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。     

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。     

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。     

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     

钨铜合金电镀铜纳米线构建超疏水冷凝传热界面

为改变钨铜合金表面的亲水特性,提升钨铜合金的冷凝传热效率,先通过多孔阳极氧化铝(AAO)模板辅助电镀的方法在钨铜表面构建铜纳米线阵列,再用十八烷基硫醇修饰得到超疏水纳米界面,从而实现钨铜合金表面冷凝状态从膜状向滴状的转变。结果表明,电镀所得的铜纳米线阵列高度均匀,进一步修饰所得的超疏水界面在大气工况下无液滴粘附。在40°C的蒸汽条件下,超疏水表面过冷度为2 K时,其热流密度为89.14 kW/cm²,传热系数为44.28 kW/(m²·K),传热效率比光滑钨铜合金高出约1倍,并且在过冷度增大到15 K时依然保持滴状冷凝模式。     

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。     

超疏水表面实现滴状冷凝强化传热的研究进展

冷凝传热是各种工业领域中普遍存在的一种能量传输方式,分为滴状冷凝和膜状冷凝两种形式,其中滴状冷凝具有更高的传热系数和更优异的传热性能.在热交换器表面实现液滴的滴状凝结可以有效地提高其传热效率,对于减小热交换器的尺寸、提高能源利用率和节约能源都具有重要的现实意义.总结了近年构筑超疏水表面以实现滴状冷凝强化传热的研究进展,...     

滴状冷凝初始液滴的形成机理

滴状冷凝初始液滴形成机理一直是悬而未决的问题。鉴于镁能与热水（冷凝液）反应,反应后镁表面的化学成分将发生变化,采用金属镁作为冷凝表面,在实验中通过控制过冷度和冷凝时间而实现蒸汽在镁表面的初始冷凝。然后应用电子探针（EPMA）技术分析冷凝前后试件表面化学成分的变化,用于推断蒸汽的初始冷凝状态。实验结果表明,镁表面氧元素的含量随着过冷度和冷凝时间增加而明显增加,并且氧元素在镁表面的分布是不均匀的。这些结果说明在固体表面上发生初始冷凝时凝液是成核状态的,而不是成膜状态。因此,滴状冷凝初始液滴形成机理符合成核中心假说。     

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。     

非均匀润湿表面强化冷凝换热研究

为了研究非均匀润湿结构的强化换热性能,文中通过化学刻蚀结合激光加工的方法在铜基体上制备了亲疏水条纹交错排布的润湿梯度表面。实验观察了试样表面液滴的冷凝及迁移现象,并对液滴的迁移现象进行了动力学分析。结果表明:冷凝过程中,疏水区液滴在重力及亲疏水界面处Laplace压力差的协同作用下可快速进入亲水区,并在亲水流道受到重力的作用快速排走。相比于光滑表面,非均匀润湿表面的液滴更替频率增加,脱落尺寸减小,表面的传热性能得到强化。过冷度及结构参数影响亲水区液滴的排出,进而影响表面的强化换热效果。冷凝换热结果表明:表面的热通量随过冷度的增加而增大,增大趋势逐渐减小;随亲疏水区域面积比的增加先增大后减小;随倾角的增大先增大后减小。     

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。     

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%。     

不凝气体对蒸汽射流冷凝的影响

对含不凝气体蒸汽射流在冷水中直接接触冷凝现象进行了实验研究,通过测量流场中的温度分布确定汽羽长度,进而推导其传热系数。实验使用直径为1.6 mm的圆形喷嘴,出口混合气体质量流量密度在100~330 kg·m^-2·s^-1之间,不凝气体的含量在0~15%之间,冷水温度在300~340 K之间。实验结果表明:不凝气体的加入,使喷嘴出口附近的温度下降减慢;汽羽长度随不凝气体含量的增加而变长,其受喷嘴出口质流密度和过冷度的影响规律与纯蒸汽射流一致;冷凝传热系数在0.7~2 MW·m^-2·K^-1之间,随过冷度的增大和不凝气体含量的增加而减小,受气体流量的影响较小。对实验数据进行拟合,获得了汽羽长度的关联式,并由此得到了冷凝传热系数关联式。     

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。     

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.     

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。     

An analytical investigation into dropwise condensation of different steam-air mixtures on substrates of various materials

A mathematical model has been developed from the kinetic theory of gases. The model accounts for the heat transfer performance during dropwise condensation of different steam-air mixtures on surfaces of various materials. In the development of the analytical model, the droplet surface is assumed to be in equilibrium or very near to equilibrium conditions with the fluid in contact, whereas the steam at the liquid-vapour interface is visualized to be in the saturated state. It is concluded that a minute fraction of the part of the substrate surface covered by liquid droplets (the minute fraction is referred to as the effective area) is most effective for the flow of heat and also it is concluded that the contribution to the heat transfer by the bare area is negligible. In the investigation it is deduced that the effective area may consist of: a) droplets with very small radii, and b) tiny portions of the liquid surfaces of large droplets. The tiny portion of the liquid surface can be visualized to lie in the vicinity of the droplet perimeter. The effective area is found to vary from one surface to another according to the substrate material. Concerning the influence of the presence of non-condensable gases, the effective area is found to decrease rapidly with the increase of the air concentration.