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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

节流阀中己烷凝结流动数值模拟

建立了自发凝结和异质凝结流动统一的数值模型,研究了存在外界凝结核心时天然气中己烷蒸气的节流凝结性质,并对初始颗粒半径、初始颗粒浓度、背压比和总温等因素对己烷凝结性质的影响进行了分析.计算结果表明,己烷在节流后很短距离内凝结,凝结时间很短;己烷自发凝结的极限过饱和度很高;外界核心引起的异质凝结比较显著时会抑制自发凝结,使...     

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。     

固体冷表面上液滴凝结过程分析

液滴凝结的换热方式在航空航天工程、蒸汽动力工程、化学工程等工业领域有着广泛应用,滴状凝结更利于强化换热,大多研究专注于单个液滴凝结过程的研究,本文对液滴凝结群的性状特征进行研究,通过可视化的试验设备观察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝结过程,探究在不同过冷度以及相对湿度情况下冷表面上液滴凝结过程的变化规律。试验结果表明：相对湿度较过冷度来看对液滴凝结速率影响最大;第1代液滴数量随凝结时间呈正态分布,不同过冷度下液滴数量峰值出现时间为180~480s,均集中在1.0×10¹²~1.6×10¹²区间,高相对湿度下液滴合并时间短,更快进入第2代液滴凝结过程;第2代液滴形成过程中,不同相对湿度下高过冷度液滴数量峰值均高于低过冷度,80%RH时过冷度24K是22K的近2倍;面积率峰值均集中在75%~82%区间,稳定后面积率在65%~85%之间波动。在工程实际中在对液滴状态特定需求下进行环境条件的选取以及对应环境条件下对液滴特性的预测判断具有指导意义,提高冷凝换热设备的换热性能对节约能源、原材料和保护环境等方面具有积极意义。     

超细飞灰对烟气酸露点与酸凝结的影响研究

准确预测燃煤锅炉尾部烟气的酸露点和酸凝结对深度降低排烟温度、保障尾部换热设备的安全高效运行十分重要。尾部烟气中存在的飞灰颗粒对酸露点和酸凝结液滴的发生有很大影响,不可忽略。考虑烟气中超细飞灰颗粒对酸露点和酸凝结的影响,提出了飞灰粒径对考虑局部凝结质量传输效果的酸露点和酸凝结迭代计算方法,实现了酸露点和壁面温度下酸凝结的准确预测。当飞灰粒径低于中肯半径（r_ash0）时,飞灰粒径对凝结率有显著影响;随着飞灰粒径的降低,硫酸蒸气、水蒸气以及酸液凝结率明显增加,尤其是硫酸蒸气凝结率;飞灰粒径越小,凝结越易发生。然而,过冷度超过30℃时,烟气中超细飞灰颗粒对低温壁面酸凝结的影响可以忽略不计。烟气携带而不被低温壁面捕获的凝结酸液量较少,烟气中超细飞灰颗粒对烟气酸蒸气的降低作用可以忽略不计。理论计算方法为分析现场酸-灰作用积灰层提供理论依据,对于优化燃煤锅炉尾部烟道的安全高效运行有重大指导意义。     

高温气体与过冷液直接接触凝结制冷循环的性能分析

提出制冷压缩机排出的高温高压制冷剂气体与制冷剂过冷液体直接接触凝结换热的新型制冷循环,结合自然工质氨的热力特性,分析直接接触凝结制冷循环的热力性能,并与常规双级压缩和单级压缩制冷循环的性能进行对比,得出：随着主循环饱和液温度的升高,直接接触凝结制冷循环的性能系数先增大后减小存在最大值,冷凝器散热量先减小后增大存在最小值,流过蒸发器的制冷剂质量流量逐渐增大。在相同蒸发温度和冷凝温度下,当过冷液体的过冷度为20℃时,较常规双级压缩制冷循环,直接接触凝结制冷循环的性能系数提高4.92%,冷凝器散热量减少6.65%,蒸发器的制冷剂质量流量减少7.2%～7.9%;当过冷液体的过冷度为5℃时,较常规单级压缩制冷循环,直接接触凝结制冷循环的性能系数提高6.52%,冷凝器散热量减少3.32%,蒸发器的制冷剂质量流量减少8.58%～8.91%。结果表明氨直接接触凝结制冷循环较常规制冷循环具有明显的优势。     

氧化铝纳米流体液滴瞬态蒸发速率的演化特性分析

以氧化铝纳米流体液滴为研究对象,本文建立了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）法的液滴蒸发瞬态模型,对液滴蒸发过程中蒸汽浓度、纳米颗粒浓度、温度等进行多物理场耦合,并考虑了Marangoni流对液滴蒸发的影响,同时研究还结合蒸发实验可视化结果,分析了氧化铝纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间的演化规律,讨论了颗粒体积分数和基板温度对蒸发模式的影响。结果表明,在液滴蒸发过程开始时,纳米流体液滴保持定接触半径蒸发模式,气液界面面积逐渐减小,瞬态蒸发速率也呈逐渐减小的趋势;当颗粒体积分数增大至26%时,瞬态蒸发速率曲线达到驻点;蒸发接近完全时,由于Marangoni流影响了内部流场、强化了内部传热,且液滴在已沉积在基板上的颗粒表面形成液膜,瞬态蒸发速率迅速增大。     

梯形微通道内乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验

利用高速摄像系统对梯形硅基微通道进行乙醇水混合蒸气冷凝流型可视化实验。梯形微通道结构为梯形,水力学直径165.87 mm,通道长度50 mm。实验中混合蒸气乙醇质量分数范围为2%～60%。实验发现入口蒸气乙醇浓度对通道内流型有重要影响。沿着冷凝方向,发现环状流、环状条纹流、翻滚流、喷射流/喷射滴状流及气泡流。不同蒸气入口乙醇质量分数有不同的流型分布,低乙醇浓度的蒸气冷凝环状条纹流及喷射流区域出现伪滴状凝结形式,高乙醇浓度的蒸气冷凝出现翻滚流流型。实验以蒸气质量通量及蒸气干度为坐标对不同入口浓度蒸气冷凝建立了两相流型图,并对喷射流发生干度建立了流型转变预测式。     

喷淋塔内可吸入颗粒物的脱除与凝结增长特性

引言 可吸入颗粒物是一种重要的大气污染物,其对人类健康和大气环境带来极大危害[1-2].在当前以燃用化石燃料为主的能源结构和与日俱增的能源消耗形势下,燃烧源的排放成为可吸入颗粒物的一个重要来源[3],主要原因是目前电站及工业生产中的除尘设备,如电除尘器、过滤除尘器等虽然已达到很高的水平,但对可吸入颗粒物的脱除效率却较低,使得大量颗粒排放到大气中.     

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。     

Al2O3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al₂O₃纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法（ALE）捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al₂O₃纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

乙醇对不抽真空重力回路热虹吸管凝结换热影响的实验研究

实验研究了添加乙醇对含大量不凝气体回路热虹吸管凝结换热的影响. 结果表明,重力回路热虹吸管内添加0.5%?1%(?)乙醇,会在凝结液膜表面形成Marangoni效应,促进局部凝结换热,冷凝管前段的局部换热量提高约9%;乙醇添加量大于1.5%时,乙醇无法完全凝结从而形成新的不凝气体,引起系统工作压力升高,蒸发器蒸汽温度升高,且乙醇含量越大,工作压力越高;乙醇含量为5%时,系统工作压力比纯水时提高64%.