Re=574圖7 沿管周向角液膜厚度分布[11]Fig.7 Variations in film thickness with circumferential angle at different intertube spacings[11]

(12)

式(12)中:C為常數(shù)。

Ji等[40]通過(guò)模擬的方法驗(yàn)證了液膜厚度及液膜流速沿管周向分布的不對(duì)稱性,認(rèn)為最小液膜厚度出現(xiàn)在圓周角120°處,并利用模擬及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)液膜厚度公式進(jìn)行了修正(適用范圍:Re=150～260),但未考慮幾何結(jié)構(gòu)的影響。該修正式為

(13)

隨后,文獻(xiàn)[11,16]深入研究了幾何結(jié)構(gòu)對(duì)液膜厚度分布的影響機(jī)理。對(duì)于管間距,隨著管間距或布液高度的增大,管間溶液在重力作用下對(duì)下排降膜管液膜沖擊增強(qiáng),下排降膜管上半周液膜厚度明顯減小,液膜擾動(dòng)增強(qiáng);隨圓周角增大,液膜擾動(dòng)減弱,下半周液膜厚度所受影響較小[11,16]。對(duì)于管徑,譚起濱[10]和鄭毅[41]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨管徑增大,同一噴淋密度下管外液膜鋪展面積增大,液膜流速降低,液膜厚度減小并趨于平緩;隨噴淋密度增大,管徑對(duì)液膜厚度的影響程度相應(yīng)增大。然而,陳子琪[17]的實(shí)驗(yàn)表明,噴淋密度一定時(shí),同一周向角液膜厚度隨管徑增大而增大,管外自由流動(dòng)區(qū)平均液膜厚度增大。原因分析為隨管徑增大的,液膜鋪展面積增大,流速降低,動(dòng)能減小,液膜厚度增加。

Chen等[42]在Hou等[11]的基礎(chǔ)上,通過(guò)模擬研究表明管徑對(duì)液膜厚度分布的影響較小,得到考慮管間距修正液膜厚度關(guān)聯(lián)式(適用范圍:Re=600～684)為

(14)

式(14)中:C、n為常數(shù),此處C=0.470 3,n=-0.220 6。

Zhao等[43]則綜合考慮了噴淋密度、氣流流速、溶液物性參數(shù)、管徑及管間距等影響因素下的液膜厚度經(jīng)驗(yàn)式為

(15)

式(15)中:Ar為無(wú)量綱阿基米德數(shù),表征浮力與慣性力之比;Ca、a1、a2、a3、a4、a5為常數(shù)。

式(15)適用于Re范圍為400～2 485,We范圍為4.55×10-4～21.4×10-4,Ar范圍為7.17×106～3.67×109,s/d范圍為0.12～2,液膜厚度分布圖如圖8所示。Zhao[43]給出了目前較為精準(zhǔn)且最符合實(shí)際液膜分布的關(guān)聯(lián)式,但對(duì)其預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

d=25.4 mm,s=6.3 mm圖8 沿管周向角液膜厚度分布[43]Fig.8 Variation of the local film thickness with film flow rate[43]

以上對(duì)于液膜厚度分布研究主要集中在管周向方向,實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中,管周向液膜分布也呈規(guī)律性變化,并受多重因素耦合影響。近些年學(xué)者關(guān)注了管軸向方向的分布。管軸向液膜厚度分布呈波峰波谷周期性變化,其周期性長(zhǎng)短與上層管間相鄰液柱距離有關(guān)。Chen等[42]的實(shí)驗(yàn)表明:沿管軸向,隨著離液柱中心截面的距離增加,液膜厚度增加,且在相鄰兩液柱的中間處達(dá)到最大(圖9)。李美軍[44]利用三維模型得到了3種基本流型下液膜厚度沿管軸向的分布,滴狀流型下,上半周比下半周液膜厚度分布更規(guī)律;柱狀流型下,上半周呈現(xiàn)穩(wěn)定的“穩(wěn)定期-高峰-穩(wěn)定期”分布,最大液膜厚度是最小液膜的兩倍,相鄰液柱對(duì)下半周的影響較小;片狀流型下,周向角45°、90°和135°處的液膜厚度沿管軸向呈穩(wěn)定的波峰波谷趨勢(shì),最大與最小液膜厚度之差隨周向角改變。邱慶剛等[45]的三維模擬同樣表明:液膜在液柱間呈波峰波谷態(tài)分布,液柱中間位置處液膜厚度最大。

