冷凝液运动行为强化含有不凝气的蒸汽冷凝过程研究

基于场协同机制,对强化含有不凝气体的蒸汽冷凝过程的速度场与浓度梯度场协同作用进行了理论分析,提出利用冷凝液动态行为所产生的气液界面效应来强化混合蒸汽冷凝传热特性新思路.为进一步验证界面效应对气相传质扩散过程的影响,在不凝气摩尔含量为10%以内的混合蒸汽层流流动条件下,对冷凝液沿冷凝表面流动的常规膜状冷凝和冷凝液以液滴滴落方式定向脱离表面的两种排液方式下的膜状冷凝、冷凝液脉动的锯齿形滴膜共存冷凝和完全滴状冷凝四种模式下的冷凝传热特性进行了对比实验,比较分析了冷凝液运动行为影响传热特性的实质.实验结果表明,在不需要增加能耗的情况下,利用重力作用下冷凝液的运动行为产生的剪切作用和附加速度场,对气相边界层内的扩散传质过程能够产生协同作用,可以达到传热传质的无源强化效果.     

表面分割方式对滴膜共存冷凝传热特性的实验研究

实验研究了滴膜面积比为1：1且滴状区域采用较厚的有机涂层时，垂直管外滴膜共存表面的滴膜区域分割方式对冷凝传热特性的影响。结果表明，在表面分割方式一定时，滴膜共存表面的冷凝传热性能随着表面分割数的增加而增加，但总仍是介于全部表面为滴状冷凝和全表面为膜状冷凝型态之间的传热特性。分析表面分割数分别为2和4的滴膜共存表面的传热结果，发现凝液环的缓冲作用对于滴膜共存表面的冷凝强化传热具有重要作用。滴膜共存表面上滴状冷凝区面积对其下游膜状冷凝传热的影响不仅与滴膜区域的面积比有关，而且实验操作条件也有一定的控制作用，且两者之间存在最佳匹配值，即此时的强化传热效果最好。     

滴膜共存表面强化冷凝传热

<正>滴状冷凝具有很高的传热速率,其冷凝传热系数是膜状冷凝的几倍至几十倍,但是,由于长期维持滴状冷凝表面制备技术的限制,该技术距工业化应用还有一定的距离,在滴状冷凝的研究过程中,经常发现滴膜共存冷凝现象,而且传热系数较普通的膜状冷凝有较大的提高,在以往的实验研究中,往往不能肯定地排除蒸汽中有机杂质的影响,滴膜共存表面的实验研究也间接地证实了蒸汽中是不含有机杂质的,滴膜共存表面也是强化冷凝传热很实用的技术,是滴状冷凝传热过程全面工业化的过渡阶段.所以,研究滴膜共存表面强化冷凝传热的特性具有重要的理论意义和实用价值.Kumagai等报道了在竖平面上垂直分割的滴膜共存表面上冷凝传热的实验.结果表明,当滴状冷凝区和膜状冷凝区的面积比为1:1时,平均热负荷要高于在通常表面上滴状冷凝和膜状冷凝热负荷的算术平均值,而且平均热负荷与表面分割方式和分割数目有关.他们在一种特殊分割形式的表面上得到的最大热负荷高于当全部表面为滴状冷凝时的最大热负荷.     

基于滴膜共存理论热虹吸管冷凝段传热模型

引入滴膜共存冷凝传热理论分析管内存在滴状冷凝的热虹吸管冷凝段传热,将热虹吸管冷凝段传热表示为滴状区和膜状区传热之和建立传热模型。滴状区,以Rose冷凝传热模型计算单个液滴的传热,基于随机分形理论建立了液滴的空间和尺度分布函数,进而求解整个滴状区的热通量。膜状区,根据Nusselt竖壁层流膜状凝结理论进行热通量的计算。通过沟流级别计算滴状区和膜状区的面积比率,从而建立滴膜共存冷凝传热模型。传热模型计算结果与实验结果较为吻合,能够反应热管冷凝段传热本质。     

