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  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ
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降膜微通道内液相成膜特性及气-液传热过程数值模拟

    作者简介: 杨永昌(1993-),男,河南扶沟人,硕士生,研究方向为化学反应器分析与计算机模拟。E-mail:yc.yang@stu.scu.edu.cn;
    通讯作者: 唐盛伟, tangdynasty@scu.edu.cn
  • 中图分类号: TQ021.1;TQ021.3

Numerical Simulation of Liquid Hydrodynamics and Gas-Liquid Heat Transfer Behaviors in a Falling Film Microchannel

    Corresponding author: Shengwei TANG, tangdynasty@scu.edu.cn
  • CLC number: TQ021.1;TQ021.3

  • 摘要: 采用流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(w=98%)在降膜微通道内的降膜流动及气-液两相传热行为进行了二维数值模拟。重点分析了液相入口流速对液膜厚度、液膜内速度分布的影响,结果表明液膜厚度与入口流速成正比,液膜内速度呈抛物线型分布。模拟研究了气-液两相入口流速、温度等因素对相间传热系数的作用规律,结果表明传热系数随气、液入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。与传统设备相比,降膜微通道内模拟所得的液膜努塞尔(Nu)数提高约8.77倍。
  • 图 1  几何模型及边界设置

    Figure 1.  Geometric model and boundary conditions

    图 2  液膜厚度及计算所需时间随网格数量变化图(介质:水,qL=25 mL/h,vG=0)

    Figure 2.  Liquid film thickness and calculation time vs. mesh number (water, qL=25 mL/h, vG=0)

    图 3  管束段出口处气相体积分数云图

    Figure 3.  Contours of air volume fraction at the outlet of tube

    图 4  液膜厚度随液相流量的变化(介质:浓硫酸,vG=0)

    Figure 4.  Falling film thickness vs. liquid flowrates (concentrated sulfuric acid, vG=0)

    图 5  不同液相流量下液膜内速度分布模拟值与Nusselt预测值的比较(介质:浓硫酸,vG=0)

    Figure 5.  Comparison of the velocity profiles in the falling liquid film between simulation and Nusselt model at different liquid flowrates (concentrated sulfuric acid, vG=0)

    图 6  气-液两相温度变化曲线(qL=1 mL/h,TL=293.2 K,vG=1.0 m/s,TG=298.2 K)

    Figure 6.  Variations of liquid temperature and gas temperature along the falling film channel (qL=1 mL/h, TL=293.2 K, vG=1.0 m/s, TG=298.2 K)

    图 7  气相温度对液膜厚度的影响(qL=1 mL/h,TL=293.2 K,vG=1.0 m/s)

    Figure 7.  Effects of gas inlet temperature on liquid film thickness (qL=1 mL/h, TL=293.2 K, vG=1.0 m/s)

    图 8  传热系数随气相入口流速及温度变化曲线(qL=1 mL/h,TL=293.2 K)

    Figure 8.  Variations of heat transfer coefficient vs. gas inlet velocity and temperature (qL=1 mL/h, TL=293.2 K)

    图 9  液相流量对传热系数及总传热量的影响(TL=293.2 K,TG=298.2 K,vG=1.5 m/s)

    Figure 9.  Effects of liquid flowrates on heat transfer coefficient and total heat transfer quantity (TL=293.2 K, TG=298.2 K, vG=1.5 m/s)

    图 10  气相入口流速对Nu数的影响(qL=1.0 mL/h,TL=293.2 K,TG=298.2 K)

    Figure 10.  Effect of gas inlet velocity on Nu number (qL=1.0 mL/h, TL=293.2 K, TG=298.2 K)

    表 1  模拟流体的物性参数

    Table 1.  Physical properties of the fluids in numerical simulation

    Fluid Density/(kg·m−3) Viscosity/(Pa·s) Surface tension/(N·m−1)
    Air 1.225 1.789 4×10−5
    Water 998.2 1.003 2×10−3 0.072 2
    H2SO4 1 831.9 3.181×10−2 0.052 6
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-01
  • 网络出版日期:  2019-03-18
  • 刊出日期:  2019-04-01

