差异化疏水铜表面的冷凝传热实验研究

为研究差异化疏水结构表面蒸汽滴状冷凝传热特性,首先在铜表面通过化学刻蚀法制备了不同的CuO与Cu(OH)_2微纳米复合微结构,通过十八硫醇自组装进一步修饰后,获得了具有不同静态接触角和表面能的差异化疏水表面。实验研究了不同微结构及其接触角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结构表面的合并、脱落过程进行了可视化研究。结果表明,接触角相近、微结构不同的CuO-Ⅰ与Cu(OH)_2表面冷凝传热性能相近,约为光滑表面的1.5倍。接触角为125°的CuO-Ⅱ表面的冷凝传热性能明显高于CuO-Ⅰ表面,约为光滑表面的3倍。同时,相同过冷度下,CuO-Ⅰ表面冷凝液滴的合并与脱落频率明显低于CuO-Ⅱ表面。     

水蒸气在超疏水表面上的冷凝传热

用高温裂解法在紫铜基底上制备了疏水性碳纳米管膜,通过对此碳纳米管膜进行氟化处理,改善了表面的疏水性.在室温下,实验测得水在这种表面上的接触角在90°～130°之间.以水蒸气为冷凝介质的冷凝传热实验表明,水蒸气在超疏水纳米材料表面上能形成较好的滴状冷凝,冷凝传热膜系数可达40000 W/(m2·K).与纯粹膜状冷凝相比,冷凝传热系数提高3～4倍.分析表明,此碳纳米管膜所产生的附加热阻只占冷凝传热热阻的千分之一,对冷凝传热膜系数的影响可以忽略.     

含有不凝气体的蒸汽滴状冷凝传热实验研究

本文对饱和水蒸气和空气的混合物在垂直表面上滴状冷凝传热特性进行了实验研究。考察了不同的压力条件下不凝气对冷凝传热的影响。与膜状冷凝实验结果对比表明,滴状冷凝对含有不凝气的蒸汽冷凝传热有强化作用;在较高的冷凝压力下不凝气体对传热的影响相对较小。     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

离子注入制备的滴状冷凝传热表面的研究

滴状冷凝是一种高效传热方式.实验证明(1),滴状冷凝的传热系数是膜状冷凝的20至30倍.自本世纪三十年代以来,传热研究者一直致力于滴状冷凝的研究(2)、(3)、(4),但至今仍未获得有应用价值的滴状冷凝表面.本文应用离子注入表面处理技术,在金属铜表面二千埃的表层内注入化学活泼性元素,制备出低表面能的合金材料,并在这些表面上实现了常压水蒸汽的滴状冷凝.     

滴状冷凝过程壁面反射光谱的分子团聚模型分析

根据反射光谱可用于分析固体表面介质凝聚状态的原理,理论分析了不锈钢表面上不同厚度薄液膜对表面反射率的影响,确定了在冷凝过程中该表面上冷凝液形成和更新过程导致相应反射率变化的范围. 通过分析滴状冷凝实验过程反射光谱的文献数据,研究了滴状冷凝过程壁面上蒸气分子凝聚特征,发现在实际的滴状冷凝传热过程中,液滴脱落后形成的裸露表面上存在反射特征介于液膜与体相蒸气分子之间的介质. 结合蒸气冷凝过程的分子团聚模型,得到了在滴状冷凝过程中近壁面附近的蒸气分子形成分子团聚分布的合理性. 此外,分析发现表面微观结构将改变团聚体分布密度,从而影响冷凝核化过程的现象. 这为冷凝传热强化方法的研究提出了新的思路. 关键词： 分子团聚 反射光谱 滴状冷凝     

聚四氟乙烯表面滴状冷凝的实验研究

根据递推法测定滴状冷凝传热系数原理,搭建了滴状冷凝传热系数测定试验台,并对聚四氟乙烯材料表面的传热特性进行了试验测定,分析了影响滴状冷凝传热系数的因素。     

组合表面高不凝气蒸汽冷凝的数值研究

基于不凝气工况下选择合适蒸汽冷凝润湿性表面，采用ANSYS Fluent软件分别对30°、60°和90°接触角表面及相应组合表面上的冷凝进行了模拟。研究了25%不凝气含量下液滴的成核、合并机制及不同润湿性表面液滴生长周期内的冷凝传热性能，可视化分析了均匀润湿性表面不凝气边界层内液化核心的生成及冷凝液滴的动力学特征，半定量描述了均匀润湿性和组合润湿性表面上瞬态热流密度的分布及其影响机制，为含不凝气工况下不同润湿性冷凝表面的选择及传热强化提供了研究思路。     

