单波长溶液液膜厚度测量方法.docx

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1、单波长溶液液膜厚度测量方法刘畅;田井辉;丁家琦;郭晓龙;石建伟;杨荟楠;蔡小舒【摘 要】提出基于朗伯比尔定律的未知质量分数尿素水溶液液膜厚度测量方法， 选取尿素水溶液吸取率对质量分数的变化率为 0 的波数位置(6613.25 cm1)，研制单波长半导体激光吸取光谱(DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。通过溶液液 膜厚度可调(01 mm)的标准具对该方法测量精度进展验证。利用研制的单波长DLAS 液膜测量系统对常温下水平透亮石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸发过程进展争论。争论结果说明：尿素水溶液液膜厚度测量平均相对误差约为 1.50%，3 次重复性试验厚度标准偏差小于 24.68m。在液膜蒸发初

2、期，液膜厚度随时间的变化率很大；在蒸发阶段中期，液膜蒸发速率趋于稳定；但在蒸发阶段后期，猛烈的光束转向现象造成了猛烈的数据波动。%A novel method was proposed to determine liquid film thickness of urea-water solutions at different mass fractions. The wavenumber position at 6 613.25 cm1 was chosen, where the derivative of the absorption coefficient of urea-water so

3、lutions with respect to mass concentration was zero. A single diode laser absorption spectroscopy (DLAS) sensor was developed to obtain liquid film thickness of urea-water solutions. The measurement accuracy of this method was validated with a calibration tool with which liquid film thickness can be

4、 adjusted from 0 to 1 mm. Furthermore, the evaporation process of liquid film of urea-water solutions on transparent quartz plate at room temperature was also studied. The results show that average relative error between the measured thickness and known liquid film thickness is about 1.50%,and the s

5、tandard deviation of film thickness is less than 24.68 mfor three repeated experiments. The evaporation rate of film thickness islarge at the beginning of film evaporation process, and it keeps constant in the middle of the film evaporation process. However, at the end of the evaporation process, st

6、rong fluctuation of the film thickness occurs because of the serious beam steering effect.【期刊名称】中南大学学报自然科学版【年(卷),期】2023(000)001【总页数】4 页(P286-289)【关键词】溶液液膜;测量;厚度;吸取光谱;蒸发【作 者】刘畅;田井辉;丁家琦;郭晓龙;石建伟;杨荟楠;蔡小舒【作者单位】上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海，202393;上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海，202393;上

7、海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海，202393;上海理工大学能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海， 202393;上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海，202393;上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海， 202393;上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海市动力工程多相流淌与传热重点试验室，上海，202393【正文语种】中 文【中图分类】TK31液膜在热能工程、空调制冷、航空航天、石油化工等工业中有着广泛的应用15，例如液膜流淌(膜式流

8、淌)，因其具有流量小、温差小、传热传质系数高、热流密度高、气液接触面积大、外表更快、构造简洁且动力消耗小等优点在化学工业过程中应用广泛6，如膜式蒸发、膜式气液反响等。但在某些工业过程中，须避开液膜的形成。例如汽车尾气脱硝的选择性催化复原(selectiveCatalytic reduction， SCR)系统7中汽车尾气排放管上形成的尿素水溶液液膜8，其形成的三聚氰胺等混合物简洁堵塞管路和影响催化反响效率，造成安全隐患9，因此，应尽可能掌握尿素溶液液膜的形成。总之，对液膜厚度进展争论对优化所涉及的各种工业过程具有重要的意义。近年来，国内外科研人员通过数值模拟和无干扰的测量方法对溶液液膜进展了争

9、论，如：BIRKHOLD 等9承受数值模拟法争论了尿素水溶液液膜的厚度以及质量分数；邱庆刚等1011通过数值模拟的方法分别对水平管外降膜流淌的厚度和水平管降膜蒸发液膜厚度及传热系数进展了争论。溶液液膜厚度的无干扰测量方法主要包括电学法和光学法。电学法测量膜厚是基于不同厚度液膜的电学性质(例如电阻12、电容13)不同，通过建立这些电学性质与液膜厚度的关系来猎取液膜厚度信息，电学法也须对测量结果进展标定且测量精度及其测量范围易受到液膜导电性、液膜形态等因素的影响14。而光学法测量液膜厚度则主要具有无干扰、测量结果无需标定等优点，如：GRESZIK 等1516利用激光诱导荧光技术和拉曼散射法获得了透

