水平管降膜厚度的电导探针测量方法

　　水平管降膜蒸发技术由于其换热性能优越、流动阻力小、动力消耗小、热效率高并可以有效利用锅炉余热或其他低位热能等优点，被广泛应用于海水淡化、制冷、石油化工等行业[1].

　　在流体降膜传热传质的过程中，管外液膜厚度是表征降膜流动特性的重要参数，不仅能够反映出液体的流动状态，而且直接影响水平管降膜蒸发器的换热性能. 此外，通过预测液膜厚度也可以防止传热管外壁发生局部干涸. 因此，研究液膜厚度对于进一步揭示管外降膜蒸发传热机理具有重要意义.

　　Nusselt[2]研究了垂直和倾斜板以及圆管周向的冷凝问题，提出了经典的表征冷凝液膜厚度的分析解，即

　　式中: μ———液体黏度;

　　Γ———质量流速的一半;

　　ρG、ρL———气体和液体密度;

　　β———周向角度.

　　在解析中，Nusselt 作了一定的简化假设，从而与实际过程产生了较大的偏差.

　　由于水平管降膜过程中液膜分布随水平管周向角度变化而变化，周向液膜厚度的测量难度较大，因此，目前的研究相对较少[3]. 近年来大多数学者偏重于竖直或水平一维方向上液膜分布的测量. Dukler 等[4]采用电容法对垂直平板降膜过程液膜厚度进行了测量，工作介质的介电常数会随温度、湿度等参数变化而容易产生误差; Lu 等[5]用超声波技术来测量 R113 和 FC-72 在水平矩形管道内冷凝过程的液膜厚度，声波波长的选择对测量影响很大; Zhang 等[6]采用光学成像的方法对竖直圆管降膜过程进行了研究; 阎维平等[7]利用高速摄像法获得了不同雷诺数下竖直圆管下降液膜的瞬时流态图像，给出了平均液膜厚度和雷诺数间的关系式; 另外，微波技术等[8 -9]也被用于测量一维方向上的液膜厚度. 然而，上述几种方法测量系统复杂，所需设备较多，对于水平管降膜测量而言又受管间距的限制，设备很难实现大角度范围测量，因此，存在很大的局限性. 本文根据气液两相流界面的物理特性设计了电导探针系统，测点位置可沿周向角度自由布置，从而获得了水平管周向液膜厚度的分布规律，并证明了这种方法是切实可行的，为电导探针技术应用到薄膜流动特性研究做出了有益的尝试.

　　1 测量原理和装置

　　1. 1 测量原理

　　液膜测厚的基本原理是依据被测气相和液相的电导率的差别，即当探针尖部接触空气时，由于空气电导率极小，测量电路不导通，因此，输出低电位; 而当探针尖部接触到水时，由于测量电路导通，因此，输出高电位. 测量电路采用 24 V 直流电源供电，采集到的电流信号通过转换电路和放大电路变成电压信号，并在示波器上显示，以确定液膜的界面，如图 1 所示.