導(dǎo)熱功能表面強(qiáng)化混合蒸氣冷凝傳熱機(jī)理的研究.pdf

1、蒸氣冷凝包括氣相傳質(zhì)及相變傳熱過程，純蒸氣冷凝傳熱特性由冷凝液膜導(dǎo)熱控制，混合蒸氣冷凝通常由氣相傳質(zhì)擴(kuò)散過程所控制。冷凝傳熱特性受固一液和氣一液界面效應(yīng)影響較大；固液界面效應(yīng)改變了冷凝液的形態(tài)，使常規(guī)膜狀冷凝變?yōu)楦咝У牡螤罾淠簹庖航缑嫘?yīng)是利用表面構(gòu)型實(shí)現(xiàn)液膜減薄、促進(jìn)冷凝液排放或利用冷凝液動(dòng)態(tài)作用強(qiáng)化氣相傳質(zhì)擴(kuò)散。 低表面能有機(jī)涂層改性表面是滴狀冷凝工業(yè)化應(yīng)用非常有前途的方法，本文在對(duì)混合蒸氣冷凝傳熱特性綜合分析的基礎(chǔ)上，制

2、備可用于混合蒸氣滴狀冷凝過程的功能性涂層改性表面。并通過建立數(shù)學(xué)模型、軟件模擬、實(shí)驗(yàn)對(duì)比和圖像采集等分析方法，對(duì)混合蒸氣滴狀冷凝強(qiáng)化傳熱機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。提出利用冷凝液運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的界面效應(yīng)來強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過程的新思路。 鑒于有機(jī)涂層的附加熱阻對(duì)涂層厚度和穩(wěn)定性的制約，通過加入導(dǎo)熱性能良好的顆粒對(duì)低表面能有機(jī)氟碳涂料進(jìn)行共混改性。導(dǎo)熱顆粒的加入明顯地提高了涂層的導(dǎo)熱特性，但隨填料含量的增加，表面能也提高；而且填料粒徑較大時(shí)附著

3、力有所降低，當(dāng)減小填料粒徑到納米級(jí)時(shí)，涂層在冷熱交替環(huán)境中有良好的附著力穩(wěn)定性。為了提高涂層導(dǎo)熱性且同時(shí)保持低表面能特性，改變常規(guī)涂覆工藝，通過施加磁場改變順磁性鐵粉填料(MFe)在涂層中的分散狀態(tài)，獲得填料顆粒梯度分散的改性涂層。測試結(jié)果表明，填料梯度分散的改性涂層表面能變化較小，且表觀形貌和導(dǎo)熱系數(shù)也有所改善。填料種類及含量導(dǎo)熱性及表面能也有不同程度影響，且涂層的熱處理工藝對(duì)涂層的穩(wěn)定性影響較大。在填料質(zhì)量含量為 17％時(shí)，添加銅粉

4、顆粒涂層的導(dǎo)熱性提高了 89.6％，其它改性涂層導(dǎo)熱性能的提高程度依次為：Cu(89.6％)>CuO(84.8％)>Cr<,2>O<,3>(83.5％)>BN(67.7％)>MFe(56.4％)>SiC(52.4％)>Fe(34.8％)：隨填料含量的增加，冷凝表面滴狀冷凝特征降低，在提高涂層導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，要控制填料含量對(duì)涂層表面能的影響。 通過制備的低表面能改性表面，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的滴狀冷凝。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，純蒸氣滴狀冷凝傳熱系數(shù)比

5、膜狀冷凝高了50％；但不凝氣含量在0.5％～5％時(shí)，滴狀冷凝傳熱系數(shù)可比膜狀冷凝高80％以上。隨著不凝氣含量的增加，氣相熱阻呈非線性增加，涂層熱阻在總熱阻中所占分率減小，通過改性工藝控制涂層厚度和熱阻能夠提高改性表面的穩(wěn)定性和使用壽命?；旌险魵獾螤罾淠齻鳠崽匦詢?yōu)于傳統(tǒng)的膜狀冷凝，但強(qiáng)化機(jī)理與純蒸氣冷凝有本質(zhì)上的差異。通過對(duì)液滴生長運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圖像采集觀測和分析，發(fā)現(xiàn)滴狀冷凝表面物理化學(xué)特性對(duì)冷凝液的形態(tài)和動(dòng)態(tài)都有較大的影響，局部表面會(huì)有脫