电场下液滴合并自弹跳行为的分子动力学研究

在工程上通常利用滴状冷凝提高冷凝换热效率、进而强化传热。而当冷凝液滴发生合并自弹跳时,冷凝换热系数是传统滴状冷凝的1.3至1.5倍,因此液滴合并自弹跳现象对冷凝传热强化的贡献是非常大的。一些宏观实验和理论研究表明,加入外电场能进一步促进冷凝液滴合并自弹跳的频率和高度,但在纳米尺度下是否仍遵守这一规律还未可知,因此本文使用分子动力学模拟方法,探究了在超疏水表面上电场的方向和强度对纳米纯水液滴合并自弹跳行为的影响,模拟结果表明垂直向上方向电场会抑制液滴合并自弹跳,垂直向下方向存在一个电场促进弹跳的区间,在此区间内电场强度越大,弹跳速度越大.     

冷凝器壁面滴状冷凝的热力学机理及最佳接触角

应用自由能判据证明了冷凝器壁面液滴的力学平衡条件与接触角有关,进而证明了当壁面液滴与壁面的接触大于90°时,冷凝器壁面液滴的化学势将小于同曲率的球形液滴的化学势;另外,在相同饱和比下,壁面液滴的临界半径也小于球形液滴的临界半径.而在接触角小于90°时,情况则恰好相反.正是由于这双重原因,使得滴状冷凝的传热性能大大优于膜状冷凝的传热性能,并由此求出了冷凝器壁面液滴的最佳接触角. 关键词：     

水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热系数

本文在均质表面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的液滴分布和凝结换热特性,得到了一维水平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。结果表明:随着过冷度的增加和凝结工质汽化潜热的增大和表面张力的减小和接触角梯度的增大,平均表面凝结换热系数会增大。     

CONDENSATION HEAT TRANSFER OF STEAM ON VERTICAL DROPWISE AND FILMWISE COEXISTING SURFACES WITH A THICK ORGANIC FILM PROMOTING DROPWISE MODE

This article describes an experimental investigation of the condensation heat transfer of steam on dropwise and filmwise coexisting (DFC) surfaces, on which dropwise and filmwise exist simultaneously at adjacent positions. A fluor-containing organic film with thickness of more than 1 μm was coated on the dropwise regions of the external surface of a brass tube to promote dropwise condensation. The surfaces were divided horizontally into many regions according to the designed dropwise and filmwise condensation area ratio. The area ratio of dropwise regions and filmwise regions in the present study was fixed at 50%:50% for all the six surfaces, while the numbers of dropwise and filmwise regions ranged from 2 to 16. Experiments were conducted at atmospheric pressure and the treated tube was oriented vertically in the condensing chamber. It was found that the heat transfer performance for DFC surfaces increases with increasing number of dropwise and filmwise regions, and an enhancement ratio of 1.27 to 1.96 is realized compared with the results for bare surface. Visual observation revealed that the appearance of condensation near the boundary region between the dropwise and filmwise regions was dependent on the relative positions of the two condensation regions. The condensate flowed smoothly across the boundary for dropwise condensation in the upper region. With filmwise condensation in the upper region, a condensate ring was formed at the interface and was retained at the interface for a short period of time before collapsing and then continued to flow downward through the dropwise condensation region. The condensate ring made a remarkable contribution to the condensation heat transfer enhancement for DFC surfaces. Finally, the results also showed that the heat transfer enhancement for dropwise and filmwise coexisting surfaces depends not only on the area ratio on DFC surfaces, but also on the surface subcooling degree. An optimal coordinating condition between these two factors might realize a maximum heat transfer enhancement ratio.     

