《武汉工程大学学报》  2008年04期 1-04   出版日期：2008-04-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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Marangoni效应对降膜过程液体分布的影响


0引言一切温度高于绝对零度的物体都能发出红外辐射能量，红外辐射能量的大小及波长分布与其表面温度关系密切.因此，通过测量物体自身辐射的红外能量，能准确地测定其表面温度.红外辐射理论的出发点是普朗克黑体辐射定律，其形式如下：Wλb=2πhc3λ5(ehc/λkT-1)×10-6［Watt/m2μm］(1)其中，Wλb是波长λ的黑体光谱辐射率，c为光速，T为黑体的绝对温度，h和k分别为普朗克常数和波兹曼常数.由方程（1）可知，所有黑体辐射量主要与辐射波长、物体温度有关，通过测定辐射量即可确定物体温度.红外热成像技术具有高灵敏度、测量范围广、与目标不接触等诸多优点，目前主要用于工业制造中的金属探伤、医疗诊断（如癌症的确定）和军事领域.降膜过程广泛用于在工业过程中，包括规整填料塔、降膜蒸发器和降膜反应器等.在这些设备中，液膜的流动特性与降膜传热传质行为相互作用.当前对于液体在固体壁面上的降膜分布性能以及传递性能与液体分布的关系等方面的研究并不充分，这在一定程度上影响了降膜设备的优化设计和操作.事实上，液膜的传热和传质会引起流体密度、 黏度、 表面张力等物理性质的变化， 进而影响流体流动，而液膜流动特性反过来作用于传热传质来限制这种影响［1~2］.在降膜流动的研究中，采用红外热成像技术，可以精确测定受热降膜流动的表面温度场，根据液膜的温度特征确定液体的分布、表面波动性能等参数［3］.Kabov［4］采用该技术确认了降膜过程中Marangoni流动引起的水平液带结构，发现传热系数随着雷诺数的增大而减小.本文采用高精度红外热成像技术对竖直平板上的液体降膜进行了实验研究，分析比较了液膜受热情况与流量对受热降膜分布的影响，并讨论了不同加热体系中Marangoni效应对液膜流动的作用.1降膜流动实验装置实验装置如图1所示，液体储罐中一定温度的料液由泵输送到高位槽，经过流量计，流入高位槽中，而后在实验板上布膜.所成液膜在实验板上流下，被加热或冷却后进入集液槽，最后回到储罐.实验板为光滑的不锈钢板，实验板的背部设有加热框，框内通入热水加热实验板来控制板面温度.液膜表面温度分布以及板上的液体分布由红外热像系统拍摄得到.实验中以蒸馏水作为料液，液膜的起始温度为to，加热水温度为th.料液的物理性质和实验操作参数如表1所示.
表1料液的物理性质和操作参数
Table 1Physical characteristics of working fluid and operation parameters
物理性质操作条件料液：蒸馏水流速Γ: 0.03~0.37 kg/(m·s)密度 ρ: 983.9~ 1 000 kg/m3起始温度t0∶3~60 ℃续表1
物理性质操作条件黏度 μ: 4.71×10-4~1.63×10-3 Pa·s加热温度th: 2~70 ℃表面张力σ: 67.1~75.4 dyn/cm雷诺数Re=4Γ/μ: 97~3 141导热系数λ: 0.556~0.654 W/(m·K)普朗特数Pr=Cpu/λ: 2.9~12.1Marangoni数 Ma*:-0.114~0.086图1实验装置示意图
Fig.1Sketch of the experimental system2降膜流动实验结果液膜在加热平壁上流过时，膜内的传热行为导致液膜表面温度不同，另外液体和金属表面的辐射率不同，因此可以根据红外辐射特征确定液膜在固体壁面上的分布并分析其表面的温度分布.冷却、等温和受热降膜的红外图像如图2所示，图中颜色的深浅代表了温度的高低，颜色越亮，温度越高，而水平横线表示加热区上沿的位置，该位置以下为传热区.如图2所示，冷却液膜在下降过程中逐渐向两侧扩展，而受热液膜明显收缩.这两种液膜径向都存在较大的温度差异，而液膜流向上的温度变化不大，因此可以通过考察液膜的径向温度变化来研究液膜表面温度分布与液体分布的关系.图2中间的等温降膜保持了原有的流动形态，液膜宽度变化不大，液膜表面温度较为均匀.由此可见，相同的固体壁面上，相同流量的受热液膜的分布面积要比等温液膜小，而冷却液膜的润湿面积最大.一般情况下，液体在固体壁面上的分布主要由液体与固体间的接触角决定.在同一固体壁面上，接触角的大小主要由液体的表面张力控制，液体的表面张力小时，固液接触角较小，因此液体能够在固体壁面上较好地分布；液体表面张力大时，固液接触角大，液体在固体壁面上的分布面积小.实验中，加热液膜的温度升高，表面张力减小，因此液膜应该能够较好分布，而非收缩.对于冷却液膜而言，液膜温度降低，表面张力增加，因此液膜分布面积应该比等温液膜小，而不是扩展.由此看来，加热/冷却液膜的收缩/扩展与接触角（液体的表面张力）关系不大.事实上，受热/冷却液膜径向的表面张力梯度是径向温度梯度造成的，而液膜的收缩或扩展是由于表面张力梯度引起Marangoni流，来削弱这些温度梯度.这一点也可以由受热收缩液膜在加入极少量的表面活性剂后能够良好分布的实验证明.第4期张锋，等：Marangoni效应对降膜过程液体分布的影响
武汉工程大学学报第30卷
(a) 冷却(b) 等温(c) 加热
图2降膜红外图片