10、亮石英片上纯水水膜的二维分布信息，但测量结果须进展标定且设备昂贵；YANG 等1719分别利用吸取光谱法测量了液膜厚度。本文作者对不同质量分数(10%50%)的尿素水溶液吸取光谱特性进展争论，选取吸取率对质量分数的变化率(dK/dc)为 0 的波数，建立基于朗伯比尔定律的液膜厚度反演模型，研制单波长半导体激光吸取光谱 (DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。利用液膜厚度可调的标准具对该系统进展验证，通过比较液膜厚度测量值与真实值获得该系统的测量误差。在此根底上，利用该系统对常温下水平透亮石英玻璃板上的尿素水溶液液膜蒸发过程进展争论。尿素水溶液的光谱吸取率与溶液质量分数相关，图 1 所示为通过傅

11、里叶变换红外光谱仪获得的质量分数为 10%50%的尿素水溶液在近红外区域(6 0008000Cm1)的吸取率 K(v,c)20。由图 1 可见：随着尿素水溶液质量分数的增加， 吸取峰向着波数减小的方向偏移。通过求取吸取率对质量分数的导数 (dK/dc)可知： 当波数为 6 613.25Cm1 时，吸取率随质量分数的变化率为 0(这里变化率近似为0)，即质量分数变化对吸取率无影响。因此，本文选取该波长，建立不同质量分数 下的尿素水溶液液膜厚度反演模型。即基于朗伯比尔定律，假设波长为 v 时，液膜厚度 L 可表示为式中：It 和 I0 分别为透射光强和入射光强；K 为尿素水溶液在 6 613.25

12、Cm1 时的吸取率，该值为 8.03Cm1。2.1 试验验证本文利用液膜厚度可调(01mm)的标准具对单波长尿素水溶液液膜测量方法的精度进展验证。标准具内含有 2 块平行的石英玻璃板，通过调整石英玻璃板之间的距离可以转变溶液液膜的厚度。试验装置图如图 2 所示。利用激光掌握器将分布反响式半导体激光器的温度和电流掌握在恒定值，以确保输出激光波数为6613.25Cm1。激光通过准直器聚焦后穿过标准具内的尿素水溶液液膜，之后被铟砷化镓探测器(Thorlabs,PDA10CSEC)接收。试验数据的采集(采样频率为1kHz)和处理过程均在 LabVIEW 中进展。分别对室温下质量分数为 10%50%的尿

13、素水溶液液膜进展 3 次重复测量，其测量结果如图 3 所示。由图 3 可以看出：随着石英玻璃板间距的增加，不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度的测量值与真实值的相对偏差均减小，尿素水溶液液膜厚度测量平均相对误差约为 1.50%，3 次重复性试验厚度标准偏差小于 24.68 m。2.2 水平石英玻璃板上液膜蒸发争论利用研制的单波长尿素水溶液液膜测量系统对常温下水平透亮石英玻璃板上的初始质量浓度为 20%的尿素水溶液液膜蒸发过程进展争论。在试验数据开头采集前，将透亮石英玻璃板上无液膜时的激光光强记录为入射光强。在开头采集试验数据后， 利用注射器喷射尿素水溶液，从而在透亮石英玻璃板上形成液膜。图 4 所

14、示为测得的液膜厚度随时间的变化趋势。由图 4 可知：由于喷射过程中(数据采集后 011.88 s)猛烈的光束转向现象导致穿过液膜后的激光光束不能被接收光纤接收，从而造成了猛烈的数据波动；在液膜蒸发初期(数据采集后 11.88606.82 s)，液膜厚度随时间的变化率很大，此时的液膜厚度减小可能是由液膜蒸发和液膜向外集中共同引起；在蒸发阶段中期(数据采集后 606.825 754.40 s)，液膜蒸发速率根本趋于稳定(0.104 m/s)，测量厚度的浮动可能是不均匀蒸发引起液膜重组所致； 在蒸发阶段后期(数据采集后 5 754.406000.00 s)，液膜蒸发速率较大(约 0.520 m/s)