圖9 滴狀流型下軸向液膜厚度分布Fig.9 Synchronous droplet flow for Re=80

此外文獻(xiàn)[46]研究了不同氣流特征(方向、大小及含濕量等)對(duì)液膜厚度的影響。順流氣流能顯著提高液膜流速,降低液膜厚度,使最薄液膜對(duì)應(yīng)的周向角度向下偏移,但隨著氣流流速增大,液膜逐漸破裂,形成“干斑”,傳熱傳質(zhì)性能惡化。與順流氣流相比,逆流氣流對(duì)液膜產(chǎn)生托舉作用,降低液膜流速,液膜厚度隨氣流流速的增加先增大后減小。但隨著噴淋密度增加,重力對(duì)液膜的影響增強(qiáng),氣流的影響程度減小[47-48]。李美軍[44]模擬研究證明,隨氣體We數(shù)增大,液膜厚度逐漸減小(圖10)。同時(shí),在降膜吸收過(guò)程中,氣體含濕量升高時(shí),水回收率增加[49],導(dǎo)致溶液濃度降低,溫度升高,液體黏度和液膜厚度降低;受重力及圓管曲率影響,管下部液膜厚度比管上部受氣流影響程度更大。

圖10 氣流作用下液膜厚度分布[39]Fig.10 Variation of the local film thickness with airflow rate[39]

3.3 潤(rùn)濕性

管表面的適當(dāng)潤(rùn)濕對(duì)于增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)性能至關(guān)重要。管表面的不完全潤(rùn)濕會(huì)導(dǎo)致“干斑”出現(xiàn),氣液接觸面積減小,從而影響熱質(zhì)傳遞效果;增加溶液噴淋密度或流速可以提高潤(rùn)濕性,但超過(guò)最佳值則會(huì)導(dǎo)致液膜厚度增加和熱阻增大[50]。如何在保證適當(dāng)液膜厚度的同時(shí)提高降膜管表面潤(rùn)濕性是研究的重點(diǎn)。

Killion等[51]最早提出應(yīng)考慮潤(rùn)濕性對(duì)降膜吸收效果的重要影響。Jeong等[24]定義管表面潤(rùn)濕面積與總表面積之比為潤(rùn)濕比,用以表征潤(rùn)濕性,通過(guò)二維模擬(管周向面)研究表明:傳熱傳質(zhì)系數(shù)均隨潤(rùn)濕比變化,但在流量較小的滴狀流型下,潤(rùn)濕比的影響很小。Arroiabe等[52]在隨后建立的三維模型中也驗(yàn)證了此結(jié)論。潤(rùn)濕比是研究潤(rùn)濕性的重要參數(shù),潤(rùn)濕比的主要影響因素為接觸角與質(zhì)量流量。Castro等[53]通過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬研究表明:潤(rùn)濕比為單位長(zhǎng)度接觸角與質(zhì)量流量的函數(shù)。Ji等[40]通過(guò)二維模型(管周向面)評(píng)估了親水表面的水平管上靜態(tài)接觸角和噴淋密度的影響(圖11),表明潤(rùn)濕比與噴淋密度成正比,與靜態(tài)接觸角成反比,液膜鋪展速度隨靜態(tài)接觸角的增加而增大,隨噴淋密度的增大而減小。

圖11 不同靜態(tài)接觸角Ψ下管周向LiBr溶液分布(Re=42)[40]Fig.11 Profiles of LiBr solution over the horizontal tube surface under different ψ (Re=42)[40]