Fig.2Infrared images of falling liquid films液膜径向温度分布曲线如图3所示，冷却降膜中央温度高，两侧温度低，因此存在由两侧向中央的温度梯度，由于液体的表面张力随温度的增加而降低，所得的表面张力梯度与温度梯度相反，产生由膜中央向两侧的Marangoni流来消除温度梯度，导致液膜的扩展.等温降膜的径向温度基本上均匀，而受热降膜的温度分布与前两者显著不同，受热降膜两侧边缘温度高，中央温度低(图3c)，因此由液膜中央朝向边缘的温度梯度形成相反方向的表面张力梯度使液膜收缩［5］.图3加热条件对降膜径向温度分布的影响
Fig.3Lateral temperature distributions of falling films under different heating conditions径向Marangoni效应对非等温液膜分布有较大影响.受热（冷却）液膜的收缩（扩展）与水平板上非等温液滴的收缩（扩展）非常相似.加热（冷却）水平板上的液滴能够抑制（促进）液滴的扩展［6］.径向Marangoni效应对非等温降膜的影响如图4所示，冷却降膜的边缘存在较高的表面张力，造成的Marangoni效应将中央的液体驱向边缘，使液膜扩展［图4（a）］.受热降膜的温度梯度由中央到膜的边缘，造成的Marangoni流由液膜边缘朝向膜中央以减弱温度梯度［图4（b）］，因此造成液膜的收缩.(a) 冷却液膜(b) 加热液膜
图4径向Marangoni效应影响机理
Fig.4Mechanism of lateral Marangoni effect大多数液体的表面张力随着温度线性变化，即σ=σ0-γ(t-t0), 其中σ和σ0 分别是温度为t和t0时液体的表面张力.表面张力系数定义为γ=-σ/T，对于一般的液体其值为正.非等温降膜中表面张力梯度的影响可以用修正的Marangoni数来表征： Ma*=-γΔtFLμalvL2=-γΔtF·lv(lv/L)μa (2)
上式中，μ为黏度，ΔtF=tw-tf,其中tf是平均膜温.α=λ/(pCp)是热扩散系数，lv=(v2/g)13为黏性长度因子，v是动力学黏度，g代表重力加速度.显然对于冷却液膜，Ma*＞0，对于加热液膜Ma*＜0，而等温液膜Ma*=0.降膜设备的传递性能主要由液膜在固体壁面上的分布面积决定，一般而言，良好的液膜分布能够提高降膜传递性能.因此在降膜传递的研究中，经常采用液膜润湿面积A来描述液膜的分布情况.为了进一步说明Marangoni效应对液膜分布的影响，本文定义了液膜分布因子ε=(z1-z0)/2L来表征液膜分布情况.其中，z0和z1分别是加热器上下边沿处液膜的宽度，L为加热器长度.显然，对于扩展的冷却降膜，ε>0；对于收缩的受热降膜，ε＜0.非等温降膜中的Marangoni效应强度由加热温差(th-to)决定，如图5所示，Ma*数，ε 和A 都随着加热温差的增加而降低.这说明降膜在固壁上的分布由主要由加热条件决定，即表面温度梯度引起的Marangoni效应能够显著影响非等温降膜的分布.由图5可知，对于等温液膜（th-t o=0），ε>0，说明等温液膜在下降过程中是扩展的，但其扩展程度要比冷却液膜小.
图5Ma*,ε 和A随加热温差的变化关系
Fig.5Variations of Ma*, ε and A with heating temperature differences
注：to=40 ℃，Γ=0.18 kg/(m·s)根据Zuiderweg［7］对于体系中Marangoni效应的定义，受热降膜为Marangoni负体系， Ma*＜0, A＜A0， ε＜0； 冷却降膜为Marangoni正体系，Ma*＞0, A＞A0，ε＞0；而等温降膜为中性体系.其中A0是相同流量下等温降膜的润湿面积.除了加热状况外，液膜在固体壁面上的分布还受液体流量影响.液体流量对液膜分布的影响是两方面的：一方面大的液体流量有利于液膜的扩展，另一方面，较大的液体流量影响了膜内径向温度分布，进而影响Marangoni效应对液膜的作用.如图6所示，随着液体流量的增加，冷却、等温和受热液膜的面积都有增加.大流量下受热液膜的面积随流量增加较快，显示了大流量对受热液膜中Marangoni效应的抑制作用.液体流量对Marangoni数的影响如图7所示，等温液膜的Ma数随着流量的增加逐渐增大，显示了正体系中流量对Marangoni效应的增强；而对于受热液膜，Ma数的绝对值随着流量的增大而增大，证实了负体系中液体流量对Marangoni效应的削弱. 对比图6和图7可知，对于受热液膜，流量对润湿面积A和Ma*的影响是对应的，|Ma*|较大时，A值相应较小，而|Ma*|减小时，A随之增大. 图6流量对降膜润湿面积的影响
Fig.6Influence of the flow rate on the wetting area of the films 图7流量对Marangoni数的影响
Fig.7Influence of the flow rate on Marangoni number3结语采用红外热成像的方法能够测量固体壁面上降膜流动过程中，液膜表面温度分布与液体分布之间的关系.加热条件对液膜在固壁上的分布有较大影响.对于受热液膜，有Ma*＜0，A＜A0，ε＜0；对于冷却液膜，有Ma*＞0，A＞A0，ε＞0.受热（冷却）液膜的这种收缩（扩展）由加热温差(th-to)和流体流量决定.较大的加热温度造成受热液膜显著收缩，液膜界面积急剧减小；而较低的冷却温度利于液膜的扩展.流量对Marangoni效应也有一定的影响，正体系（冷却液膜）中，流量对Marangoni效应存在一定程度的促进作用，而负体系（受热液膜）中，较大的流量能够抑制Marangoni效应.