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低压蒸汽滴状冷凝传热的实验研究

汪明哲  
【摘要】: 水蒸气冷凝传热在石油化工、航天、动力、制冷空调等领域都有广泛的应用,其换热性能的强化对节约能源及工程费用具有重要意义。滴状冷凝由于极高的传热性能而备受关注,是国内外学者研究的重要方向之一。本文重点在于通过液滴的动力学特性和基于界面效应的滴状冷凝传热模型研究低压水蒸气滴状冷凝传热特性及其影响因素。 利用分子自组装技术和高分子化合物在紫铜表面制备了十八烷基硫醇分子自组装膜(SAM)和PFA/Cr_2O_3疏水涂层,并且采用接触角测量仪测量水在表面上的接触角,采用扫描电镜以及红外光谱分析表面形貌和化学组成。 利用竖直壁面的冷凝传热实验装置,分别进行了两种表面的低压水蒸气滴状冷凝实验,测定了冷凝传热系数。实验压力分别为:10kPa(T_s=46℃),40kPa(T_s=76℃),70kPa(T_s=90℃),101kPa(T_s=100℃)。实验结果显示,在两种表面上,水蒸气滴状冷凝传热系数均随着压力的降低而下降。其中在铜基十八烷基硫醇分子自组装膜表面(SAM)的前3组压力条件下的冷凝传热系数分别是常压下的55%~58%,68%~69%和78%~84%;在PFA/Cr_2O_3疏水表面的前3组压力条件下的冷凝传热系数分别是常压条件下的47%~49%,69%~77%和86%~98%。 利用高速摄像记录了不同压力条件下滴状冷凝传热过程中的液滴运动行为。图像分析结果表明,随着水蒸气压力的下降,液滴的脱落直径变大,液滴的生长周期延长,使得滴状冷凝传热性能呈现下降趋势。 利用基于界面效应的滴状冷凝传热模型,计算分析了液滴曲率热阻,气-液相际传热热阻,液滴导热热阻等随蒸汽压力的变化趋势,探究了冷凝传热系数随压力下降的主要因素。结果表明,液滴曲率热阻随压力的变化幅度很小,基本与压力无关。当水蒸气压力下降时,液滴导热热阻占总热阻的比重逐渐下降,这是由于单个液滴的传热量下降造成的。气-液相际传热热阻的增加是导致滴状冷凝传热系数随压力下降的主要原因。界面传热系数随水蒸气压力下降而大幅减小。当压力从常压降至3kPa时,界面传热系数减小了近2个数量级,这是由于界面处的分子扩散传质速率随水蒸气压力的降低而减小,界面传热阻力增大。


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