自然工质R290与R22滴状凝结换热特性的对比分析

通过对自然工质R290与传统工质R22滴状凝结换热特性的对比分析得出,表面过冷度要远大于蒸气饱和温度对直接凝结长大小液滴的最小半径和临界半径的影响,过冷度越大,小液滴半径和临界半径越小,R290的小液滴半径和临界半径与R22的相比相差不大。通过R290与R22制冷工质单个液滴的传热量随着接触角的增加呈现出先增加后减小的变化趋势,存在最大值。通过单个液滴的传热量随着表面过冷度的增加而增大,随着饱和温度的升高而减小,通过R290单个液滴的传热量要明显大于通过R22单个液滴的传热量。通过R290与R22滴状凝结换热表面的热通量随接触角的变化具有最大值,存在最佳的接触角。R290滴状凝结换热的热通量要明显大于R22滴状凝结换热的热通量。     

水-酒精混合蒸气的管外凝结

在不同蒸气压力,相同蒸气流速条件下,完成了不同酒精浓度的混合蒸气在不同管径的竖直管外凝结换热实验。凝结换热特性曲线显示了相似的特性：随着酒精浓度的增加,凝结传热系数显著下降;随着表面过冷度的增加,凝结传热系数显示出有峰值的非线性特点。在相同条件下,半径为5 mm管外的凝结传热系数峰值出现在较大过冷度范围内,且峰值高于在半径为10 mm管外的凝结传热系数峰值。当蒸气压力为84. 52 kPa,流速为2 m·s^-1时,酒精浓度为1%的混合蒸气在半径为5 mm竖直管外凝结传热系数最高达150 kW·m^-2·K-¹,约为水蒸气的8倍。此外,根据记录的凝结形态,珠状凝结出现在很广的浓度以及过冷度范围内。     

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。     

超声波场中蒸汽气泡凝结过程及传热特性

利用高速摄像仪记录有、无超声波时注入过冷水中蒸汽气泡的凝结过程,以分析超声波对蒸汽气泡凝结过程及传热特性的影响。结果表明:在超声波场中,蒸汽气泡表面会形成晶格状毛细波,有效增加气泡表面积,并加强气泡周围流体热边界层扰动,从而导致凝结换热的强化及气泡凝结速度加快。基于15～60 K过冷度下,有、无超声波时较大蒸汽气泡凝结的实验数据,拟合得出有、无超声波时的气泡凝结换热经验关联式,预测误差在±30%以内。     

前置式超声速旋流分离器设计与凝结特性分析

针对天然气在长距离管道输送过程中,所含水蒸汽杂质会凝结成液态水的问题,通过运用动力学原理与液滴成核生长理论,开发设计了一种全新的前置式超声速旋流脱水装置。利用CFD中的用户自定义接口建立了含湿天然气的凝结流动模型,数值分析了装置内部的马赫数、过冷度、液滴成核率、液滴半径和湿度等关键凝结参数的变化规律。结果表明:所建立的三维含湿天然气的凝结流动模型可以真实描述超声速旋流分离器中的流动变化规律,为以后装置的工业应用和下一步提高分离效率提供了理论参考。     

水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态

设计搭建了水平表面上凝结实验系统,利用高速摄像机对水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态进行观察记录,获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对凝结形态的影响规律。采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理,统计得到了作为定量表征Marangoni凝结形态参数之一的最大液珠半径的变化规律。研究结果表明：凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈,液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程,最终凝结形态基本保持不变,液珠成长时间数量级约为10 s。在凝结的初始阶段,当过冷度较大时,膜状凝结与珠状凝结同时存在于凝结表面;随着过冷度降低,小液珠数目增多;过冷度继续降低,凝结面全部被大量小液珠所覆盖。随着初始过冷度降低、酒精蒸气浓度增高,凝结液珠成长时间增长,液珠的生长速度变慢。蒸气流速对液珠的成长过程影响相对不明显。随着凝结进行,最大液珠半径从2 mm增大到10 mm的数量级;同一凝结时刻,随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低,最大液珠半径逐渐增大。     

