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滴状冷凝液滴微观特征及传热机制

王爱丽  
【摘要】: 蒸气冷凝传热是工业生产应用中基本的操作过程之一,在石油化工、制冷、发电、动力、航空航天和微电子等领域具有广泛的应用背景。随着能源问题的日益严峻,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十分积极的意义。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。因此,深入的研究冷凝过程的微观机理将有助于该过程强化方法和技术的创新开发。本文重点研究了低压条件下稳态滴状冷凝过程,冷凝液滴的运动特性及其与壁面作用的物理化学特性,并建立蒸汽冷凝过程的分子团聚模型。 利用控制氧化和分子自组装技术在紫铜基上制备十八烷基硫醇分子自组装超疏水表面。接触角仪测量结果显示室温空气环境中水接触角为157.18°。扫描电镜检测结果表明该表面上均匀分布了一层“纳米花”的结构,“花瓣”由一些细长的纳米片组成,“纳米花朵”与“花瓣”共同构成了具有微纳米结构双重粗糙度的分级结构。原子力显微镜照片显示表面形成“山峰”和“山谷”的结构。 利用所制备的超疏水表面,进行了水蒸气的稳态滴状冷凝实验。通过特制的冷凝块和冷凝室结构,并利用高速摄像仪研究了冷凝液滴的运动特性,测量了低压下稳态滴状冷凝时,纯蒸汽环境中液滴的静态接触角,以及液滴的前进角和后退角。结果表明蒸汽环境中的接触角比空气中的值小,而接触角受冷凝压力的影响很小,说明接触角变化主要是由于表面在空气环境与冷凝环境中具有不同的表面物理化学特性。随着压力降低,接触角滞后略有增大。接触角滞后增大,表明液滴渗透到基底的微观结构的程度增大,且液滴的拉伸变形程度增大,阻碍了液滴从表面上清除,从而降低传热性能。 实验考察了10kPa,20kPa和30kPa等绝压条件下的水蒸气滴状冷凝传热过程特性。首先,利用文献模型分析了直接冷凝长大的小液滴生长速率,结果表明随着压力降低,小液滴生长速率减小,液滴生长周期延长,表面的更新频率变慢,从而降低了冷凝传热性能。其次,采用高速摄像研究液滴运动以及利用时间序列传热模型分析,得到不同压力下合并长大液滴生长速率相同,而随着压力的降低,液滴的最小半径变小,临界尺寸和脱落半径变大,导致液滴直接冷凝生长的时间和合并生长的时间都延长,以致于液滴的生长周期延长,冷凝传热性能下降。 根据相变过程的微观物理机制和热力学特性,提出了冷凝传热过程近壁面蒸汽分子团聚模型,并且将团聚体分布与滴状冷凝传热性能相联系,从而研究不凝性气体对滴状冷凝传热过程的影响。在改进的Dillmann and Meier(DM)模型基础上,本文将分子团聚过程中的过饱和度与冷凝过程中的过冷度相联系,以及将团聚体的能量特性与液固界面物理化学特性相联系,将团聚模型与考虑固液界面效应的滴状冷凝传热模型相联系,建立了近壁面条件影响的分子团聚模型。利用模型计算了近壁面蒸汽中团簇体尺寸和分布,以及不凝性气体存在导致的蒸汽冷凝团聚体分布的变化,并结合滴状冷凝传热模型,定量解释了少量不凝性气体的存在,极大影响了冷凝传热性能的现象。并将模型预测结果与实验结果及文献中含不凝气的蒸汽冷凝传热实验数据进行了比较,两者吻合较好。


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