降膜微通道内液相成膜特性及气-液传热过程数值模拟

    作者简介:杨永昌(1993-),男,河南扶沟人,硕士生,研究方向为化学反应器分析与计算机模拟。E-mail:yc.yang@stu.scu.edu.cn
    通讯作者: 唐盛伟, tangdynasty@scu.edu.cn
  • 四川大学化学工程学院,多相流传质与反应工程实验室,成都 610065

摘要: 采用流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(w=98%)在降膜微通道内的降膜流动及气-液两相传热行为进行了二维数值模拟。重点分析了液相入口流速对液膜厚度、液膜内速度分布的影响,结果表明液膜厚度与入口流速成正比,液膜内速度呈抛物线型分布。模拟研究了气-液两相入口流速、温度等因素对相间传热系数的作用规律,结果表明传热系数随气、液入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。与传统设备相比,降膜微通道内模拟所得的液膜努塞尔(Nu)数提高约8.77倍。

English Abstract

  • 近年来,微反应技术在化工、制药、生命科学等领域的开发利用受到越来越广泛的关注[1-3]。微反应设备因其具有比表面积大、扩散距离短、浓度/温度梯度大而被用于强化反应与热质传递过程[4]。其中,作为开式通道气-液微传质设备的代表,降膜微通道设备内可以形成厚度低于100 μm的超薄液膜[5-7]。与常规降膜设备相比,液膜厚度的下降可以显著提高气-液两相之间的热质传递速率。同时该设备具有气-液界面稳定,多相产物易于分离等优点,在甲苯氟化[8]、磺化[9]、臭氧化[10]以及光催化[7]等反应中都取得了很好的效果。

    浓硫酸作为一种常见的重要化学品,广泛应用于催化烷基化[11]、酯化[12]、假性紫罗兰酮环化[13]等反应。这些反应通常需要良好的热质传递特性以提高反应的效率和目标产物选择性。以异丁烷/丁烯烷基化反应为例,该反应为强放热反应,其ΔH=−69.9 kJ/mol。该反应受热质传递影响的因素非常显著,目标产物选择性取决于反应温度和异丁烷在催化剂中的瞬时浓度[14]。本小组前期采用离子液体改善异丁烷在酸相中的溶解度,使液相催化反应得到强化[11, 15];通过在固体酸催化剂上负载离子液体提高异丁烷/丁烯的相对吸附量[14, 16-19],以改善固相催化反应的特性。经过长期研究后发现,制约该反应过程的关键因素在于强化反应物相与催化剂相的传递特性。在此基础上,在微反应器通道中设置微混合结构以强化酸烃两相的热质传递过程,有效改善了反应特性[20],且进一步分析发现,采用降膜微反应器可以有效强化气-液两相热质传递过程。

    降膜微反应器中反应特性取决于液相在降膜微通道内的成膜特性及两相传递特性。降膜微反应器的设计与开发需要掌握流体在反应器内的流动与传递特性。因浓硫酸具有强氧化性、高黏性、高危性等特点,通过实验对其在降膜微通道中的成膜特性、液膜厚度、热质传递特性进行研究有一定难度。现有测量技术的限制会对液相成膜及液膜内流场信息的研究造成影响,且微尺度下流动特性的研究一般都需借助于昂贵的实验仪器才能完成,这大大增加了实验研究的成本。因而目前对浓硫酸等特殊介质在降膜微反应器中的相关特性缺乏系统研究,使降膜微反应器在以浓硫酸为代表的特殊介质体系中的应用受到限制。