超疏水表面蒸汽及含不凝气蒸汽滴状冷凝传热实验分析

通过紫铜基表面上制备两种具有微纳米结构的超疏水表面以及相同化学修饰的光滑疏水表面,实验研究了各表面上空气环境下水的润湿特性以及在纯蒸汽、蒸汽-空气混合气体环境下,表面的滴状冷凝传热特性和冷凝液滴的运动和润湿特性。结果表明:纯蒸汽滴状冷凝条件下,超疏水表面的传热性能明显低于光滑疏水表面的传热性能;含低浓度不凝气蒸汽冷凝环境下,超疏水表面传热性能与光滑疏水表面相近;蒸汽冷凝环境中,超疏水表面上液滴的接触角明显低于其在空气条件下接触角,并且接触角滞后增大。分析得到,微纳米结构的存在使冷凝过程液滴的接触角滞后增大,微纳米结构中冷凝液滞留增加的壁面热阻等抑制了滴状冷凝传热性能;并提出了蒸汽及含不凝气蒸汽冷凝环境中液滴在超疏水表面上的润湿模式。     

Ni-P化学镀层表面实现滴状冷凝传热

为了探索能实现滴状冷凝传热的表面制备技术,采用化学镀技术在碳钢表面制备非晶态Ni-P化学镀层,对其冷凝传热性能进行了实验研究。结果表明,Ni-P化学镀层表面常压水蒸气下实现了完全的滴状冷凝传热,表面热通量和传热系数均比膜状冷凝Nusselt理论计算结果提高了3～5倍。同时发现,镀层的非晶态是实现滴状冷凝传热形态的主要原因,经过热处理晶化后,表面形成的是滴膜共存的冷凝传热形态,冷凝传热强化效果显著降低。     

固液界面能差效应与冷凝传热强化研究进展

综述了固液界面能差效应强化冷凝传热的新机制及其对纯蒸气及含不凝气的蒸气冷凝传热过程影响的理论和实验研究进展.阐述了引入固液界面能差效应后的膜状冷凝、滴状冷凝和过渡状冷凝传热模型,及模型与实验数据的对比结果.介绍了利用固液界面效应强化纯蒸气和含不凝性气体的混合蒸气冷凝传热的强化技术.     

微纳结构超疏水表面参数影响含不凝气蒸汽冷凝传热的理论分析

超疏水表面结构参数对滴状冷凝传热性能、液滴生长和分布均会产生影响。首先利用竖直壁面液滴的受力平衡确定了不凝气条件下蒸汽冷凝过程中液滴的脱落半径,随后建立了含不凝气蒸汽滴状冷凝的传热模型,研究了不同不凝气浓度和过冷度下超疏水表面微柱的柱间距对滴状冷凝传热性能的影响,得到了使超疏水表面冷凝传热性能达到最佳的柱间距值,并对其随不凝气浓度和过冷度的变化规律进行了分析。结果表明在所研究的过冷度范围内,当不凝气浓度较低时（<20%）,最佳柱间距随不凝气浓度升高而增大;而当不凝气浓度高于20%时,最佳柱间距随不凝气浓度升高而减小。为驱动含不凝气蒸汽冷凝传热性能的超疏水微纳结构参数的优化提供了必要的基础数据。     

组合表面调控液滴特性强化蒸汽冷凝传热

制备了具有不同疏水区宽度和面积分率的疏水-亲水间隔规则排列的组合表面。观测常压蒸汽在组合表面上冷凝时疏水区液滴的特性(液滴移除方式和最大液滴半径),利用格子Boltzmann方法模拟组合表面上凝液的运动。考察疏水区、亲水区宽度和表面过冷度对组合表面强化蒸汽冷凝传热的影响。利用滴状-膜状组合传热模型分析组合表面蒸汽冷凝传热性能的影响因素,并与实验结果比较。发现疏水区液滴自发地向亲水区定向迁移,精细设计的组合表面可以实现蒸汽滴状冷凝传热的强化,实验中强化因子可达1.20。疏水区宽度约为0.55 mm时组合表面的传热性能最大。表面过冷度越大,组合表面强化传热的效果越差,模型分析与实验结果吻合良好。     

