蒸汽冷凝初始液滴形成机理研究

蒸汽在过冷表面进行滴状冷凝时的初始液滴形成机理一直是悬而未决的问题.应用电子探针和扫描电镜两种方法对水蒸气冷凝前后镁表面上化学成分的变化进行了检测,发现冷凝后镁表面上氧含量明显增加,而且随着过冷度和冷凝时间的增加而增加.为了深入分析氧含量的增加是整个表面都反应造成的还是仅局部反应导致的,建立了镁与凝液反应的动力学关系,并推算出初始液滴所占面积分率远小于1的结果.同时电子探针的扫描检测结果证明氧元素在镁表面上的分布是不均匀的,凝液所占面积分率的图像处理结果与动力学计算结果相吻合.因此,初始形成的冷凝液仅在表面的局部区域产生,不是以薄液膜的形式覆盖表面,即滴状冷凝初始液滴的形成机理在纳米尺度下符合固定成核中心假说.     

滴状冷凝的最小静接触角

通过比较同体积的球形液滴与球冠形液滴的化学势,证明了滴状冷凝的最小静接触角θ=70.67°,该值可以作为小接触角下实现滴状冷凝的下限.当θ≈106°时,两种液滴的化学势之差具有最大值,理论上可以认为它是滴状冷凝的最佳静接触角.     

圆形径向梯度表面能材料表面的凝结换热系数

在均质表面上的单个球缺形液滴换热模型和液滴通用尺度分布规律的基础上,结合梯度表面能材料表面上的液滴分布和凝结换热特性,得到了圆形径向梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式．在此基础上,研究了壁面过冷度、接触角梯度、工质物性等参数对梯度表面能材料表面滴状凝结换热性能的影响．     

线张力对接触角影响的理论分析

通过引入“线张力”的概念，分别用力学和热力学的方法导出固体表面上液滴平衡时接触角应满足的条件，即对Young方程进行修正．并得到了液滴系统自由能随接触角变化的曲线，从理论上说明在理想固体表面上线张力可以造成液滴接触角的多值现象．结果表明，由液滴形变作用引起的线张力变化是影响接触角测量准确性的一个重要因素．对于深入认识线张力在液滴运动以及滴状冷凝传热过程中的作用有积极意义．     

微米级余弦槽表面疏水性及冷凝传热实验研究

为了研究余弦微槽结构的疏水性和冷凝传热性能,首先制备了不同槽峰高度和槽距的微米级余弦槽结构表面,实验研究了不同结构微槽表面的静态接触角及其对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微槽表面合并、脱落过程进行实验研究和热力学分析。结果表明,液滴在微槽表面的疏水性和传热性能都呈现明显的各向异性,横向静态接触角θ⊥明显高于纵向接触角θ∥。同时,冷凝传热过程中竖直纵槽阻碍液滴的横向合并,但其对液滴脱落过程起到极大促进作用,传热性能较光滑表面提高30%~50%,且峰距比越大液滴的脱落半径越小、脱落频率越高,表面传热效率也越高。水平横槽则相反,虽然增大峰距比促进了液滴合并,但却对其脱落过程产生不利影响,导致整体传热性能较纵向槽表面大幅下降,与光滑表面接近。引入表面润湿率对微槽表面的液滴脱落半径进行热力学计算,计算值与实验结果吻合较好,误差在20%以内。     

水蒸气在船用冷凝器中滴状冷凝的分析

利用物理学的有关理论分析了冷凝器表面实现滴状冷凝的条件，从而可知改变表面涂层特性可以改善相变形态。这就为研制促进滴状冷凝表面涂层提供了理论依据。     

Cu—BTA低能表面强化冷凝传热研究

在铜基表面上制备出Ｃｕ－ＢＴＡ低能表面，经实验证明已稳定实现了水蒸汽滴状冷凝过程，其寿命已达２０００ｈ以上，实验还证明该表面对乙醇及乙二醇蒸汽的冷凝有强化作用，其冷凝传热系数可提高２０％，对该表面维持低表面能寿命的物理构型进行了分析，为今后该种表面的制备提供参考。     

Cu－BTA低能表面强化冷凝传热研究

在铜基表面上制备出Ｃｕ－ＢＴＡ低能表面；经实验证明已稳定实现了水蒸汽滴状冷凝过程，其寿命已达２０００ｈ以上．实验还证明该表面对乙醇及乙二醇蒸汽的冷凝有强化作用，其冷凝传热系数可提高２０％．对该表面维持低表面能寿命的物理构型进行了分析，为今后该种表面的制备提供参考．     