    随着计算机技术及计算流体力学(CFD)理论的不断深入发展,CFD技术成为研究微流控设备中流体力学行为的一种重要手段[21-22]。它可以通过数值计算与图形显示的方法对含有流体流动和热质传递等物理现象的过程进行模拟分析,并可在一定程度上代替实验研究,从而减少了实验中所面临的人力物力耗费大、周期长等问题。

    本文以二维降膜微反应器内气-液两相流动作为研究对象,采用CFD方法对浓硫酸在降膜微通道内的流动形态、液膜厚度、液膜内速度分布及气-液两相传热过程进行研究,为新型反应器设计、新反应技术开发等提供理论基础。

    • 采用多相流模型之流体体积函数(VOF)模型对浓硫酸(H2SO4w=98%)在降膜微反应器内的成膜特性及气-液两相传热过程进行数值模拟分析。该模型主要通过求解相关控制方程,对两相或多相不互溶流体的相界面进行追踪,据此来获取下降液膜中的速度、压力、温度和浓度等参数。所用介质在常温常压下的物性参数如表1所示。

      Fluid Density/(kg·m−3) Viscosity/(Pa·s) Surface tension/(N·m−1)
      Air 1.225 1.789 4×10−5
      Water 998.2 1.003 2×10−3 0.072 2
      H2SO4 1 831.9 3.181×10−2 0.052 6

      表 1  模拟流体的物性参数

      Table 1.  Physical properties of the fluids in numerical simulation

    • 连续性方程:

      动量方程:

      能量方程:

      式中:$ \rho $$ \mu $分别为局部密度(kg/m3)和黏度(Pa·s);$ {{{ v}}}$为速度矢量(m/s);$p$为压降(Pa);$ {{{ g}}}$为重力加速度矢量(m/s2);$ {{{ F}}}$为动量源项(N/m3);E为能量(J/kg);$ {k_{\rm{eff}}}$为有效热导率(W/(m·K));T为温度(K);$ {S_{\rm{h}}}$为体积传热源项,由于不考虑相变潜热,故在此$ {S_{\rm{h}}}$为0。

      VOF模型中,能量E及温度T采用质量平均方法获得,每个计算单元内的$ \rho $$ \mu $则通过两相体积分率加权平均获得,定义如下:

      式中:α为体积分数;下标G和L分别表示气相和液相,q表示第q相。

    • 二维降膜流动的物理模型如图1所示,降膜段上下各有2 mm管束段。整个计算域网格划分采用精度较高的四边形网格。由于模拟过程气-液流动及传热特性会随时间发生变化,故模拟采用非稳态。压力-速度耦合方程采用压力隐式算子分割(PISO)算法求解,压力项离散选用交错压力格式(PRESTO!)算法。为保证计算精度,动量方程选用二阶迎风格式进行求解。同时为提高解的收敛性,模拟过程打开隐式体积力(Implicit Body Force)。气-液界面捕捉采用几何重构(Geo-reconstruction)法。时间步长控制在10−6~10−3,各输运方程收敛精度为10−3,能量方程精度为10−6。另外,通过引入用户自定义方程(UDF)来获取气-液界面总传热量(Qoverall)。监控y=10 mm和y=50 mm位置处液相流量($q_{\rm{L}} $)及两相间传热量,当该数值达到稳定或周期性波动时,即可认为计算达到稳态。

      图  1  几何模型及边界设置

      Figure 1.  Geometric model and boundary conditions

    • 数值模拟之前,对模型合理性及网格独立性进行分析。选用5种不同密度的网格对计算域进行离散,网格数量分别为5 631,7 345,10 175,15 216和19 635。

