蒸汽冷凝过程的分子团聚模型及其对不凝性气体影响传热性能的解释

根据相变过程的微观物理机理和热力学特性,提出了冷凝传热过程中,近壁面蒸汽分子经由团聚阶段进而冷凝成宏观液滴的物理模型.并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和Meier(DM)模型基础上,将分子团聚过程中的临界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.模型计算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,两者符合较好,验证了所提出模型的合理性.     

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.     

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：     

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     

论小接触角下实现滴状冷凝的可能性

通过分析液滴在临界态及后续冷凝过程中化学势的变化，解释了冷凝器混合冷凝的形成机理 ，并证明了如果降低壁面过冷度以及采用适当措施降低壁面液滴的脱落半径的话，实现稳定 的小接触角的滴状冷凝是可能的. 关键词： 混合冷凝 接触角 化学势     

蒸汽滴状冷凝液滴表面温度分布及演化

利用红外热成像技术研究了蒸汽滴状冷凝中液滴合并过程表面温度分布及演化机制,并基于此分析了不同尺寸液滴表面温度随传热通量变化的分布规律。实验结果表明:与蒸汽在微小液滴表面发生连续冷凝不同,液滴合并过程中蒸汽通过四个阶段实现在大液滴表面的周期性冷凝传热;其中,在液滴吸收蒸汽冷凝放热阶段和向壁面传热阶段之间存在一个平衡,高热通量时,蒸汽向液滴表面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而升高;低热通量时,液滴向冷凝壁面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而降低。液滴运动引起的蒸汽在大液滴表面直接冷凝过程为强化低压蒸汽冷凝传热提供了新思路。     

蒸汽滴状冷凝演变和液滴生长方式的研究

蒸汽的滴状冷凝进程中，液滴生长包括冷凝生长与合并生长。液滴生长作为影响滴状冷凝演变的关键行为，其研究有助于深入理解滴状冷凝演变机制和换热机理。本文基于滴状冷凝全过程的数值模拟，针对不同凝结核密度下的滴状冷凝演变和液滴生长方式开展研究。模拟中采用Cassie模型对液滴的冷凝生长进行描述，耦合邻近搜索算法和守恒定律对液滴的合并生长过程进行模拟。经实验结果和理论模型验证，本文模拟方法具有较高的可靠性。结果表明：最大液滴尺寸主要来源于合并生长，其增速是衡量滴状冷凝演变速度的表征；随着凝结核密度的升高，演变速度呈线性提高，换热能力先增后减；高合并频率的表面能有效提高合并生长对最大液滴尺寸的贡献比例。     

滴状冷凝中液滴的内外压差及临界半径

用热力学方法证明了壁面上球冠形液滴的内外压差同样遵循经典的Laplace方程,并用力学方法给予了验证.液滴的内外压差与固液接触角无关,只取决于液体的表面张力和液滴半径;液滴的临界半径也与接触角无关,其值可用经典的Kalvin公式计算 关键词： 滴状冷凝 液滴 压差 临界半径     

低压蒸汽滴状冷凝过程中液滴生长特性

研究了低压条件对滴状冷凝过程液滴生长特性的影响。首先,研究了超疏水表面上空气环境和蒸汽环境中附着液滴的接触角,发现蒸汽环境中的接触角比空气环境中的小,而蒸汽压力对接触角没有显著影响。第二,实验研究了冷凝过程中的液滴的生长周期和脱落尺寸,液滴的脱落半径随压力的降低而增大,生长周期也随之延长。第三,实验研究了液滴合并生长速率,并结合理论分析直接冷凝长大的生长速率,直接冷凝生长速率随压力的减小而减小,并随过冷度的减小而下降,而实验范围内合并生长速率不受压力影响。第四,根据滴状冷凝液滴分布的时间序列模型,分析了不同压力下液滴生长的临界尺寸,随着压力的降低,液滴生长方式的临界尺寸增大。     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

冷凝器滴状冷凝的动态描述及接触角的选择

从化学势变化的角度对液滴的冷凝过程进行了动态描述;给出了实现持续的Brown凝并的条件;结合冷凝器壁面液滴的脱落半径与接触角的关系,求出了滴状冷凝时液滴接触角的最优选择范围. 关键词： 化学势 临界体积 Brown凝并 接触角脱落半径     