15、。大约在数据采集后 6 000.00 s，激光测量区域四周尿素已根本结晶析出， 因此，猛烈的光束转向现象再次造成猛烈的测量厚度波动，这种猛烈的光束转向现象可以在进一步工作中通过在探测器前放置积分球来消退。1) 提出了基于朗伯比尔定律的不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度测量方法，选取尿素水溶液吸取率对质量分数的变化率为 0 的波数位置(6 613.25Cm1)，研制了单波长半导体激光吸取光谱(DLAS)尿素水溶液液膜厚度测量系统。2) 利用液膜厚度可调(01mm)的标准具对该系统进展验证可知，随着标准具内液膜厚度的增加，不同质量分数的尿素水溶液液膜厚度的测量值与真实值的相对偏差均减小，测量平均相对

16、误差约为 1.50%。3) 猛烈的光束转向造成了液膜形成和蒸发后期猛烈的数据波动，但是这种猛烈的光束转向现象可以在进一步工作中通过在探测器前放置积分球来消退。4) 不同温度下尿素水溶液在近红外区域的吸取光谱会消灭偏移，下一步工作中将对本文提出方法进展优化，以实现格外温下的液膜多参数争论。【相关文献】1 陈世昌,马建平,张先明,等.竖直降液膜流淌在反响工程中的应用J.化工进展,2023,33(10): 25282534.CHEN Shichang,MA Jianping,ZHANG Xianmin g,et al.Advances in application of falling liquid

17、 film for reaction engineeringJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,33(10): 25282534.2 SUN Y Z,SONG X F,JIN M M,et al.Gas-liquid reactiveCrystallization of lithiumCarbonate by a falling filmColumnJ.Industrial EngineeringChemistry Research,2023,52(49):1759817606.3 PARKC D,NOSOKO T.Three-d

18、imensional wave dynamics on a falling film and associated mass transferJ.AIChE Journal,2023,49(11): 27152727.4 YEONG K K,GAVRIILIDIS A,ZAPF R,et al.Catalyst preparation and deactivation issues for nitrobenzene hydrogenation in a microstructure falling film reactorJ.Catalysis Today,2023,81(4): 641651

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20、er and mass transferM.Beijing:China Petrochemical Press,1991: 2532.7 SHIAEDH S.Development of multi-component evaporation models and 3D modeling of NOx-SCR reduction systemD.Toulouse: University of Toulouse.Institute National Polytechnique de Toulouse,2023: 8384.8 GIESHOFF J,PFEIFER M,SCHAEFER-SINDL

21、INGER A,et al.Advanced urea SCRCatalysts for automotive applicationsC/SAE Technical Papers.Detroit,United States: SAE WorldCongress,2023: 0514- 10514-10.9 BIRKHOLD F,MEINGAST U,WASSERMANN P,et al.Analysis of the injection of urea- water-solution for automotive SCR DeNOx-systems: modeling of two-phas

22、e flow and spray/wall-interactionC/SAE Technical Papers.Detroit,United States: SAE WorldCongress,2023: 0643- 10643-13.10 邱庆刚,吕多.水平管外降膜流淌液膜厚度数值模拟J.大连理工大学学报,2023,53(3): 359363.QIU Qinggang,L Duo.Numerical simulation of falling film thickness around a horizontal tubeJ.Journal of Dalian University of Te

23、chnology,2023,53(3): 359363.11 王海涛,陈晔.水平管降膜蒸发液膜厚度及传热系数争论J.海洋技术,2023,32(4): 8184.WANGHaitao,CHEN Ye.Study on film thickness and evaporation heat transferCoefficient of horizontal tube falling film evaporatorJ.Ocean Technology,2023,32(4): 8184.12 崔洁,陈雪莉,王清立,等.电导法测量型旋风分别器内液膜的分布规律J.化工学 报,2023,60(6):1487

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