以上研究均多為二維模擬或僅考慮液膜沿管周向的分布特征,忽略了在管軸向方向上液膜的潤(rùn)濕特性。Arroiabe等[52]在Ji等[40]的基礎(chǔ)上建立了三維瞬態(tài)數(shù)值模型,研究了滴狀和柱狀流型下接觸角對(duì)液膜潤(rùn)濕性的影響(圖12),結(jié)果表明:每個(gè)雷諾數(shù)均存在對(duì)應(yīng)的最大接觸角,以使整個(gè)降膜管完全潤(rùn)濕。當(dāng)接觸角小于最大值時(shí),接觸角對(duì)潤(rùn)濕比無(wú)影響;大于最大值時(shí),潤(rùn)濕比隨接觸角的增加而減小。在降膜換熱器應(yīng)用過(guò)程中,若追求較高的潤(rùn)濕比及換熱特性,表面接觸角是不能忽略的關(guān)鍵因素。

圖12 不同靜態(tài)接觸角Ψ下管外LiBr溶液分布[52]Fig.12 Film hydrodynamics of the LiBr-H2O solution for different values of ψ[52]

此外,同一工質(zhì)與不同材質(zhì)的降膜管靜態(tài)接觸角差異較大,管表面特殊處理工藝也會(huì)影響接觸角,進(jìn)而影響潤(rùn)濕比。因此,對(duì)于降膜管的選材及表面處理工藝也尤為重要。Martinez-urrutia等[54]實(shí)驗(yàn)對(duì)比了銅鋁不銹鋼3種材質(zhì),結(jié)果表明:接觸角和表面張力隨著溶液濃度的增加而增加。與銅相比,鋁和不銹鋼具有更好的潤(rùn)濕特性,完全潤(rùn)濕所需的最小流速與液膜厚度大大減小,吸收性能更好。Lee等[55]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了微尺度多孔層涂層的影響(圖13),結(jié)果表明:多孔層涂層管完全潤(rùn)濕所需的最小流量?jī)H為光管的一半,液膜厚度更小且傳熱系數(shù)更高。另外,接觸角和表面張力會(huì)隨著溶液濃度的增加而增加,不同的添加劑也會(huì)改變?nèi)芤罕砻鎻埩?接觸角隨之變化。Zhang等[56]對(duì)比研究了兩種不同的表面活性劑與3種不同表面幾何形狀的降膜管的潤(rùn)濕性,結(jié)果表明:不同幾何形狀的潤(rùn)濕面積不同,潤(rùn)濕效果由大到小分別為花管、花翅管和光管,表面活性劑對(duì)潤(rùn)濕性的影響明顯大于管表面幾何形狀的影響。

ζ為潤(rùn)濕比圖13 普通管和多孔層涂層管的管外潤(rùn)濕性[55]Fig.13 Comparison of solution wetting and flow modes of plain and porous-layer coated tubes[55]

實(shí)際降膜流動(dòng)過(guò)程中,氣流流速及流向顯著影響液膜厚度,進(jìn)而改變潤(rùn)濕比。近些年氣流特征對(duì)潤(rùn)濕性的影響也引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視。適當(dāng)?shù)哪嫦驓饬骺筛纳埔耗し植?提高潤(rùn)濕性,但氣流流速過(guò)大,管表面不能形成穩(wěn)態(tài)降膜,易出現(xiàn)“干斑”[56-57],潤(rùn)濕性變差,見(jiàn)圖14。趙亞磊[9]對(duì)橫向氣流的研究表明:無(wú)氣流狀態(tài)時(shí),液膜沿降膜管軸向呈“馬鞍形”分布,隨著氣流流速不斷增大,馬鞍線逐漸消失。迎風(fēng)面的管間液滴發(fā)生偏移,潤(rùn)濕性變差。Ruan等[25]研究表明:當(dāng)逆向氣流流速大于3.5 m/s時(shí),管表面不能形成穩(wěn)態(tài)降膜,潤(rùn)濕性變差。

D為管徑,Rel為液體雷諾數(shù),Rea為氣體雷諾數(shù),a*為液膜軸向偏離液柱距離與液柱間距之比圖14 液膜分布等高線[56]Fig.14 Contour map of liquid film distribution[56]