表面自由能差对乙醇-水混合蒸气冷凝传热特征的影响

实验研究了常压下不同浓度的乙醇-水混合蒸气的冷凝传热过程.发现在不同的乙醇含量和过冷度条件下,冷凝形态呈现膜状、过渡态和滴状的变化.相应传热系数也发生变化.基于该冷凝过程实质为薄液膜表面上的冷凝过程,以及蒸气冷凝传热系数随表面自由能差渐进变化的机理,首先确定了其表面自由能差为液-液表面自由能差,并以此解释了乙醇-水混合蒸气冷凝过程传热特性的变化规律.研究表明,随着冷凝液与薄液膜二者的表面自由能差的增大,冷凝传热系数逐渐增大,并且冷凝形态发生变化,当表面自由能差小于(14±1)mJ·m-2时为膜状冷凝,大于(21±1)mJ·m-2时为滴状冷凝,介于二者之间时为过渡状态.     

Filmwise Condensation Heat Transfer Enhancement with Dropwise and Filmwise Coexisting Condensation Surfaces

Six surfaces were prepared with defferent surface division patterns for the experimental investigationof steam condensation heat transfer characteristics for dropwise and filmwise coexisting(DFC)condensationsurfaces under atmospheric pressure Dropwise condensation(DWC)was promoted with an ultrathin polytetrafluoroethylene(PTFE)film,which was prepared by the dynamic ion-beam mixed implantation(DIMI)method.The results showed that the condensation phenomena at the intersection between the dropwise andfilmwise condensation regios were quite different for different relative positions of the dropwise and filmwisecondensation regions.The experimental results revealed that the condensation heat transfer characteristics werehighly influenced by the surface division number and the relative area ratio of the dropwise and filmwise conden-sation regions.The impact of thesc findings on heat transfer enhancement mechanism for condensation heattransfer is discussed in detail.     

梯度表面能材料表面上滴状凝结换热

采用气相沉积（CVD）的方法，以十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质，制备了梯度表面能材料表面。对空气中水滴在水平梯度表面能材料表面上的运动现象和表面倾角为0°、30°、60°和90°情况下，梯度表面能材料表面上的水蒸气滴状凝结换热进行了可视化实验，研究了凝结液滴的长大、聚并、运动和脱落现象。结果表明：直径大于1 mm的凝结液滴峰值运动速度达到110 mm·s-1，远大于空气中液滴的运动速度。通过图像分析，分别讨论了壁面过冷度、凝结表面倾角和表面能梯度对换热和液滴运动的影响。结果表明：随着壁面过冷度的增加，凝结表面传热系数先增加后减小；当凝结表面倾角大时，由于重力作用加大，凝结表面传热系数也高；当表面能梯度较大时，运动液滴尺寸更小，速度更快，凝结表面传热系数更高。     

钛-水二相闭式热虹吸管传热性能研究

对钛-水二相闭式热虹吸(Ti/H2O TPCT)管进行了传热性能实验研究,并与相同规格的碳钢-水二相闭式热虹吸管进行了对比。实验数据表明:2种热虹吸管蒸发段换热系数差异很小,均可用Imura关系式进行模拟计算;钛-水热虹吸管冷凝段换热系数为碳钢-水热虹吸管的2—4倍之多,且不服从经典的Nusselt竖直壁面膜状冷凝理论公式。通过分析得到产生这种现象的主要原因是水蒸气在钛、碳钢表面的冷凝机理有所不同,在碳钢表面为完全的膜状冷凝,而由于钛表面能比较低,水蒸气在钛材表面为滴状冷凝和膜状冷凝共存的混合冷凝形式。     

硅橡胶膜滴状冷凝强化传热管的制备

实验采用涂覆-热处理法制备了4种硅橡胶膜滴状冷凝强化传热管。其中白炭黑-硅橡胶强化传热管的表面水接触角为137.19°,其冷凝传热系数比相应的膜状冷凝提高了3.1～3.3倍,表面温差大约是相应膜状冷凝的1.3～1.4倍。     

分割表面对蒸汽滴状冷凝传热特性的影响

实验测定了相同操作条件下涂层表面1:1分割前后水蒸汽冷凝传热通量与表面过冷度的关系,对分割表面上滴膜共存冷凝进行了研究,结果表明,分割表面上滴膜共存时的热通量比全部为滴状和膜状冷凝表面热通量的平均值大,且其差值随处理表面上接触角的增大而增大. 从固液界面效应的角度对该现象进行了分析,并解释了其原因.