6、落液滴直徑比臨界脫落直徑大、固定不變生長點(diǎn)和脫落點(diǎn)等特殊現(xiàn)象；根據(jù)液滴運(yùn)動(dòng)及生長規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)液滴的脫落運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化傳熱的主要因素。設(shè)計(jì)不同冷凝液形態(tài)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果進(jìn)一步表明液滴的脫落運(yùn)動(dòng)對(duì)氣相邊界層的摻混和周期性振蕩作用是滴狀冷凝強(qiáng)化混合蒸汽冷凝傳熱的主要因素?；趥髻|(zhì)場協(xié)同原理，通過 Fluent 軟件對(duì)不同工況下液滴形態(tài)和動(dòng)態(tài)與氣相流場相互作用進(jìn)行系統(tǒng)研究，模擬了液滴在穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)時(shí)氣相流場變化特性，與PIV技術(shù)實(shí)測流場吻合很好。為了

7、確定液滴在流場中的形態(tài)，首先建立了蒸汽流速影響的脫落液滴形態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)蒸氣流動(dòng)方向與速度影響液滴脫落直徑與高度進(jìn)行了研究，確定不同工況下流場中最大液滴的形態(tài)。在蒸氣流動(dòng)與液滴脫落方向一致情況，蒸氣流速增加使豎直表面上液滴脫落直徑線性減小，而且冷凝表面偏離豎直方向越小，蒸氣流速影響越明顯；流速較小的逆流蒸氣影響則不明顯，但流速超過 5m/s 時(shí)，對(duì)脫落直徑的影響明顯加大。模擬結(jié)果顯示：混合蒸氣流速較小時(shí)，氣液界面液滴的曲率對(duì)流場的影響并

8、不明顯，而當(dāng)邊界層的厚度小于液滴尺寸時(shí)，液滴對(duì)邊界層內(nèi)的流場影響隨蒸氣流速的增加而加劇。對(duì)液滴脫落過程流場的分析發(fā)現(xiàn)，由于液滴運(yùn)動(dòng)通常是在擴(kuò)散邊界層內(nèi)，受液滴形狀與脫落速度動(dòng)態(tài)變化的影響，擴(kuò)散邊界層內(nèi)的速度分布亦會(huì)隨之而發(fā)生明顯改變。在液滴脫落過程中冷凝表面附近氣相側(cè)伴有漩渦及垂直傳熱表面的速度分量，液滴對(duì)氣相的擾動(dòng)提高了邊界層內(nèi)蒸氣的濃度梯度，并且產(chǎn)生的垂直傳熱表面的速度分量與傳質(zhì)擴(kuò)散過程有較好的協(xié)同作用。但液滴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的界面效應(yīng)對(duì)氣

9、相傳質(zhì)過程強(qiáng)化程度不僅與液滴的形態(tài)及動(dòng)態(tài)有關(guān)，而且與蒸氣的流動(dòng)方向和流速大小相關(guān)，是脫落液滴形態(tài)動(dòng)態(tài)特性及氣液相對(duì)速度大小共同作用的結(jié)果。 利用液滴導(dǎo)熱形狀因子對(duì)液滴及受液滴曲率影響的涂層傳熱特性進(jìn)行了修正，建立了包含接觸角及涂層熱阻的純蒸汽滴狀冷凝傳熱模型，模型計(jì)算結(jié)果與本文的實(shí)驗(yàn)值和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合很好。根據(jù)滴狀冷凝過冷度與熱通量線性關(guān)系的特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)混合蒸氣滴狀冷凝時(shí)液滴和涂層熱阻進(jìn)行量化分析，得到滴狀與膜狀兩種冷凝

10、模式下氣相側(cè)傳熱特性對(duì)比數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在不凝氣體積含量為 1％，3％和5％時(shí)，滴狀冷凝的氣相傳熱系數(shù)分別為膜狀冷凝的2.4，2.2 和1.8倍。 利用冷凝液動(dòng)態(tài)過程與氣相邊界層相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生橫向速度分量與擴(kuò)散傳質(zhì)方向相協(xié)同的機(jī)制，設(shè)計(jì)了三種強(qiáng)化傳熱表面。由于氣液界面效應(yīng)直接作用于傳質(zhì)邊界層，對(duì)傳遞主要控制區(qū)域施加小的擾動(dòng)就能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)散傳質(zhì)的最大強(qiáng)化，結(jié)果顯示，重力場作用下的不同構(gòu)型表面所產(chǎn)生的氣液界面效應(yīng)對(duì)混合蒸汽冷凝過程