      本小组前期采用一台体视显微镜(Smartzoom 5,Carl Zeiss,Germany)对通道尺寸为1 200 μm×200 μm的自制降膜微反应器内的液相成膜特性进行实验研究,分别对空白通道和有稳定液膜存在时的降膜通道进行三维数据采集,据此建立了一种新的液膜厚度测量方法[23]。将上述5种不同网格密度下以水为降膜介质的液膜厚度模拟值(常温常压)与同等条件下采用体视显微镜观察所得实验值进行对比,对比结果如图2所示。从图中可以看出,模拟值与实验值之间的相对偏差小于1.0%,表明模拟结果与实验结果吻合良好,证明了本文数值模型的合理性。同时,网格数量的增加也提高了模拟结果的准确度,两者之间的偏差逐渐减小,但当网格数大于10 175后,该趋势逐渐减缓,继续增加网格数量使模拟计算所需时间大大增加。因此,综合考虑计算精度与成本,选择网格数量为10 175的计算模型进行模拟。

      图  2  液膜厚度及计算所需时间随网格数量变化图(介质:水,qL=25 mL/h,vG=0)

      Figure 2.  Liquid film thickness and calculation time vs. mesh number (water, qL=25 mL/h, vG=0)

      具体模拟流程为:气相进口初始速度为零,计算液膜流动,待其达到稳态并获得初始流场;之后通入气相与之作用,重点分析不同气、液入口流速下气-液两相流动及传热规律。

    • 微尺度下表面张力与黏滞力等成为影响液膜流动的主要因素,特别是由表面张力引起的气-液界面附加压力会对成膜特性起到重要作用。表面张力的影响可通过两组量纲为一准数来进行判断,即雷诺数(Re)和毛细管数(Ca)以及Re和韦博数(We)。当Re远大于1时采用We进行判断,反之则采用Ca进行判断[24]。当CaWe远大于1时,表明表面张力的影响较小,可以忽略;当CaWe小于10−3时,表面张力则起主导作用[25]。本文所研究液相流量范围内,Re为0.001 33~0.066 7,其值远小于1,因此采用Ca进行判断,Ca的范围为7.00×10−5~3.50×10−3。因此需要考虑表面张力对微降膜流动的影响。

      式中 :v为特征速率(m/s);L为微通道特征尺寸(m);$ \sigma $为表面张力(N/m)。

      在VOF模型中,表面张力的存在引出了动量方程中的一个动量源项,即式(2)中的F。这里采用Brackbill等[26]提出的连续表面力模型(Continuum Surface Force)来计算表面张力动量源项,如式(9)所示。同时,为简化二维模型计算,忽略固液间壁面黏附力影响。

      式中,$ \kappa $为界面曲率。

      图3示出了降膜介质为浓硫酸时,分别在不考虑表面张力和考虑表面张力两种情况下液相管束段出口处(图1红色虚线圈出部分)的气相体积分数云图。从图中可以看出,当不考虑表面张力时管束段内混有气体且存在轻微液滴“喷溅”现象,管束段出口液膜厚度均一,而考虑表面张力时管束段出口液膜厚度逐渐减小,之后达到稳定。这进一步表明了表面张力在微尺度降膜流动中的作用不可忽略。

      图  3  管束段出口处气相体积分数云图

      Figure 3.  Contours of air volume fraction at the outlet of tube

    • 在降膜设备中,液膜厚度$\left( \delta \right) $是影响热质传递过程的重要参数[27]。常规降膜设备中下降液膜厚度一般为0.5~3 mm[7]。为达到强化气-液两相热质传递速率的目的,必须在液膜保持完整的情况下尽可能降低液膜厚度。Nusselt最早进行冷膜层流研究,并提出了下降液膜厚度的Nusselt预测关联模型(式(10))[28]。该模型假设液膜沿流动方向充分发展,液膜表面无波动,同时忽略气-液界面黏性力的影响。随后,Kapitza[29]在此基础上考虑了表面张力等的影响并对关联式进行了修正,获得了Kapitza模型(式(11))。

