引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型

针对液固界面相互作用对滴状冷凝传热的影响,以Rose滴状冷凝传热模型为基础,考虑接触角、脱落直径对冷凝传热的影响,对滴状冷凝过程中液滴空间序列上的构象,作时间序列上的重构,建立了包含液固界面效应的滴状冷凝传热模型.模型计算结果表明液固表面自由能差越大、接触角滞后越小则越有利于冷凝传热.为滴状冷凝文献数据间存在差异的原因提供了一个新的解释,即液固界面效应的影响.模型可计算得到在不同界面条件下的不同传热结果,模型计算结果与Rose实验值以及本文滴状冷凝传热实验较为吻合.     

滴状冷凝强化含不凝气的蒸气冷凝传热机制

为了深入考察滴状冷凝强化混合蒸气冷凝传热传质过程的作用机制,在竖直表面上设计了完全滴状（DWC）、没有液滴向下脱落运动的条形分割滴膜共存（DFC）和膜状（FWC）3种冷凝形态的实验表面。对纯蒸气及含不凝气蒸气的冷凝传热过程进行了分析和实验研究,结果表明纯蒸气滴状冷凝与滴膜共存冷凝传热特性相近;而对含不凝气的冷凝,滴膜共存表面与膜状冷凝表面的传热特性相近;不凝气摩尔分数分别为0.9%、4.8%时,滴状冷凝较其他两种形态下的冷凝传热系数提高了30%～80%。其主要原因是由于混合蒸气冷凝传热阻力主要由气相边界层控制,滴膜共存冷凝并没有使气相的扩散传质过程得到强化,而完全滴状冷凝与设计的滴膜共存冷凝的区别在于后者仅存在小液滴的合并运动而没有大液滴向下脱落和对表面冲刷过程。根据二者实验结果的分析,认为滴状冷凝的大液滴脱落运动是影响气相传质的主要因素,大液滴脱落过程对气相边界层的扰动和剪切作用强化了气液界面传热传质特性。     

固液界面接触角对膜状冷凝传热强化的初步分析

引　言冷凝有两种形态 :膜状冷凝和滴状冷凝 .当液固表面自由能差Δσ≥ 33.3mJ·m- 2 [1] ,即液体完全不润湿固体表面时 ,蒸气在表面上将呈现滴状冷凝 ,其传热系数是膜状冷凝的几倍到几十倍 .这已是公认的事实 .但是 ,当表面自由能差在 0～ 33.3mJ·m- 2 范围内时 ,表面强化冷凝传热的效果将取决于表面自由能差值的大小 ,差值越大强化效果越明显 .为了更清楚地表示冷凝传热特性随冷凝液与表面自由能差的变化关系 ,把 0和 33.3mJ·m- 2 分别作为第 1临界值和第 2临界值 .当固液表面自由能差小于第 1临界值时 ,冷凝形态为传统的膜状冷凝 .…     

强化冷凝传热管的开发研究

报道了管外和管内蒸气冷凝传热的强化管。其中，花瓣形翅片管是强化管外蒸气冷凝传热的最佳管型，交叉内螺旋翅片管则是强化管内蒸气冷凝传热的最佳管型。     

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.     

蒸汽冷凝型态的表面自由能差判据

提出了蒸汽在固体表面上冷凝方式的表面自由能差判据 ,即冷凝温度下液体表面自由能与固体表面的表面自由能差大于 33.3mJ·m^-2 时蒸汽在该表面上呈现滴状冷凝的必要条件 .当表面自由能差在 0与 33.3mJ·m^-2范围内 ,表面强化冷凝传热的效果将取决于表面自由能差值的大小 ,差值越大 ,强化效果越明显 .这对深化表面涂层强化冷凝传热的机理以及选择传热表面涂层材料具有指导意义 .通过与文献报道实验结果的比较证实 ,该判据排除了静态接触角判据中测量温度的影响 .     

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.     

混合气体在环形通道内紊流流动冷凝传热

本文研究了混合气体在垂直环形通道内紊流流动时的冷凝传热.利用现有的界面切应力、传热和传质的关联式,建立了一个易于数值计算的分析模型.用此模型对水蒸气-空气混合物计算得到的解与Stewart等人的传热实验数据及Kasprzak等人的冷凝液实验数据吻合较好.本文还发现了主流Re数和半径比r对混合气体在环形通道内流动冷凝有显著的影响.     

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.     

强制对流冷凝传热强化

研究了强制对流条件下，非共沸混合工质Ｒ１１／Ｒ１１３在三排水平直列光滑管及花瓣形翅片管束外的冷凝传热。实验结果表明：花瓣形翅片管由于具有特殊的三维翅片结构，既能激发流动的蒸气产生强烈地湍流，减小其气膜热阻，又能充分发挥冷凝液表面张力的作用，减少其液膜热阻，从而显著地强化了非共沸混合工质在管束外的冷凝传热。在相同热流率下，其管束平均冷凝传热系数是光滑管管束的３～５倍。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。