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 .…     

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.     

惰性粒子振动流化床中膏状物料干燥

报道了采用带浸没加热管的惰性粒子振动流化床干燥膏状物料的实验研究结果。考察了加料速率、振动条件、进气温度、进气速度、加热管功率等参数对干燥过程的影响,提出采用体积传热系数来评价干燥器传热性能,并得出了计算体积传热系数的准数关联式。结果表明,在流化床中增设振动和浸没加热管装置,能大大强化传热、传质,干燥器热效率达60%,干燥强度超过300 kg·m^-3·h^-1,体积传热系数可达25 kW·m^-3·K^-1,激光粒度分析仪的测定结果表明产品的粒度分布范围较窄,该流化床干燥可以直接得到平均粒径为0.35 μm、比表面积为5.024 m²·g^-1的粉状产品。     

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     

高热流条件下超临界压力煤油流过小直径管的传热特性

探讨了超临界压力下煤油流过内径为 1.70mm的不锈钢管的传热特性 .实验在压力为 5、 15MPa ,质量流率为 85 0 0～ 5 10 0 0kg·m^-2 ·s^-1和热负荷高达 5 5 .0MW·m^-2 的参数范围内进行 .结果表明 :在内壁温达到拟临界温度时有拟沸腾现象发生 ;进一步提高热负荷会发生传热恶化 ,加入添加剂能提高临界热负荷 ;在极高热负荷下还会发生第 2次传热强化 ,限制了传热恶化的壁温飞升 .给出了煤油的强制对流传热关联式 ,计算值和实验值吻合良好 .     

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.     

HC290含油混合物水平微肋管内的流动凝结压降

实验测定了HC290含油混合物水平微肋管（长2 m,最大内径11.44 mm）内流动凝结过程的压降,实验中所用润滑油是一种制冷系统中广泛应用的润滑油Suniso 3GS,润滑油浓度范围为1.95%～5.28%;所用微肋管为内表面强化管,肋数60,肋高0.25 mm,螺旋角20°,实验所取冷凝温度为40～45 ℃,质量通量范围为40～240 kg&#8226;m^-2&#8226;s^-1.结果显示实验段内冷凝压降(入口质量含汽率为1,出口质量含汽率为0.1～0.25)随工质质量通量的增加而迅速增大,润滑油浓度对冷凝压降几乎没有影响.同时在对Kaushik和Azer压降计算关系式修正的基础上得到了适用于本实验的相应经验关系式.     

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.     

共价接枝蛋白分子改善聚苯乙烯生物填料表面性能

采用氧化和接枝蛋白分子的方法,在聚苯乙烯生物填料表面提高了原有亲水性基团的比例,同时引入了新的亲水基团和细胞识别位点.对比氧化、未氧化直接接枝、氧化后接枝3种处理方法,发现表面能分别从42 mJ·m^-2提高到74.77、119.5、172.3 mJ·m^-2;C—C键比例分别下降了26.56%、18.64%和32.21%,C—O键比例分别提高了17.78%、16.35%和25.56%,并且新增加了—(C=O)—O—、—(C=O)—NH等有亲水性质的化学键;利用配制模拟废水对氧化后接枝蛋白分子填料进行动态培养生物挂膜试验,结果表明改性后的填料生物膜初期附着速率和增长量明显高于未经改性的生物填料.     

金属基底超疏水表面制备技术发展及滴状冷凝强化传热应用展望

蒸汽冷凝过程在石油化工领域有着广泛的应用,滴状冷凝传热模式相比于传统的膜状冷凝方式其传热系数与传热效率大大提高,可作为节约能源和高效利用资源的重要手段。随着金属基底超疏水表面制备技术的发展,蒸汽滴状冷凝研究的不断深入,为滴状冷凝强化传热在工业上应用提供了理论依据和制备方法。介绍了近年来金属基底超疏水表面制备技术发展,评述各方法的特点,提出滴状冷凝强化传热工业化应用所面临的问题。     

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。     

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.     

超薄聚合物表面与滴状冷凝的研究

采用等离子体聚合技术在黄铜管外表面制备了六氟丙烯、六甲基二硅氧烷的超薄聚合物薄膜,实现了水蒸气的滴状冷凝.对不同冷凝表面的传热性能进行了实验测定,并对聚合膜的表面性能进行了测试和估算.分析讨论了聚合工艺条件对滴状冷凝传热及膜与基材粘着性能的影响.     

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。     

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.     

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。     

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.     

基于分子运动学的水汽在细颗粒表面异质核化的数值模拟

为研究过饱和水汽在细颗粒表面异质核化特性,准确预测成核参数,基于分子运动学异质核化理论建立了过饱和水汽在燃煤细颗粒表面异质核化的运动学模型。数值分析了液滴晶核长大过程中水汽分子和水分子两种扩散凝结机制对晶核长大的促进作用及其相对重要性,数值预测了水汽过饱和度和宏观接触角对成核速率的影响;数值计算了不同温度和宏观接触角下细颗粒的临界过饱和度。结果表明：当液滴晶核尺寸小于临界晶核半径时,颗粒表面吸附水分子扩散凝结速率与水蒸气分子直接扩散凝结速率的比值大于100,颗粒表面吸附水分子的扩散凝结机制对晶核长大起主导作用。提高水汽过饱和度或减小宏观接触角均可显著提高液滴晶核的成核速率;成核速率随水汽过饱和度增大呈指数型增长。提高气相主体中水汽温度或减小细颗粒物的宏观接触角均可显著降低异质成核的临界过饱和度;对于粒径小于0.1 μm的细颗粒物,随着细颗粒粒径的增大,异质核化的临界过饱和度显著减小。     

在复合镀层表面上实现滴状冷凝传热的研究

研究了采用Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合镀层表面实现水蒸气滴状冷凝的新方法。在对Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合电镀工艺研究的基础上，进行了水蒸气在无镀层的黄铜板表面和有复合镀层表面的冷凝传热的对比实验。实验结果表明，在Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合镀层表面上可实现水蒸气的滴状冷凝，有着显著的强化冷凝换热效果。