管內(nèi)及表面冷凝相分布調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、冷凝分為管內(nèi)和表面冷凝兩個(gè)研究方向。對(duì)于管內(nèi)冷凝，相分布（即流型）是影響傳熱的關(guān)鍵因素。但目前管內(nèi)冷凝傳熱強(qiáng)化技術(shù)沿用單相傳熱強(qiáng)化思路，依賴擴(kuò)展受熱面和破壞邊界層發(fā)展。因此，需要進(jìn)一步開發(fā)適應(yīng)管內(nèi)冷凝相分布特點(diǎn)的傳熱強(qiáng)化技術(shù)。對(duì)于表面冷凝，滴狀冷凝可產(chǎn)生數(shù)量龐大的液滴，但液滴大小不一、間距不等，在表面上分布雜亂。若冷凝液滴相分布實(shí)現(xiàn)均勻化和陣列化，可在高新科技行業(yè)發(fā)揮重要作用。因此，本文以相分布調(diào)控思想為綱，充分挖掘金屬絲網(wǎng)這種功能材料

2、的潛力，開展了相分布調(diào)控下管內(nèi)冷凝傳熱強(qiáng)化及浸潤(rùn)性異質(zhì)表面冷凝液滴陣列化生長(zhǎng)兩個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)研究。
　　管內(nèi)相分布調(diào)控研究包含兩個(gè)內(nèi)容:空氣-水兩相流可視化冷態(tài)實(shí)驗(yàn)以及有機(jī)工質(zhì)冷凝熱態(tài)性能實(shí)驗(yàn)?？諝?水兩相流相分布調(diào)控冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究表明:管內(nèi)插入絲網(wǎng)膜管，分層流和間歇流調(diào)控后的相分布，表現(xiàn)出有利于冷凝傳熱的特征和潛力。分層流流經(jīng)絲網(wǎng)膜管時(shí)，絲網(wǎng)孔產(chǎn)生的毛細(xì)力，將管子底部的液體全部或者部分地吸入絲網(wǎng)膜管內(nèi)的核心區(qū)，膜管與有機(jī)玻璃管間環(huán)隙

3、區(qū)的液位降低，從而擴(kuò)大了氣相覆蓋管壁的面積。間歇流流經(jīng)絲網(wǎng)膜管時(shí)，絲網(wǎng)孔產(chǎn)生的毛細(xì)壓差阻止氣彈進(jìn)入絲網(wǎng)膜管核心區(qū)，但允許液體從環(huán)隙區(qū)向膜管內(nèi)流動(dòng)。絲網(wǎng)膜管“阻氣通液”的作用使得環(huán)隙區(qū)氣彈拉長(zhǎng)，在圓周方向上呈馬鞍狀鋪展，從而在管壁上擠出更加寬廣的薄液膜區(qū)域，有利于降低壁面平均液膜厚度。管內(nèi)R245fa冷凝實(shí)驗(yàn)證實(shí)了相分布調(diào)控強(qiáng)化傳熱的能力:管內(nèi)插入三種不同微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的微孔膜管，均成功地調(diào)控了管內(nèi)冷凝相分布，有效地強(qiáng)化了管內(nèi)R245fa冷

4、凝傳熱。傳熱強(qiáng)化因子EF隨質(zhì)量含氣率xin和質(zhì)量流速G的增大而增大。實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，調(diào)控管傳熱強(qiáng)化因子EF范圍為1.12～1.87。由于R245fa表面張力較小，在管內(nèi)主要表現(xiàn)為波狀分層流和霧式環(huán)狀流兩種流型。微孔膜管通過(guò)捕捉環(huán)狀流氣芯中攜帶液滴，提高環(huán)隙區(qū)質(zhì)量含氣率xan，避免液滴在壁面沉降引起液膜增厚，從而調(diào)控環(huán)狀流，強(qiáng)化冷凝傳熱;絲網(wǎng)絲徑越小，液滴接觸絲網(wǎng)后鋪展驅(qū)動(dòng)壓差越大，鋪展越迅速，液滴捕獲效率越高，因而傳熱強(qiáng)化效果越好。微孔

