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管内及表面冷凝相分布调控实验研究

谢剑  
【摘要】:冷凝分为管内和表面冷凝两个研究方向。对于管内冷凝,相分布(即流型)是影响传热的关键因素。但目前管内冷凝传热强化技术沿用单相传热强化思路,依赖扩展受热面和破坏边界层发展。因此,需要进一步开发适应管内冷凝相分布特点的传热强化技术。对于表面冷凝,滴状冷凝可产生数量庞大的液滴,但液滴大小不一、间距不等,在表面上分布杂乱。若冷凝液滴相分布实现均匀化和阵列化,可在高新科技行业发挥重要作用。因此,本文以相分布调控思想为纲,充分挖掘金属丝网这种功能材料的潜力,开展了相分布调控下管内冷凝传热强化及浸润性异质表面冷凝液滴阵列化生长两个方面的实验研究。管内相分布调控研究包含两个内容:空气-水两相流可视化冷态实验以及有机工质冷凝热态性能实验。空气-水两相流相分布调控冷态实验研究表明:管内插入丝网膜管,分层流和间歇流调控后的相分布,表现出有利于冷凝传热的特征和潜力。分层流流经丝网膜管时,丝网孔产生的毛细力,将管子底部的液体全部或者部分地吸入丝网膜管内的核心区,膜管与有机玻璃管间环隙区的液位降低,从而扩大了气相覆盖管壁的面积。间歇流流经丝网膜管时,丝网孔产生的毛细压差阻止气弹进入丝网膜管核心区,但允许液体从环隙区向膜管内流动。丝网膜管“阻气通液”的作用使得环隙区气弹拉长,在圆周方向上呈马鞍状铺展,从而在管壁上挤出更加宽广的薄液膜区域,有利于降低壁面平均液膜厚度。管内R245fa冷凝实验证实了相分布调控强化传热的能力:管内插入三种不同微观结构参数的微孔膜管,均成功地调控了管内冷凝相分布,有效地强化了管内R245fa冷凝传热。传热强化因子EF随质量含气率xin和质量流速G的增大而增大。实验工况范围内,调控管传热强化因子EF范围为1.12~1.87。由于R245fa表面张力较小,在管内主要表现为波状分层流和雾式环状流两种流型。微孔膜管通过捕捉环状流气芯中携带液滴,提高环隙区质量含气率xan,避免液滴在壁面沉降引起液膜增厚,从而调控环状流,强化冷凝传热;丝网丝径越小,液滴接触丝网后铺展驱动压差越大,铺展越迅速,液滴捕获效率越高,因而传热强化效果越好。微孔膜抽吸分层流在管道底部沉积的冷凝液,降低环隙区冷凝液液位,增大蒸气与换热壁面接触面积,提高环隙区质量含气率xan,从而调控波状分层流,强化冷凝传热;丝网孔径dp越小,微孔膜抽吸效应越强,因而传热强化效果越好。丝网孔径与开孔率比值dp/?及丝网膜管内外压差,共同决定了经过丝网膜管流向核心区的液体量Gleak,从而改变环隙的质量流速Gan与质量含气率xan,影响冷凝传热强化效果与压降惩罚。浸润性异质表面是调控滴状冷凝相分布、制备阵列液滴的基础。基于丝网功能材料和金属烧结工艺,本文开发了两种新颖的浸润性异质表面制备方法:利用丝网烧结残余应力下的不均匀腐蚀,制备了浸润性异质丝网表面;利用烧结在铜基底上丝网的掩膜作用,在超疏水纳米草间形成阵列排布的亲水点,制备了浸润性异质铜基表面。湿空气中表面冷凝实验表明,两种浸润性异质表面均有效地调控了冷凝液滴分布,成功地制备了尺寸均匀的微米阵列液滴。且液滴生长速率可通过表面过冷度和空气相对湿度控制。浸润性异质丝网表面冷凝相分布调控机理如下:烧结后,纬丝焊接在纯铜基底表面,而经丝被纬丝架空与基底并不接触。基底降温时,纬丝上冷凝速率比经丝大1个数量级。因此,纬丝上冷凝液体远多于经丝。而阵列排布的纬丝顶端比其余部位更“亲水”,在表面能梯度作用下聚集冷凝液体,最终形成阵列液滴。亲疏水相间铜基表面冷凝相分布则受表面放置方位的影响:表面水平放置时,超疏水纳米结构上冷凝液滴发生融合和自驱动弹跳,且在重力作用下回落。回落液滴与亲水点液滴融合将破坏液滴直径的均匀性,触发亲水点液滴弹跳将破坏亲水点液滴的自组织性。回落液滴的多米诺效应、旋转效应和台球效应将进一步破坏自组织性,不能形成阵列液滴。相反,竖直放置的亲疏水表面冷凝时,超疏水纳米结构上杂化液滴跳离表面而不返回,不破坏亲水点上液滴的自组织生长,可形成大小均匀、高度自组织化的阵列液滴。本文利用丝网膜管有效地调控了管内相分布,证实了相分布调控下冷凝传热强化效果。结合可视化图像和理论分析,初步揭示了相分布调控基本原理,探究了丝网膜管微观结构参数对相分布调控及冷凝传热强化效果的影响。提出的相分布冷凝传热强化技术,有利于实现冷凝器小型化,减小换热设备金属消耗和资金投入,缩短ORC发电技术成本回收周期,促进ORC发电技术在低品位能源利用中的推广和应用。表面相分布调控的研究则利用丝网功能材料和金属烧结工艺,开发了两种金属基浸润性异质表面制备方法,具有低廉、高效、可大规模应用的特点。基于亲疏水相间异质表面冷凝液滴相分布调控,获得了自组织生长的微米阵列液滴,揭示了冷凝液滴相分布调控机理及阵列液滴生长速率的控制参数,有助于将滴状冷凝应用拓展到生化检测、光学电子器件制备、污染物控制、电磁辐射屏蔽、军事隐身等高新科技领域。


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