      取不同液相流量下流场达到稳定时的平均液膜厚度与Nusselt、Kapitza预测模型进行对比,结果如图4所示。从图中可以看出,液相流量是影响液膜厚度的主要因素,随着流量增加,液膜变厚。同时,液膜厚度模拟值要略高于Nusselt预测值,这是由于模拟过程中气-液界面黏性作用力造成的。气相的存在阻滞了液膜的流动,使得液相流速变缓,降膜板上持液量增加,液膜变厚。总体来看,模拟结果与Nusselt预测结果吻合效果良好。在图4所示的流量范围内,两者之间的最大偏差不超过0.50%,这主要是由于模拟过程假设与Nusselt模型本身假设基本一致所致。Kapitza预测模型则低估了液膜厚度,这是由于当前流量范围下,液膜处于绝对层流状态,表面无波动,这与Kapitza模型适用范围不太吻合所致。

      图  4  液膜厚度随液相流量的变化(介质:浓硫酸,vG=0)

      Figure 4.  Falling film thickness vs. liquid flowrates (concentrated sulfuric acid, vG=0)

    • 降膜流动中,液膜内速度分布决定了液相停留时间长短,进而会影响热质传递过程,因此准确获取液膜内速度分布对于预测反应过程时空产率等具有重要意义。Nusselt经典降膜理论中给出了如式(12)所示的液膜内速度分布预测模型。该模型假设在无气相剪切力存在的情况下,液膜内速度呈抛物线型分布,且在气-液界面处达到最大值。

      式中,x为液膜中某一点与壁面间距离(m)。

      图5示出了浓硫酸单相降膜流动时,y=30 mm截面处不同液相入口流速下液膜内速度分布模拟值与Nusselt预测值之间的对比情况。从图中可以看出,在液膜中,下降液膜速度随着相对壁面距离的增加呈抛物线型增加;随着液相流量的增加,液膜厚度增加,流速加快。液膜内Nusselt速度分布预测值要稍大于模拟值,这与图4膜厚预测值要稍小于模拟值吻合,也表明液膜厚度与液体流速成反比关系。在图5所示液相流量范围($q_{\rm{L}} $为0.1~2.5 mL/h)内,模拟计算值与由Nusselt模型获得的预测值之间呈现出了较高的吻合度。

      图  5  不同液相流量下液膜内速度分布模拟值与Nusselt预测值的比较(介质:浓硫酸,vG=0)

      Figure 5.  Comparison of the velocity profiles in the falling liquid film between simulation and Nusselt model at different liquid flowrates (concentrated sulfuric acid, vG=0)

      此外,从图5也可以看出,因浓硫酸黏度较大,其在降膜微通道内流速较小,停留时间较长,使得液膜表面更新频率较低。随着液相入口流量的增加,液膜表观速度增大,有利于表面更新的进行。同时液膜厚度的增加也会增加热质传递距离,使传递阻力增大,不利于反应过程的强化。

    • 降膜微反应器内气-液两相热量传递是影响反应过程的重要因素,同时热液膜的流动形态等与冷液膜的流动形态也会有较大的不同。本文针对浓硫酸-空气体系,研究了液相温度293.2 K和气相温度298.2~313.2 K时的下降液膜厚度及传热系数。传热系数的计算公式如下:

      式中:h为传热系数(W/(m2·K));Qoverall为气-液间总传热量(W);A为两相传热面积(m2);ΔT为对数平均温差(K);qm为液相质量流量(kg/s);cp为液相比热容(J/(kg·K));TL-inTL-out分别为液相进口和出口温度(K)。

      气-液两相传热过程中,浓硫酸密度、黏度、表面张力等均会受到温度变化的影响。研究表明,在当前温度范围内,密度、表面张力等受温度影响变化较小,而黏度变化较大[30-31],因此需考虑温度对黏度的影响。采用文献[31]黏度数据并根据最小二乘法拟合得出浓硫酸黏度随温度的变化关联式:

      气-液两相流动形式及两相入口温差等对相间热质传递具有重要影响。图6给出了相同入口条件下,气-液并流与逆流两种接触形式下两相流动及热交换过程达到稳定时气-液主体温度沿降膜流动方向的变化情况。模拟结果显示,在不考虑相变时,沿液相流动方向,气-液并流与逆流两种接触形式下两相温差均不断减小,以两相温差为推动力的传热作用下降,故液相升温速率呈下降趋势。