聚合物表面滴状冷凝传热寿命的实验研究

在滴状冷凝传热寿命测试装置上，对采用离子束动态混合注入（DIMI）技术制备的聚四氟乙烯（PTFE）表面的商状冷凝传热寿命进行了间歇实验测试。满状冷凝已维持约500h（间歇操作总时间为1，000h），实验现象及传热性能趋于基本稳定。同时表明聚合物与金属基体具有较强的结合力。     

滴状冷凝传热的多尺度规划与最佳接触角

滴状冷凝传热过程具有典型的多尺度特征,一方面体现于壁面上液滴尺寸分布的空间多尺度特征以及液滴生长过程的时间多尺度分布,另一方面体现于冷凝壁面物理化学特性以及液固相互作用特性的描述和量度上的多尺度特征.本文基于包含界面效应影响的滴状冷凝传热模型,分析了液滴尺寸分布的多尺度特征及其对滴状冷凝传热性能的影响,并通过分析液滴尺...     

热交换器表面镀层对传热性能的影响

采用化学镀的方法对热交换器表面进行表面改性,使其换热表面沉积一层表面能不同的均匀镀层。传热实验表明,随着磷含量的增大,凝结传热系数增大。进一步可视化实验研究表明,镀层换热表面均表现为珠膜共存状态,增大镀层的磷含量,换热表面促进珠状凝结的效果更加明显。这归于镀层降低了传热表面的表面能值。     

滴状冷凝过程液滴自由表面温度场分析

对于滴状冷凝过程及其传热强化机理, 一般通过分析冷凝壁面上液滴分布和运动规律进行研究, 并且将单个液滴视为稳定的个体, 很少涉及液滴内部运动特征. 本文通过红外热像仪观测了纯蒸气滴状冷凝过程中, 液滴运动时自由表面温度场的演化过程. 发现在疏水壁面上, 液滴由于合并或脱落而发生移动过程中, 其自由表面温度先降低, 而后升高并高于移动前温度. 通过分析疏水表面上液滴移动过程的物理模型, 认为液滴移动时表面液膜发生履带式滚动现象, 或者发生液滴内部与自由表面附近的液体间形成对流和掺混现象. 对液滴运动时表面温度演变规律的分析表明: 触发液滴表面发生持续冷凝可能需要克服一个临界过冷度, 当气液间温差超过该临界值时才诱发冷凝; 液滴合并或脱落等整体运动过程, 导致了液滴内部的运动特征, 并促进了较大尺寸液滴表面发生直接冷凝, 这为强化冷凝传热的研究提供新的思路.     

ON THE ENHANCEMENT OF FILMWISE CONDENSATION HEAT TRANSFER BY MEANS OF THE COEXISTENCE WITH DROPWISE CONDENSATION SECTIONS

This article describes work aimed at obtaining higher filmwise condensation heat flux by distributing dropwise condensation surfaces of optimal width promoted by an organic coating among filmwise surfaces, and to get higher mean overall heat transfer coefficients in condensing systems. Several different spacings were examined for the horizontal orientation, arranging a dropwise section above a filmwise one, to make clear the effect of the drops falling down to the filmwise section. The heat flux of the filmwise part increased with increasing the height of the dropwise part up to 2 mm, but then decreased above that. The extent of the filmwise part that was augmented by drops was also tested by changing the width of the filmwise section sandwiched between dropwise sections of constant width. The heat flux of the filmwise part increased abruptly at a width between 5 and 3 mm. Consequently, it was shown that there exists an optimum width for each section for enhancing condensation heat transfer in the filmwise sections.     

镀层微观结构对凝结换热的影响

通过研究Ni-P化学镀层管不同微观结构对凝结传热的影响,表明用化学镀表面改性的镀管相对于普通的碳钢管,具有明显促进珠状凝结的效果,在凝结过程中表现为珠膜共存状态,可以获得较好的换热性能。同时镀层对换热性能的改善与镀层中纳米相的含量相关,随着纳米相含量的降低,镀层的表面能也随着降低,换热效率得到增强。增加镀层的非晶度可以获得更好的珠状凝结的效果。     

珠状凝结换热的数学物理模型及数值模拟

首次应用随机分形模型建立了珠状凝结液滴的空间和尺度分布,然后利用已有的单个液滴的传热规律,得到了冷凝壁面的换热边界条件,进而求解冷凝壁的温度分布,最后得到了平均的珠状凝结换热系数.应用上述模型对铜表面以水为介质的冷凝壁换热进行了直接数值模拟,并与各种压力条件下的试验数据进行了比较.