4 水平管降膜熱質(zhì)傳遞特征

水平管降膜蒸發(fā)是一個(gè)多重影響因素下熱力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程,溶液流量、物性、傳熱溫差、氣流特征、幾何結(jié)構(gòu)以及吸收器內(nèi)部壓力都會(huì)影響整體傳熱傳質(zhì)性能。水平管降膜熱質(zhì)傳遞特征的研究主要集中在操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響(表2)。操作參數(shù)主要包括噴淋密度、液體溫度、液體物性、管內(nèi)媒介溫度和流量、氣流溫度、流速和流向等因素。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為管徑、管間距等。水平管降膜研究初期,主要是對(duì)傳熱傳質(zhì)性能的研究,后逐漸深入研究換熱器內(nèi)部局部流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)耦合影響規(guī)律及機(jī)理。對(duì)于水平管降膜蒸發(fā)過(guò)程,整體熱質(zhì)傳遞特征主要研究管外降膜蒸發(fā)的平均傳熱系數(shù),對(duì)于吸收過(guò)程,主要研究管外降膜吸收的平均傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)。

4.1 水平管降膜蒸發(fā)

針對(duì)水平管降膜蒸發(fā),沈勝?gòu)?qiáng)等[58]、牟興森[59-60]實(shí)驗(yàn)表明噴淋密度和蒸發(fā)溫度的增大均有利于平均傳熱系數(shù)的提高,在蒸發(fā)器內(nèi)部,平均傳熱系數(shù)沿降膜方向呈現(xiàn)逐漸減小、沿軸向方向呈現(xiàn)先增后減的空間分布特性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)[61]表明平均傳熱系數(shù)與管內(nèi)外介質(zhì)的傳熱溫差呈正比,而蒸汽流速的影響較小,且存在最優(yōu)的管間距使平均傳熱系數(shù)最大。沈勝?gòu)?qiáng)等[62]對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)一步深入研究,表明平均傳熱系數(shù)隨管間距的減小而降低,直至管間距為0.3倍管徑時(shí)趨于穩(wěn)定,同時(shí)管頂部的局部傳熱系數(shù)隨管間距的增大明顯下降,是由于管間距增大使得液流對(duì)下排管的沖擊擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)的原因。陳學(xué)等[63]在此基礎(chǔ)上,實(shí)驗(yàn)對(duì)比了0.019 m與0.025 4 m管徑下的降膜蒸發(fā)傳熱過(guò)程,表明小管徑下的平均傳熱系數(shù)高于大管徑,是由于小管徑管外液膜流速更高,對(duì)降膜蒸發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)化作用。王江坤等[64]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)噴淋密度、蒸發(fā)溫度、管徑、管間距等參數(shù)也得出了相同。朱曉靜等[65]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究,將管外液膜沿管周向的流動(dòng)分為瞬態(tài)過(guò)程與穩(wěn)態(tài)過(guò)程,同一噴淋密度下,液膜在較大管徑外同一位置處流速增加,液膜厚度減小。譚起濱[10]對(duì)水平管降膜換熱領(lǐng)域常見(jiàn)的3種管徑(0.019、0.025 4和0.032 m)的管外降膜蒸發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:在相同的噴淋密度下,隨管徑增加液膜在管壁上鋪展的面積變大,流速隨之變小,同時(shí)小管徑直接導(dǎo)致管頂部沖擊區(qū)的周向面積占比增大,局部傳熱系數(shù)增大,從而導(dǎo)致平均傳熱系數(shù)增大。以上研究得出不同操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水平管降膜蒸發(fā)器傳熱性能的影響規(guī)律,為高性能水平管降膜蒸發(fā)器設(shè)計(jì)提供理論支撐。

此外,學(xué)者的研究表明不同的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)在降膜蒸發(fā)中的傳熱性能不同。牟興森等[59]對(duì)海水與淡水進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:兩種工質(zhì)在不同噴淋密度與熱流密度下傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致,隨著噴淋密度增大,平均傳熱系數(shù)達(dá)最大值后略有下降;但隨蒸發(fā)溫度的升高,海水平均傳熱系數(shù)減小,淡水則相反,因而提出了海水沸點(diǎn)升高理論,即較低的蒸發(fā)溫度更有利于降膜蒸發(fā)在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用。蒸發(fā)產(chǎn)生的氣流對(duì)管外液膜蒸發(fā)平均傳熱系數(shù)也有影響,但研究較少。張夢(mèng)超等[66]計(jì)算了降膜蒸發(fā)中汽水對(duì)流過(guò)程的傳熱系數(shù),表明迎面風(fēng)速增大可以顯著提高蒸發(fā)效果,相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入。