      图  6  气-液两相温度变化曲线(qL=1 mL/h,TL=293.2 K,vG=1.0 m/s,TG=298.2 K)

      Figure 6.  Variations of liquid temperature and gas temperature along the falling film channel (qL=1 mL/h, TL=293.2 K, vG=1.0 m/s, TG=298.2 K)

      同时,从图6也可看出,气-液逆流操作下,液相出口温度要高于并流操作时的出口温度。这是由于,虽然降膜初始并流操作温差推动力要高于逆流,但从整个降膜过程来看,并流温差推动力要小于逆流,即对数平均温差要低。这也表明在相同的气-液进口温度下,采用逆流操作更有利于传热的进行。

      气-液两相传热过程同样会对液相成膜产生影响。图7示出了气-液逆流接触下气相入口温度改变对降液膜厚度的影响。从图中可以看出,当无两相换热时液膜厚度沿降膜段不发生改变,液膜厚度均一。当有逆向热气流作用时,沿降膜段液膜厚度逐渐降低,且这一趋势随逆向气流温度的升高而加大。这主要是由于浓硫酸的黏度随温度的升高而降低,降膜段下部液膜温度较高,黏度较小,液膜流速较大,由此造成降膜板上持液量减少,液膜厚度降低。据此表明气-液两相温度分布对液相成膜特性及气-液两相热质传递都有重要的影响。

      图  7  气相温度对液膜厚度的影响(qL=1 mL/h,TL=293.2 K,vG=1.0 m/s)

      Figure 7.  Effects of gas inlet temperature on liquid film thickness (qL=1 mL/h, TL=293.2 K, vG=1.0 m/s)

      固定气-液接触形式为逆流,图8示出了传热系数随气相入口流速及温度的变化曲线图。从图中可以看出,随着气相入口流速的增加,传热系数相应增加。由双膜理论可知,传热系数主要与气-液相界面两侧热阻大小有关。同时,该值也受到流体流动状态、物性、表面形状及大小等的影响[32]。当气体在降膜腔室内流动时,气体基本上与下降液膜成剪切运动。随着气相流速的增加,气相侧热边界层厚度减薄,热阻减小。同时,逆向气流速度的增加也会加大液相一侧波动程度,两种因素共同作用使传热系数得以提高。

      图  8  传热系数随气相入口流速及温度变化曲线(qL=1 mL/h,TL=293.2 K)

      Figure 8.  Variations of heat transfer coefficient vs. gas inlet velocity and temperature (qL=1 mL/h, TL=293.2 K)

      此外,由图8可知,随着气相入口温度的变化,传热系数呈现随气相入口温度的升高而下降的规律。在无相变的气-液两相传热过程中,由于气体导热系数小,气体侧传热阻力大。在降膜微通道中,由于特征尺度小,气体的混合湍流程度小,在一定条件下主要以层流状态逆向流动,其传热阻力大;而液膜厚度很薄,导热系数大,相对传热阻力小。因而在降膜微通道中的传热阻力主要集中于气体侧。在液相入口温度一定的情况下,气相温度的升高会使得气-液界面温度升高,气相一侧黏度相对增加,热边界层厚度变大,即传热热阻增大,传热系数降低。计算发现,以vG=2.5 m/s为例,当气相温度由298.2 K升高至303.2 K时,相界面处气膜一侧厚度增加了35.1%。继续升高温度,气膜侧厚度递增量分别为19.4%(由303.2 K升至308.2 K)和14.1%(由308.2 K升至313.2 K),可以看出递增量逐渐减小,表明气侧热阻对整个传热过程的影响变小。因此随温度增加,传热系数降低速率逐渐减小。