实现水蒸汽滴状冷凝的表面材料研究

分别采用离子注入，等离子体聚合和动态离子束混合注入技术在黄铜管外表面制备了具有低表面能的非晶态离子注氮合金，聚六氟丙烯和聚四氟乙烯表面，实现了水蒸汽在常压下的滴状冷凝，实验结果表明，各种表面均能提高冷凝传热系数约２０倍，由于不同技术制备的表面形成滴状准凝的机制不同，各具有不同的特性，分析讨论了各种技术制备低表面能表面的特点及其应用前景。     

冷凝换热表面超疏水复合涂层的制备及性能

针对目前促成滴状冷凝换热的超疏水表面造价昂贵、热导率低和综合性能差等问题,以可溶性聚四氟乙烯、改性石墨烯(C)、气相二氧化硅等为原料,通过共混法在不锈钢基材上制备了用于冷凝传热表面的高导热超疏水复合涂层,并对其耐腐蚀能力、导热系数、强度和蒸汽冷凝传热性能进行测试分析。结果表明,涂层的耐酸腐蚀性能、导热性能强于304不锈钢,当含3%的C时,导热系数为18.188W·(m·K)^-1,在20%硫酸浓度恒温30℃条件下腐蚀速率为0.201mg·(cm²·h)^-1,和基材结合强度达38MPa。SEM分析表明,涂层疏水性能与气相二氧化硅含量有关,且质量分数为10%时接触角达155°。冷凝实验表明常压蒸汽在涂层表面冷凝时传热系数达120k W·(m²·K)^-1,大于不锈钢表面近10倍,并得出其滴状冷凝不持久的原因。     

水平管间溴化锂溶液滴状降膜流动分析

对溴化锂溶液在水平管间的实际液滴流动过程进行了记录分析,以改进目前滴状降膜吸收数值模型中的理想化球形液滴假设.使用高速摄像机,对16 mm管间距下溴化锂溶液滴状流动过程进行了拍摄.采用图像边缘识别技术、样条拟合和二维曲线旋转积分方法,得到了液滴表面积和体积关于时间的变化关系.根据液滴的发展特点,将管间液滴形成划分为悬垂拉伸、不稳定液柱和破裂降落3个阶段,据此提出了不同溶液流量下液滴形成的预测模型.管间液滴表面积和体积发展的预测曲线与实测结果吻合较好.该模型可以在滴状降膜传热传质数值计算中得到应用.     

关于滴状冷凝成核密度和热交换系数的研究

根据成核密度的理论关系式,模拟了不同温差条件下冷凝表面的液滴生长过程,结果显示：液滴尺寸分布具有分形特征,分形维数随着温差的增大而增大;冷凝表面的热交换系数随着温差的增大也相应增大,模拟结果与实验结果相符。     

椭圆形针肋表面冷凝液滴分布特征的实验研究

对6组不同几何参数的椭圆形针肋表面上的蒸汽冷凝过程进行了可视化实验研究,利用黑白二值化方法对针肋表面冷凝液滴的表面覆盖率进行了计算,分析了横向肋间距和肋高对冷凝液滞留、表面覆盖率和液滴脱落周期的影响.结果表明,当肋高较小时,随着横向肋间距的增加,针肋对冷凝液的滞留效应减弱;当肋高较大时,针肋对冷凝液的滞留作用变强,但是随着肋间距的增加,一些大液滴更难以脱落. 6组针肋板的表面覆盖率曲线均出现了大幅度下降,但发生大幅度下降的时间不同.随着横向肋间距和肋高的增大,表面覆盖率出现大幅度下降的时间均有所推迟.随着横向肋间距的增大,肋高对表面覆盖率平均值的影响逐渐减小.当横向肋间距较小时,肋高增大,液滴的脱落周期变短;当横向肋间距较大时,肋高的增大均使得脱落周期有所变长.实验结果可为针肋板的设计及实际工程应用提供参考.     