降膜管強(qiáng)化傳熱也將是未來(lái)發(fā)展的重要方向。王星天等[67]、葛強(qiáng)強(qiáng)等[68]分別對(duì)螺紋槽管和不銹鋼縱槽管兩種不同降膜管的蒸發(fā)換熱研究表明:相同條件下,螺紋槽管換熱能力是普通光管的1.8倍,縱槽管甚至可達(dá)2倍。

以上研究集中在探索傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì),還有部分學(xué)者對(duì)多因素耦合下的平均傳熱系數(shù)進(jìn)行了定量表征。Xu等[69]在假設(shè)管壁溫度恒定、液膜完全潤(rùn)濕、考慮液膜厚度波動(dòng)的條件下,建立了平均傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,即

(16)

實(shí)際蒸發(fā)過(guò)程中,管壁溫度、潤(rùn)濕性及液膜厚度在不同因素影響下為波動(dòng)變化,該式對(duì)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)確性有待探討。

Li等[70]考慮噴淋密度的影響,管外液膜分為完全潤(rùn)濕區(qū)與不完全潤(rùn)濕區(qū),并分布給出了的管外平均傳熱系數(shù)計(jì)算公式,更進(jìn)一步縮小理論計(jì)算誤差。即

(17)

(18)

式中:Nu為無(wú)量綱努塞爾數(shù),表征流體層流底層的熱阻與對(duì)流傳熱熱阻的之比;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);l為特征長(zhǎng)度,m。

為了研究并改善局部傳熱傳質(zhì)性能,在研究平均傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)上,學(xué)者們開(kāi)始關(guān)注局部傳熱系數(shù)的研究。Rogers等[71-72]考慮完全潤(rùn)濕的層流流動(dòng),忽略噴淋密度、管間距,將管外液膜分為邊界層發(fā)展區(qū)與充分發(fā)展區(qū),并建立了局部傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式,即

(19)

(20)

(21)

式中:Ar為無(wú)量綱阿基米德數(shù),表征浮力與慣性力之比;ρ為物體密度,kg/m3;P(θ)為一個(gè)與角度的相關(guān)量。式(19)指出了對(duì)局部傳熱系數(shù)的理論計(jì)算方向,但初始條件與實(shí)際過(guò)程差別較大。

邱慶剛等[73]對(duì)水平管外液膜厚度、速度和溫度分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬,從邊界層的角度解釋了液膜波動(dòng)對(duì)局部傳熱系數(shù)的影響。郭亞麗等[74]通過(guò)模擬研究表明:由于受液流沖擊的影響,管頂部的液膜流速和局部傳熱系數(shù)最大,且隨周向角的增大而減小,在管底部由于受液膜擾動(dòng)作用的影響而略有增大。

柳山林等[18]綜合考慮噴淋密度、管間距及流體物性對(duì)傳熱過(guò)程的影響,將管外液膜分為沖擊區(qū)、熱擴(kuò)散區(qū)及尾部脫離區(qū),并對(duì)Rogers等[71-72]的關(guān)聯(lián)式加以修正,并總結(jié)出影響局部傳熱系數(shù)的強(qiáng)弱因素依次為入口流體溫度、管間距、噴淋密度、平均熱流密度。修正式為

(22)

式(22)中:Re、Ar和Pr數(shù)中的流體物性均由定性溫度確定。

4.2 水平管降膜吸收

水平管降膜吸收過(guò)程以降膜表面與氣體中水蒸氣分壓力之差為驅(qū)動(dòng)力,在氣液交界面處發(fā)生,吸收放熱,同時(shí)在管壁內(nèi)外發(fā)生冷卻媒介與降膜溶液的傳熱過(guò)程,因此平均傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)是總體吸收性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

