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导热功能表面强化混合蒸气冷凝传热机理的研究

周兴东  
【摘要】: 蒸气冷凝包括气相传质及相变传热过程,纯蒸气冷凝传热特性由冷凝液膜导热控制,混合蒸气冷凝通常由气相传质扩散过程所控制。冷凝传热特性受固-液和气-液界面效应影响较大;固液界面效应改变了冷凝液的形态,使常规膜状冷凝变为高效的滴状冷凝;气液界面效应是利用表面构型实现液膜减薄、促进冷凝液排放或利用冷凝液动态作用强化气相传质扩散。 低表面能有机涂层改性表面是滴状冷凝工业化应用非常有前途的方法,本文在对混合蒸气冷凝传热特性综合分析的基础上,制备可用于混合蒸气滴状冷凝过程的功能性涂层改性表面。并通过建立数学模型、软件模拟、实验对比和图像采集等分析方法,对混合蒸气滴状冷凝强化传热机制进行了系统的研究。提出利用冷凝液运动过程产生的界面效应来强化传热传质过程的新思路。 鉴于有机涂层的附加热阻对涂层厚度和稳定性的制约,通过加入导热性能良好的颗粒对低表面能有机氟碳涂料进行共混改性。导热颗粒的加入明显地提高了涂层的导热特性,但随填料含量的增加,表面能也提高;而且填料粒径较大时附着力有所降低,当减小填料粒径到纳米级时,涂层在冷热交替环境中有良好的附着力稳定性。为了提高涂层导热性且同时保持低表面能特性,改变常规涂覆工艺,通过施加磁场改变顺磁性铁粉填料(MFe)在涂层中的分散状态,获得填料颗粒梯度分散的改性涂层。测试结果表明,填料梯度分散的改性涂层表面能变化较小,且表观形貌和导热系数也有所改善。填料种类及含量导热性及表面能也有不同程度影响,且涂层的热处理工艺对涂层的稳定性影响较大。在填料质量含量为17%时,添加铜粉颗粒涂层的导热性提高了89.6%,其它改性涂层导热性能的提高程度依次为:Cu(89.6%)>CuO(84.8%)>Cr_2O_3(8.5%)>BN(67.7%)>MFe(56.4%)>SiC(52.4%)>Fe(34.8%);随填料含量的增加,冷凝表面滴状冷凝特征降低,在提高涂层导热系数的同时,要控制填料含量对涂层表面能的影响。 通过制备的低表面能改性表面,实现了稳定的滴状冷凝。对比实验表明,纯蒸气滴状冷凝传热系数比膜状冷凝高了50%;但不凝气含量在0.5%~5%时,滴状冷凝传热系数可比膜状冷凝高80%以上。随着不凝气含量的增加,气相热阻呈非线性增加,涂层热阻在总热阻中所占分率减小,通过改性工艺控制涂层厚度和热阻能够提高改性表面的稳定性和使用寿命。混合蒸气滴状冷凝传热特性优于传统的膜状冷凝,但强化机理与纯蒸气冷凝有本质上的差异。通过对液滴生长运动规律的图像采集观测和分析,发现滴状冷凝表面物理化学特性对冷凝液的形态和动态都有较大的影响,局部表面会有脱落液滴直径比临界脱落直径大、固定不变生长点和脱落点等特殊现象;根据液滴运动及生长规律可以发现液滴的脱落运动是强化传热的主要因素。设计不同冷凝液形态的对比实验,结果进一步表明液滴的脱落运动对气相边界层的掺混和周期性振荡作用是滴状冷凝强化混合蒸汽冷凝传热的主要因素。 基于传质场协同原理,通过Fluent软件对不同工况下液滴形态和动态与气相流场相互作用进行系统研究,模拟了液滴在稳态及动态时气相流场变化特性,与PIV技术实测流场吻合很好。为了确定液滴在流场中的形态,首先建立了蒸汽流速影响的脱落液滴形态数学模型,对蒸气流动方向与速度影响液滴脱落直径与高度进行了研究,确定不同工况下流场中最大液滴的形态。在蒸气流动与液滴脱落方向一致情况,蒸气流速增加使竖直表面上液滴脱落直径线性减小,而且冷凝表面偏离竖直方向越小,蒸气流速影响越明显;流速较小的逆流蒸气影响则不明显,但流速超过5m/s时,对脱落直径的影响明显加大。模拟结果显示:混合蒸气流速较小时,气液界面液滴的曲率对流场的影响并不明显,而当边界层的厚度小于液滴尺寸时,液滴对边界层内的流场影响随蒸气流速的增加而加剧。对液滴脱落过程流场的分析发现,由于液滴运动通常是在扩散边界层内,受液滴形状与脱落速度动态变化的影响,扩散边界层内的速度分布亦会随之而发生明显改变。在液滴脱落过程中冷凝表面附近气相侧伴有漩涡及垂直传热表面的速度分量,液滴对气相的扰动提高了边界层内蒸气的浓度梯度,并且产生的垂直传热表面的速度分量与传质扩散过程有较好的协同作用。但液滴运动产生的界面效应对气相传质过程强化程度不仅与液滴的形态及动态有关,而且与蒸气的流动方向和流速大小相关,是脱落液滴形态动态特性及气液相对速度大小共同作用的结果。 利用液滴导热形状因子对液滴及受液滴曲率影响的涂层传热特性进行了修正,建立了包含接触角及涂层热阻的纯蒸汽滴状冷凝传热模型,模型计算结果与本文的实验值和文献数据吻合很好。根据滴状冷凝过冷度与热通量线性关系的特性,结合实验数据,对混合蒸气滴状冷凝时液滴和涂层热阻进行量化分析,得到滴状与膜状两种冷凝模式下气相侧传热特性对比数据。结果表明,在不凝气体积含量为1%,3%和5%时,滴状冷凝的气相传热系数分别为膜状冷凝的2.4,2.2和1.8倍。 利用冷凝液动态过程与气相边界层相互作用,进而产生横向速度分量与扩散传质方向相协同的机制,设计了三种强化传热表面。由于气液界面效应直接作用于传质边界层,对传递主要控制区域施加小的扰动就能够实现扩散传质的最大强化,结果显示,重力场作用下的不同构型表面所产生的气液界面效应对混合蒸汽冷凝过程都有明显强化作用。


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