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离心场下混合蒸气滴状冷凝特性的研究

刘旭  
【摘要】:滴状冷凝是一种具有较高换热性能的气液相变过程,在航空航天、核电工程、石油化工等各种工业生产中有着广泛的应用。滴状冷凝过程中,液滴作为传热单元,控制其自身的形态、大小以及动态特性是强化传热过程的核心之一。冷凝液滴的特性受到表面润湿性、不凝气含量、表面过冷度以及外加场源等各种因素的影响。对冷凝表面施加离心场,可以控制液滴的动态特性,进而调控混合蒸汽冷凝过程和传热性能。本文在铜管外制备疏水和超疏水表面,实现滴状冷凝;设计搭建了离心冷凝实验台,驱动竖管同轴旋转,实现对冷凝表面施加离心场,系统研究了不凝气含量和离心场强度对混合蒸气滴状冷凝过程的影响。实验研究离心混合蒸气冷凝过程中,铜管外疏水表面和超疏水表面上液滴的运动过程:离心系数(离心加速度和重力加速度比值)较小时,液滴先向下滑动,受离心场作用,下滑轨迹偏移重力方向,最后飞离表面,液滴下滑距离随离心系数增加而减少;离心系数较大时,液滴直接飞离表面。液滴在飞离表面的瞬间呈纺锤形,头部飞离表面,尾部收缩,在原位置形成残留液滴或以伴随液滴的形式飞离表面;当不凝气含量45%,随着表面过冷度的减小,超疏水表面上的液滴飞离过程和其他不同,是以类似液滴合并弹跳的方式整体飞离表面。离心系数小于5时,不凝气含量、表面润湿性和离心场共同影响液滴脱离半径。在相同条件下,疏水表面液滴脱离半径小于超疏水表面;离心系数大于5时,液滴脱离半径主要受离心场强度控制,离心系数越大,脱离半径越小。对于冷凝表面更新频率,单位时间冲刷面积与离心系数是一种非线性关系。在不凝气含量45%时,可以观测到自发弹跳的小液滴,呈平抛物线运动,初始水平速度随离心场强度增大而加快,稍大于管表面线速度。实验研究了离心场强度和不凝气含量对混合蒸气滴状冷凝传热性能的影响,结果表明:不凝气含量主要控制混合蒸气冷凝的传热过程,不凝气含量增加,疏水和超疏水铜管传热性能都显著降低;离心系数大于5时,离心场强度增大,传热通量增加,说明离心场对传热有一定的强化作用;随着不凝气含量的增加,离心场强化效果被削弱。


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