針對(duì)水平管降膜吸收,與降膜蒸發(fā)相同,噴淋密度的增大同樣有利于平均傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的增大,且當(dāng)其達(dá)到最大值后逐漸趨于穩(wěn)定;這是由于噴淋密度的增大導(dǎo)致管表面潤(rùn)濕性增加的原因。此外,溶液濃度及溫度會(huì)對(duì)溶液的黏性及表面張力等產(chǎn)生影響,從而改變潤(rùn)濕性和傳熱傳質(zhì)系數(shù)[28,34-35,70]。魏璠[77]的實(shí)驗(yàn)表明平均傳質(zhì)系數(shù)隨溶液進(jìn)口濃度增大而增大,是由于隨溶液濃度增加,其表面蒸汽壓減小,傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大,吸收能力增強(qiáng)。Hoffman[78]的研究表明濃度范圍為40%～61%的溴化鋰溶液,其最低進(jìn)口濃度下的傳熱系數(shù)約比最高濃度下大8倍,是由于隨著溶液進(jìn)口濃度增大,黏度增大,液膜厚度增加,熱阻增大,因此傳熱系數(shù)減小。Kyung等[79]實(shí)驗(yàn)研究表明平均傳熱系數(shù)在溴化鋰溶液進(jìn)口濃度為50%～60%時(shí)變化不大,卻隨溶液進(jìn)口溫度的提高而下降,而平均傳質(zhì)系數(shù)則沒(méi)有明顯變化。Arzoz等[80]實(shí)驗(yàn)表明:相比于滴狀流,柱狀流與片狀流的平均傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)更高。路源等[81]以氯化鈣溶液做為吸收劑,通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明:溶液濃度增大有利于提高傳質(zhì)性能,但濃度過(guò)高應(yīng)考慮結(jié)晶問(wèn)題,氯化鈣溶液的最佳濃度范圍在48%～51%。

關(guān)于冷卻水溫度、流量及流向的影響,李美軍[44]、路源等[82]研究表明:降低冷卻水溫度及增大流量均會(huì)導(dǎo)致傳熱溫差增大,進(jìn)而提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)。王子彪等[83]利用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型也表明:隨換熱溫差增大,換熱部件換熱效率將會(huì)增強(qiáng)。李靜原[84]對(duì)冷卻水順流吸收器與逆流吸收器的性能進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:冷卻水流向與溶液流向相反的逆流吸收器的平均傳熱傳質(zhì)系數(shù)大于順流。

水平管降膜蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生氣流,從而對(duì)蒸發(fā)過(guò)程有影響,而降膜吸收過(guò)程的氣流流速會(huì)更大,且氣流的含濕量會(huì)決定蒸氣壓,因此吸收過(guò)程中氣流的方向、大小和含濕量等是影響傳熱傳質(zhì)系數(shù)的重要因素。Li等[49]通過(guò)模擬研究表明:受重力及圓管曲率影響,管下部液膜流速比管上部受氣流影響程度更大。路源等[81-82]的實(shí)驗(yàn)表明逆向氣體流速減小和溫度升高均會(huì)使傳熱系數(shù)降低,而隨逆向氣流流速的增大,液膜厚度先增大后減小,傳熱傳質(zhì)系數(shù)也隨之相應(yīng)變化。此外,隨著噴淋密度的增加,重力作用影響增強(qiáng),氣流的影響程度逐漸減小[47-48]。Zhang[56]對(duì)比研究了3種不同臨界Re(368、476、574)和3種管徑(0.014、0.019、0.025 4 m)下氣流的影響,逆向氣流會(huì)導(dǎo)致下半周液膜厚度減小,上半周增加,風(fēng)速越大影響越大;同時(shí)較大的臨界Re和較小的管徑會(huì)減弱風(fēng)速的影響。此外,含濕量的影響研究中,Medrono等[85]采用數(shù)值模擬方法表明:相同條件下,相比于純蒸汽,不可吸收氣體摩爾濃度為20%時(shí)傳質(zhì)系數(shù)會(huì)降低61%。孫文倩[28]、李美軍[44]實(shí)驗(yàn)研究表明,氣體含濕量增大可顯著提高傳質(zhì)系數(shù)。對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)管徑和管間距對(duì)降膜吸收的影響,則與降膜蒸發(fā)的結(jié)果大致相同。Miller[86]認(rèn)為隨管間距的增大,液流撞擊下排管速度增大,管表面潤(rùn)濕性增加,導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)系數(shù)增大。Jeong等[87]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比0.015 88、0.006 35、0.003 175 m 3種管徑的水平管降膜管的吸收性能,結(jié)果表明:直徑為0.006 35 m比直徑為0.015 88 m降膜管的吸收性能提高30%,直徑為0.003 175 m吸收性能增量更高(約55%),這種顯著增加主要是由于隨著管徑的減小,液滴形成過(guò)程中的蒸汽吸收增加所致。但小管徑下管外潤(rùn)濕性變差,因此應(yīng)綜合考慮潤(rùn)濕性來(lái)選擇最佳管徑。