H2O-CO2、H2O-N2、H2O-He水平管外自然对流凝结换热特性研究

不凝性气体制约换热设备安全和系统效率,为研究不凝性气体-蒸气于水平管外自然对流凝结换热机理和特性,实验测量了不凝性气体He、N₂、CO₂质量分数分别为1.16%~18.18%、7.56%~60.86%、11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~101 kPa的H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂自然对流条件下水平管外凝结换热特性,对比分析了H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂的不凝性气体质量含量、壁面过冷度以及压力因素的影响。压力和壁面过冷度一定,相同质量分数时,实验凝结传热系数与Nusselt理论解的比值(Q/Q_Nu)由大到小依次为：H₂O-CO₂、H₂O-N₂、H₂O-He;相同摩尔分数时,Q/Q_Nu由大到小依次为：H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂。相同总压力和不凝性气体质量分数时,H₂O-He的Q/Q_Nu随着壁面过冷度的增加下降最为缓慢。相同不凝性气体质量分数和壁面过冷度时,H₂O-He的Q/Q_Nu值最小,其受压力影响最为显著。     

H2O-CO2、H2O-N2、H2O-He水平管外自然对流凝结换热特性研究

不凝性气体制约换热设备安全和系统效率,为研究不凝性气体-蒸气于水平管外自然对流凝结换热机理和特性,实验测量了不凝性气体He、N₂、CO₂质量分数分别为1.16%~18.18%、7.56%~60.86%、11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~101 kPa的H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂自然对流条件下水平管外凝结换热特性,对比分析了H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂的不凝性气体质量含量、壁面过冷度以及压力因素的影响。压力和壁面过冷度一定,相同质量分数时,实验凝结传热系数与Nusselt理论解的比值(Q/Q_Nu)由大到小依次为：H₂O-CO₂、H₂O-N₂、H₂O-He;相同摩尔分数时,Q/Q_Nu由大到小依次为：H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂。相同总压力和不凝性气体质量分数时,H₂O-He的Q/Q_Nu随着壁面过冷度的增加下降最为缓慢。相同不凝性气体质量分数和壁面过冷度时,H₂O-He的Q/Q_Nu值最小,其受压力影响最为显著。     

不同蒸气压力下Marangoni凝结换热特性

在蒸气流速4 m·s^-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2.28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5.1%和9.8%时凝结换热系数随压力的增加明显.     

Marangoni凝结形态的影响因素

用实验方法研究了宏观温度场对一定浓度范围内的水-酒精蒸气混合物的Marangoni凝结的影响。根据拍摄记录的图片,观察到了膜状、珠状、珠状带块状、波动条纹状、溪状和珠状带溪状6种凝结形态。发现并非所有的凝结形态都出现在每个工况中,而且有些凝结状态之间并没有严格的界限。凝结形态随过冷度、浓度、流速、压力和表面温差的不同会发生变化,尤其是过冷度和浓度对凝结形态的影响最大。凝结形态与其对应的凝结表面传热系数有紧密的联系：在相同的实验条件下,当凝结表面传热系数出现峰值时,其对应的凝结形态均为珠状凝结。当凝结表面传热系数较低时,其对应的凝结形态为膜状凝结或较大液块凝结。最后对平块和斜块的Marangoni凝结形态进行了对比分析：可以看出斜块凝结面上液珠比较混乱,凝结形态不能简单地归结为珠状、条状、环状、平膜状和带起伏的膜状中的一种,一般是各种凝结形态都有一部分,或者说居于各凝结形态的中间过渡态。     

