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自组装超疏水表面超低压蒸汽滴状冷凝的实验研究

张崇峰  
【摘要】:水蒸气滴状冷凝传热由于具有较膜状冷凝高出数倍乃至数十倍的传热系数,受到学术界和工程应用领域的广泛关注。尤其在当今世界能源日益紧张的现状下,如何长时间维持滴状冷凝,成为众多学者们倾注精力研究的热点问题之一。从滴状冷凝的微观过程出发对其进行研究,更有利于深入地理解其传热机理。本文主要研究了超低压下滴状冷凝传热性能、液滴动态特性及其在冷凝过程中的温度场分布特性。 利用分子自组装膜技术在紫铜表面上制备了光滑十八烷基硫醇疏水表面以及粗糙氧化刻蚀十八烷基硫醇超疏水表面。用接触角仪测量了两个表面实验前后的接触角,且用扫描电镜对其表面形态特征进行了分析。 在超低压冷凝实验装置上,在压力分别为4.5kPa、7.0kPa和10kPa,过冷度为2K~8K条件下,对两个表面进行了滴状冷凝实验。实验结果表明,水蒸气传热系数均随着压力的下降而下降,且压力越低,传热系数随着过冷度的增加而下降的趋势越平缓。疏水表面与超疏水表面的热通量比值由10kPa时的1.84倍,降为7kPa时的1.21倍,直到4.5kPa时的基本相等(1.01倍),这主要是由于随着压力的下降,界面传热热阻逐渐增大。实验范围内,粗糙超疏水表面上的传热通量与传热系数要低于光滑疏水表面。 利用高速摄像记录了不同压力条件下水蒸气在两种表面上的滴状冷凝液滴动态特性。随着压力的下降,液滴的脱落半径增大,生长周期延长。液滴在自组装超疏水表面上的脱落半径与生长周期均大于在疏水表面上。 在压力为1kPa~10kPa之间,过冷度为2K-20K的实验条件下,利用红外热像仪对滴状冷凝过程中液滴表面温度场分布进行了测量。结果表明:液滴表面温度分布呈中心高、边缘低的凸型分布。不同尺寸液滴表面的最高温度各不相同,液滴半径越大,其表面最高温度也越高。液滴合并会引起周边蒸汽的扰动,促进蒸汽在液滴表面冷凝,引起局部温度突跃。液滴从上往下迁移过程中,会引起液滴周边蒸汽场的运动,液滴表面温度也会逐渐升高。在超疏水表面构造了具有横向沟槽的特殊结构,当液滴脱落时,能“抽吸”走此结构表面上的凝液,强化了冷凝传热。


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