Killion等[88]綜合闡述了不同操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)以溴化鋰溶液為吸收劑的水平管降膜吸收器傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律,但其指出對(duì)管間局部流動(dòng)特性及多因素耦合影響規(guī)律有待深入研究。Babadi等[89]通過(guò)對(duì)能量和質(zhì)量方程進(jìn)行理論推導(dǎo),得出假設(shè),即溶液未過(guò)冷的前提下,液滴在形成過(guò)程中完成了主要的傳質(zhì)過(guò)程,液滴墜落過(guò)程中LiBr質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不發(fā)生變化。Kyung等[90]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),滴狀流型下,當(dāng)冷卻水和LiBr溶液的入口溫度分別為28 ℃和41.25 ℃時(shí),74%～77%的吸收過(guò)程發(fā)生在管間區(qū),遠(yuǎn)大于降膜區(qū)。Li等[91]則通過(guò)模擬研究表明:片狀流和滴狀流下管間區(qū)域平均吸收速率是降膜區(qū)域的10%和20%。Zhang等[92]使用高速相機(jī)拍攝進(jìn)行圖像采集實(shí)驗(yàn)和降膜吸收實(shí)驗(yàn),得到液膜表面積和體積隨時(shí)間的變化規(guī)律,并表明吸收過(guò)程主要發(fā)生在液膜和液滴形成區(qū)域,在液柱及滴落狀態(tài)下可以忽略不計(jì)。Islam等[93]數(shù)值模擬研究對(duì)比波浪液膜與光滑液膜的吸收性能,波浪液膜在溶液中性能再循環(huán),促使底層LiBr溶液移動(dòng)到接觸界面并增強(qiáng)吸收過(guò)程,波浪液膜的吸收效率遠(yuǎn)高于光滑液膜。

以上研究表明:水平管降膜吸收整體傳熱傳質(zhì)過(guò)程受不同參數(shù)綜合影響,相互耦合。吸收過(guò)程發(fā)生于氣液接觸界面,溶液濃度、溫度與氣體含濕量是吸收過(guò)程驅(qū)動(dòng)力,溶液濃度越大,溫度越低,液側(cè)水蒸氣分壓越小,氣體溫度越高,含濕量越大,其水蒸氣分壓越大,吸收過(guò)程驅(qū)動(dòng)力越大;噴淋密度與氣體流速(或流量)決定整體吸收過(guò)程的體量,溶液與氣體流量越大,吸收量越大,但其吸收率無(wú)法保證;結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣流參數(shù)影響溶液分布,管表面結(jié)構(gòu)、管徑、管間距、氣流流速及方向影響液膜厚度及潤(rùn)濕性影響氣液接觸面積,進(jìn)而影響傳熱傳質(zhì)性能,吸收過(guò)程中,液膜擾動(dòng)有利于強(qiáng)化傳熱傳質(zhì);冷卻水參數(shù)從低溫側(cè)通過(guò)傳熱溫差間接影響吸收過(guò)程,冷卻水量增大,水溫降低,有利于吸收過(guò)程。

5 結(jié)論

綜合闡述了在不同操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)下水平管降膜換熱器流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)性能的影響規(guī)律及機(jī)理,介紹了目前常用的實(shí)驗(yàn)研究方法,總結(jié)歸納了不同研究條件下水平管降膜吸收器和蒸發(fā)器關(guān)于膜厚表征、管間流型轉(zhuǎn)變雷諾數(shù)、傳熱系數(shù)等的研究范圍及關(guān)聯(lián)式,為水平管降膜換熱器性能優(yōu)化提供了一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