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。     

中等过冷度下含不凝性气体蒸汽冷凝传热特性

通过对竖直圆管外表面含不凝性气体蒸汽在中等壁面过冷度条件下的冷凝传热实验研究,分析了混合气体压力0.4～0.6 MPa、空气含量0.07～0.52以及壁面过冷度13～25℃时,蒸汽的冷凝换热特性,给出了冷凝传热过程中的经验关联式,并对氦气的存在及其对换热过程的影响进行了初步分析。结果表明：在混合气体压力及不凝性气体含量不变的条件下,壁面过冷度的降低利于冷凝传热系数的增长;所得到的经验关联式在低过冷度条件下能较好地对换热过程进行预测,且其与实验值的误差在±15%以内;实验条件下未发生氦气分层现象,相同不凝性气体质量分数条件下,氦气的存在会使冷凝传热系数降低约20%。     

聚四氟乙烯薄膜表面滴状冷凝传热实验研究

为了探索实现滴状冷凝传热的新表面涂层 ,采用离子束动态混合注入技术制备了紫铜基聚四氟乙烯(PTFE)薄膜 ,显著地提高了水蒸气冷凝传热性能。实验表明 ,该表面涂层能够实现常压水蒸气稳定的滴状冷凝形态 ,在表面过冷度 9.8— 1 4 .2K范围内 ,滴状冷凝传热通量和传热系数比膜状冷凝结果提高 30—47倍。同时发现 ,在大气压附近 ,热通量和冷凝传热系数都随着水蒸气蒸汽温度的增加而增加 ,但表面过冷度随蒸气温度增加呈弱增加趋势     

疏水表面结霜初期液滴生长的理论分析

研究了自然对流条件下疏水表面结霜初期冷凝液滴的生长过程, 建立了考虑不凝气影响的液滴传热及生长模型, 分析了表面接触角和冷面温度对液滴生长的影响。结果表明, 液滴生长过程中的主要热阻为液滴内部导热热阻和相界面热阻, 随着表面接触角的增大, 这两个主要热阻均增大, 因此表面疏水性越好, 液滴生长越缓慢;而由于冷凝传热温差随冷面温度降低而增大, 因此冷面温度越低, 液滴生长越快。     

滴状冷凝中液滴的脉动规律及分形分布模型中相邻两代液滴半径比参数

分析研究了滴状冷凝实验过程中液滴的随机运动行为以及液滴分布的分形特征,发现液滴的运动和分布与接触角及接触角滞后有关.得到了液滴分形分布模型中相邻两代液滴半径比与接触角滞后的关系式,该式计算结果与实验结果十分吻合.实验结果表明,在存在接触角滞后的表面上,液滴以脉动方式长大,导致液滴分布呈离散分代分布,并且,液滴脉动行为还受诱导因素的影响,在较强诱导因素作用的冷凝过程中,液滴分代呈明显的台阶分布;反之,在较弱的诱导条件下,分代特征不明显.液滴受接触角滞后影响而发生的脉动行为还表现为液滴偶然与随机的弹射.在液滴频繁脉动形成分代分布特征的过程中,液滴由接触角为前进角状态脉动到等体积下接触角为平衡角状态的可能性较大.     

过渡状态冷凝传热模型

引入沟流级别的概念解释过渡状冷凝形态的形成特征,并在此基础上,将过渡状冷凝传热表示为通过滴状区与沟流区上的传热之和,建立了反映界面效应影响的过渡状冷凝传热模型.设计了人工形成沟流形态的冷凝表面,其实验结果与模型计算结果吻合;模型计算也与实际自然形成沟流冷凝形态的传热过程吻合.模型对滴状区的传热计算,以液滴分布时间序列构象模型为基础,并将滴状区最大液滴与沟流级别相关联,得到与界面效应相关的滴状区传热模型;沟流区传热计算,以在一定厚度液膜上的冷凝传热模型为基础,并根据沟流形态模型,求出液膜厚度与沟流区所占面积分率.模型描述了过渡状冷凝形态形成特征以及过渡状冷凝传热系数随表面自由能差渐进变化的规律.