低压蒸汽滴状冷凝传热性能的实验研究

实验研究了不同水蒸气压力条件下的滴状冷凝传热特性。10 kPa、40 kPa和70 kPa时的传热系数分别是常压下的56%,68%和81%。随着水蒸气压力的下降,液滴脱落直径变大,液滴生长周期延长,冷凝传热系数下降。通过液滴的动力学特性分析和基于界面效应的滴状冷凝传热模型,分析了低压对水蒸气冷凝传热的主要影响因素,压力变化主要影响了分子扩散率和气-液相际传热热阻,导致总冷凝传热系数随压力下降。     

结构高度对纳米液滴碰撞壁面过程的影响

液滴与壁面的碰撞过程广泛存在于自然界以及各类生产生活中,探究其传热传质作用机理以及形态演变对发展表面自清洁、喷墨打印、强化滴状冷凝、抗结冰结霜等技术都具有重要意义。为了探究结构高度在碰撞过程中的作用,本文通过分子动力学模拟对纳米液滴与壁面的碰撞过程进行了研究。构建了具有方柱状结构的粗糙表面模型,研究了壁面上纳米柱状结构的高度对碰撞过程的影响,记录了液滴的变形过程,并对相关的动力学特征以及能量变化进行了分析。     

蒸气凝结相关问题探讨

讨论了几个与蒸气凝结相关的问题,指出壁面上球冠形液滴的内外压差和临界半径同样遵循经典的Laplace公式和Kalvin公式;蒸气在冷壁上的冷凝形态主要由后退接触角决定;空气中的水蒸气在换热器表面呈膜状冷凝时换热器的性能优于呈滴状冷凝时换热器的性能。     

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...     

超亲水-超疏水组合壁面冷凝性能研究

本文通过水热法,结合气相沉积法和掩膜紫外光刻法,在玻璃基底上成功地制备了一种具有多尺度结构的超亲水-超疏水组合壁面,并对制备的具有不同润湿差异的组合壁面的冷凝效率进行了测试。结果表明壁面的冷凝效率取决于亲疏水区域的宽度和润湿性差异,其中当亲水区域宽度为0.80 mm,接触角约为0°,疏水区域宽度为0.95 mm,接触角为158°时,其冷凝效率相比光滑铜片的冷凝效率可以提高39%。进一步分析表明,液滴在极端润湿模式的组合表面的润湿分界线处具有较高的体积传输速率,且在超亲水区形成的连续微流通道加快了冷凝液滴快速排放,提高了整体表面的自更新能力。本文的研究,将为复杂润湿界面滴状冷凝的优化提供方向。     

水蒸气滴状冷凝过程的可视化实验研究

本文通过建立水蒸气滴状冷凝过程的可视化实验装置,采用高速摄像仪对蒸汽在铜基网格状高分子聚合物络合膜表面上发生的滴状冷凝过程进行了观测。我们发现液滴的大小按照等比数列的形式排列,比例系数为1.25。这一发现与Rose关于液滴生长和尺寸分布的假说相吻合,并且从实验事实的中得出了两个重要参数,γ和p,的值分别为1.25 和0.072,这与最新的理论计算值十分接近。     

水平管外滴状冷凝的研究

发现滴状冷凝以来,人们主要研究了垂直平面上的滴状冷凝,而对实际应用较多的水平管外滴状冷凝的研究很少,Depew做了水平管外滴状冷凝的实验研究,Hosokawa等采用了经验式得出了不同位置处的给热系数对垂直表面的相对值。本文求得了水平管外不同位置处液滴的脱落半径和给热系数,并均与实验结果做了比较。     

重力场中竖壁上水滴界面形状热力学平衡的稳定性分析

１前言水蒸汽在冷壁面上的冷凝方式有两种：膜状冷凝和滴状冷凝。由于工业生产的需要，对现行工业用冷凝器中膜状冷凝的研究，从理论模式到实际设计计算都已经达到相当完善的程度。滴状冷凝较之膜状冷凝是一种高效的换热方式，从１９３０年Ｓｃｈｍｉｄｔｅｔａｌ发现这种高效的换热方式以来，半个多世纪中进行过大量的研究工作。但由于滴状冷凝过程的复杂性，从理论模式的建立到工业化应用都没有取得实质性进展。本文在文献［１］的基础上继续从热力学观点，分析在重力作用下，疏水性竖壁上生成的水滴界面形状的热力学平衡稳定性，建立了相…     

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。