水平管降膜換熱器的流動(dòng)特性研究側(cè)重于實(shí)驗(yàn),測(cè)量手段更加無(wú)擾化和精密化,所得的管間流型轉(zhuǎn)變、液膜厚度和潤(rùn)濕性定量表征可用于傳統(tǒng)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用,在應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)一步對(duì)放大規(guī)律和準(zhǔn)則進(jìn)行探索。由于測(cè)量手段的限制,目前的研究更側(cè)重于沿管周向的二維液膜分布。而由于相鄰液滴或液柱之間相互擾動(dòng),沿管軸向的三維液膜波動(dòng)及膜厚分布等是影響傳熱傳質(zhì)性能的重要特征,但從管周向拓展至管軸向,相當(dāng)于測(cè)量范圍由二維拓展至三維,面臨著測(cè)量手段及精度的限制、隨液滴或液柱的流動(dòng)呈現(xiàn)的周期性波動(dòng)或變化表征困難等問(wèn)題,未來(lái)對(duì)于管周向及軸向三維體系的膜厚分布和變化的測(cè)量有待深入,如選擇準(zhǔn)確度和可行性高的測(cè)量和記錄手段,構(gòu)建三維瞬態(tài)數(shù)值模型表征膜厚變化等。

此外,雖然關(guān)于管間流型轉(zhuǎn)變的研究較多,但是對(duì)管間流型轉(zhuǎn)變的機(jī)理研究和分析仍不透徹,對(duì)管間流型轉(zhuǎn)變的臨界參數(shù)的無(wú)量綱表征關(guān)聯(lián)式中考慮的因素較少,但管間流型的轉(zhuǎn)變與諸多因素有關(guān),之前的研究主要考慮噴淋密度、管間距、表面張力和粘度等影響因素,而對(duì)于水平管降膜蒸發(fā)器,隨管外蒸發(fā)產(chǎn)生的氣流橫向流動(dòng)等也是影響管間流型的重要參數(shù),對(duì)于水平管降膜吸收器,由于近些年其在節(jié)能減排領(lǐng)域的拓展,例如通過(guò)溶液吸收法進(jìn)行燃燒設(shè)備的煙氣深度余熱利用等,煙氣組成參數(shù)和流速等是影響管間流型轉(zhuǎn)變的重要參數(shù),因此需綜合分析多重因素作用下的水平管間流型轉(zhuǎn)變的無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式。

對(duì)于傳熱傳質(zhì)特性研究,采取了從整體性能到局部微細(xì)熱質(zhì)傳遞特征的研究路線,對(duì)于水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱性能研究已較成熟,而對(duì)于水平管降膜吸收器的傳熱傳質(zhì)性能研究普遍側(cè)重于吸收純蒸汽的場(chǎng)合,對(duì)于煙氣直接接觸、存在不吸收氣體的場(chǎng)合可進(jìn)一步研究。由于不吸收氣體隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行,在水平管液膜外聚集并形成隔層,阻礙了降膜與煙氣中水蒸氣的吸收過(guò)程,因此需對(duì)大量不吸收氣體存在時(shí)的水平管降膜吸收的傳熱傳質(zhì)性能進(jìn)行全程定量的研究,難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確測(cè)量不吸收氣體的分布及濃度等,需采用更準(zhǔn)確的測(cè)量手段,并結(jié)合三維瞬態(tài)數(shù)值模型的預(yù)測(cè)對(duì)比等。同時(shí),可以使用紅外攝像儀或其他非接觸法,結(jié)合三維數(shù)值模擬溫度場(chǎng)分布,測(cè)量并分析液膜表面溫度甚至內(nèi)部的溫度分布。研究基于局部液膜溫度作為定性溫度的未飽和流體局部傳熱系數(shù)分布規(guī)律,為進(jìn)一步揭示液膜傳熱機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐。

此外,對(duì)于通過(guò)改變管表面特性、添加表面活性劑等強(qiáng)化換熱的手段以及選擇合適的防腐、導(dǎo)熱性好、制作成本低的降膜管成為下一步優(yōu)化和發(fā)展的重點(diǎn)。