5、膜抽吸分層流在管道底部沉積的冷凝液，降低環(huán)隙區(qū)冷凝液液位，增大蒸氣與換熱壁面接觸面積，提高環(huán)隙區(qū)質(zhì)量含氣率xan，從而調(diào)控波狀分層流，強(qiáng)化冷凝傳熱;絲網(wǎng)孔徑dp越小，微孔膜抽吸效應(yīng)越強(qiáng)，因而傳熱強(qiáng)化效果越好。絲網(wǎng)孔徑與開孔率比值dp/ψ及絲網(wǎng)膜管內(nèi)外壓差，共同決定了經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)膜管流向核心區(qū)的液體量Gleak，從而改變環(huán)隙的質(zhì)量流速Gan與質(zhì)量含氣率xan，影響冷凝傳熱強(qiáng)化效果與壓降懲罰。
　　浸潤(rùn)性異質(zhì)表面是調(diào)控滴狀冷凝相分布、制備

6、陣列液滴的基礎(chǔ)。基于絲網(wǎng)功能材料和金屬燒結(jié)工藝，本文開發(fā)了兩種新穎的浸潤(rùn)性異質(zhì)表面制備方法:利用絲網(wǎng)燒結(jié)殘余應(yīng)力下的不均勻腐蝕，制備了浸潤(rùn)性異質(zhì)絲網(wǎng)表面;利用燒結(jié)在銅基底上絲網(wǎng)的掩膜作用，在超疏水納米草間形成陣列排布的親水點(diǎn)，制備了浸潤(rùn)性異質(zhì)銅基表面。濕空氣中表面冷凝實(shí)驗(yàn)表明，兩種浸潤(rùn)性異質(zhì)表面均有效地調(diào)控了冷凝液滴分布，成功地制備了尺寸均勻的微米陣列液滴。且液滴生長(zhǎng)速率可通過(guò)表面過(guò)冷度和空氣相對(duì)濕度控制。浸潤(rùn)性異質(zhì)絲網(wǎng)表面冷凝相分布調(diào)

7、控機(jī)理如下:燒結(jié)后，緯絲焊接在純銅基底表面，而經(jīng)絲被緯絲架空與基底并不接觸?；捉禍貢r(shí)，緯絲上冷凝速率比經(jīng)絲大1個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，緯絲上冷凝液體遠(yuǎn)多于經(jīng)絲。而陣列排布的緯絲頂端比其余部位更“親水”，在表面能梯度作用下聚集冷凝液體，最終形成陣列液滴。親疏水相間銅基表面冷凝相分布則受表面放置方位的影響:表面水平放置時(shí)，超疏水納米結(jié)構(gòu)上冷凝液滴發(fā)生融合和自驅(qū)動(dòng)彈跳，且在重力作用下回落。回落液滴與親水點(diǎn)液滴融合將破壞液滴直徑的均勻性，觸發(fā)親水點(diǎn)液

8、滴彈跳將破壞親水點(diǎn)液滴的自組織性。回落液滴的多米諾效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和臺(tái)球效應(yīng)將進(jìn)一步破壞自組織性，不能形成陣列液滴。相反，豎直放置的親疏水表面冷凝時(shí)，超疏水納米結(jié)構(gòu)上雜化液滴跳離表面而不返回，不破壞親水點(diǎn)上液滴的自組織生長(zhǎng)，可形成大小均勻、高度自組織化的陣列液滴。
　　本文利用絲網(wǎng)膜管有效地調(diào)控了管內(nèi)相分布，證實(shí)了相分布調(diào)控下冷凝傳熱強(qiáng)化效果。結(jié)合可視化圖像和理論分析，初步揭示了相分布調(diào)控基本原理，探究了絲網(wǎng)膜管微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相分布

9、調(diào)控及冷凝傳熱強(qiáng)化效果的影響。提出的相分布冷凝傳熱強(qiáng)化技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)冷凝器小型化，減小換熱設(shè)備金屬消耗和資金投入，縮短ORC發(fā)電技術(shù)成本回收周期，促進(jìn)ORC發(fā)電技術(shù)在低品位能源利用中的推廣和應(yīng)用。表面相分布調(diào)控的研究則利用絲網(wǎng)功能材料和金屬燒結(jié)工藝，開發(fā)了兩種金屬基浸潤(rùn)性異質(zhì)表面制備方法，具有低廉、高效、可大規(guī)模應(yīng)用的特點(diǎn)。基于親疏水相間異質(zhì)表面冷凝液滴相分布調(diào)控，獲得了自組織生長(zhǎng)的微米陣列液滴，揭示了冷凝液滴相分布調(diào)控機(jī)理及陣列液滴