      图9示出了传热系数及总传热量随液相流量的变化情况。可以看出,随着液相入口流量的增加,总传热量几近呈线性增加。当液相入口流量由0.2 mL/h增加到1.0 mL/h时,液相流量增加5倍,总传热量增加4.78倍。同时,液相入口流量对传热系数的影响较大。随着流量的增加,传热系数增加的速度逐渐变缓,此与文献[33]实验现象一致。如上所述,传热系数与气相侧边界层厚度密切相关。由图5可知,液相流量增加会使得液侧膜厚增加,液膜表面更新速度加快,从而削薄了气侧边界层厚度,有利于强化对流传热。随着液相流量的持续增加,液相流速对气侧边界层厚度变化的影响逐渐降低,气侧热阻改变量变小。因此随着液相流量增加,传热系数增长速率下降。

      图  9  液相流量对传热系数及总传热量的影响(TL=293.2 K,TG=298.2 K,vG=1.5 m/s)

      Figure 9.  Effects of liquid flowrates on heat transfer coefficient and total heat transfer quantity (TL=293.2 K, TG=298.2 K, vG=1.5 m/s)

      努塞尔数(Nu)可以用来表征相间对流传热性能,如式(15)所示,:

      式中:l为传热面特征尺寸(m),这里采用降膜微通道长度;k为热导率(W/(m·K))。

      此外,气-液相间传热系数难以获得,可根据Chilton-Colburn原则由相间传质系数比拟得出[34-35],相间传热系数预测式如式(16)所示:

      式中:vrel为气-液两相相对速度(m/s),a为热扩散系数(m2/s)。

      当液相流量qL=1.0 mL/h,液相温度TL=293.2 K,气相温度TG=298.2 K时,将不同气相入口流速下所得传热系数代入式(15)得出相应Nu数,并与平板层流降膜相间Nu数预测值进行对比,对比结果如图10所示。从图中可以看出,两者趋势相同,随着气相流速的增加Nu数都逐渐增加,但本模型所得Nu数远高于宏观预测值。在所研究气相范围内,微尺度下所得Nu数比宏观Nu数预测值平均高约8.77倍,表明微通道内气-液两相传热特性要远优于宏观平板降膜传热特性。这主要是由于与宏观降膜设备相比,微通道内液膜厚度的下降显著增加了气-液界面比表面积。同时气侧边界层也会因气体空腔厚度下降和气相流速增加而降低,热质传递阻力得以减少,从而使得两相传热过程得到强化。

      图  10  气相入口流速对Nu数的影响(qL=1.0 mL/h,TL=293.2 K,TG=298.2 K)

      Figure 10.  Effect of gas inlet velocity on Nu number (qL=1.0 mL/h, TL=293.2 K, TG=298.2 K)

    • (1) 当Re为0.001 33~0.066 7和Ca为7.00×10−5~3.50×10−3时,微尺度下表面张力对液相成膜过程影响较大。

      (2) 在无气相相互作用时,下降液膜厚度主要受液相入口流速的影响,模拟结果与Nusselt预测结果吻合良好,两者之间的最大偏差小于0.5%,液膜内速度呈抛物线状增加。

      (3) 在微通道中进行气-液两相逆流的降膜流动时,传热阻力主要集中于气体侧。气相温度及气、液入口流速对下降液膜厚度及传热系数均有影响。气-液两相逆流运动时,液膜厚度沿降膜段逐渐降低,成膜厚度在50~100 μm范围内,与宏观设备降膜厚度相比,降低1~2个数量级。传热系数随气相及液相入口流速的增加而增加,随气相入口温度的增加而降低。

      (4) 在气相流速范围(0.5~2.5 m/s)内,降膜微反应器通道内模拟所得Nu数比宏观降膜设备预测结果平均高约8.77倍,表明微通道内气-液传热特性优于常规平板设备传热特性。

(10)  表(1) 参考文献 (35) 相关文章 (20)

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