超薄聚六氟丙烯表面滴状冷凝的传热

采用等离子体聚合技术制备了铜基聚六氟丙烯薄膜，并实现了水蒸汽的滴状冷凝。冷凝传热系数是相应膜状冷凝传热系数的１３～２６倍，冷凝寿命为８００ｈ。等离子体聚合工艺条件、基底金属发生腐蚀、聚合薄膜老化是影响滴状冷凝传热及寿命的主要因素。     

紫铜表面多孔管的研制

为了充分利用工业热能,降低能量和金属资源的损耗,研究传热设备中换热元件强化传热的手段显得十分必要。加工多孔表面是一种强化传热的方法,由于表面汽化核心数的增加,大大提高了表面的沸腾给热系数;同时,多孔表面有利于涂敷四氟乙烯等,促使滴状冷凝的形成,强化冷凝传热。目前国内外加工多孔表面的方法主要有:机械加工法、高速烧结法、电镀法、火焰喷涂法等,这些方法各有特点,但工艺都比较复杂,有的只限于管子外表面的加工,而在性能上有的存在多孔质层与基体粘结不牢的问题。 电化学加工法(***M)是根据金属的电化学腐蚀原理对表面进行电解…     

超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响

表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。为进一步提高表面的冷凝传热系数,制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面,在不同蒸汽压力及风冷条件下,研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影响。研究结果表明:由于超疏水高黏附表面的液滴易成核但不易脱离,而超疏水低黏附表面的液滴极易脱离,因此,在相同压力和过冷度下,超疏水低黏附表面的换热系数远大于超疏水高黏附表面的换热系数;在过冷度为4.0 K的常压条件下,超疏水低黏附和高黏附表面换热系数分别是亲水表面换热系数的4.99倍和1.77倍;在同一风冷功率和加热功率下,超疏水低黏附表面的过冷度明显小于超疏水高黏附表面的过冷度。     

超疏水低黏附微孔表面的制备及其冷凝微滴的高效自去除性能

冷凝微滴在基底材料表面的高效自去除是防结霜的一种有效手段.以硅片为基底材料,采用飞秒激光直写技术制备了微孔阵列结构,经低表面能修饰后,表面水接触角为165°,滚动角为0.6°,液滴在微孔结构表面可以实现多次弹跳.通过冷凝微滴的自去除实验,重点分析了冷凝微滴的成核、生长、合并自去除机制,发现冷凝微滴可以在微孔内部短时间内...     

波槽管管外PTFE涂层滴状冷凝换热实验研究

波槽管是近期开发的一种强化管．为获得更好的传热效果，在波槽管管外敷设了聚四氟乙烯（PTFE）涂层，以得到滴状冷凝来改善管外换热状况．介绍了普通光管、波槽管、25μm涂层圆管、25μm和8μm涂层波槽管的凝结换热实验结果，并对其进行了分析．涂层圆管和涂层波槽管表面均得到了持续、良好的滴状冷凝，8μm涂层波槽管在略高于大气压的蒸汽环境中获得了最大的传热系数．     

大量不凝性气体存在时不同润湿性管束对流冷凝传热实验研究

为了实现工业中大量不凝性气体存在场合下蒸气的高效冷凝传热,建立了混合蒸气水平管束外对流冷凝传热实验系统,通过化学刻蚀与自组装方法对光管管束、2D肋管管束和3D肋管管束进行疏水与超疏水表面改性处理。当大量不凝性气体存在时,对不同润湿性管束表面的冷凝形式及管束间冷凝液流型进行可视化观测。实验研究了冷却水流速、混合蒸气流速、水蒸气体积分数等因素对不同润湿性的冷凝式换热器对流冷凝传热系数的影响,并分析不同水蒸气体积分数条件下管束效应的影响。通过实验研究发现,当大量不凝性气体存在时,冷凝液在管束间形成滴状流,水蒸气体积分数对不同润湿性的冷凝式换热器的对流冷凝传热特性影响显著,随着管排数增加,对流冷凝传热系数增大,管束效应对超疏水光管管束的强化作用最大,当水蒸气的体积分数约为11%时,9排超疏水光管管束的对流冷凝传热系数是单排的1.53倍,而当水蒸气体积分数约为23%时,9排超疏水光管管束的对流冷凝传热系数是单排的1.34倍。     

滚动脱落实现滴状冷凝的分析

讨论了在重力场中，凝结水在疏水性壁面上从球冠形凝结水生成，长大直至脱落的全过程。验证了滚脱落是滴状冷凝的充分条件，定性分析了疏水效应的微观机理。