非等溫表面Marangoni凝結(jié)特性的研究

胡申華, 嚴(yán)俊杰, 王進(jìn)仕

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,烏魯木齊 830047;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安 710049)

根據(jù)冷凝液與冷凝表面的濕潤程度可將蒸汽的冷凝方式分為膜狀冷凝和珠狀冷凝,珠狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的高一個(gè)數(shù)量級以上.現(xiàn)有的換熱器一般均是以膜狀凝結(jié)方式工作的,若能實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié),則可大大節(jié)省金屬的消耗和減小換熱器的尺寸.潔凈的金屬表面可形成珠狀凝結(jié),但難于持久保持.商福民[1]等采用不等徑結(jié)構(gòu)自激振蕩流熱管實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱.在諸多強(qiáng)化效果中,利用表面張力作用強(qiáng)化冷凝傳熱是一種較為理想的途徑.

研究發(fā)現(xiàn),在水中加入某些物質(zhì)(如酒精、氨等)的混合工質(zhì)的蒸汽凝結(jié)時(shí),會(huì)呈現(xiàn)出類似于珠狀凝結(jié)的凝結(jié)形態(tài),有學(xué)者稱之為“偽珠狀凝結(jié)”(Pseudo-dropwise condensation).出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于兩種組分的表面張力存在差異,高沸點(diǎn)組分的表面張力大于低沸點(diǎn)組分的表面張力,因而會(huì)發(fā)生Marangoni效應(yīng).

由于Marangoni珠狀凝結(jié)與非共沸混合物的膜狀凝結(jié)傳熱相比具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),目前Marangoni凝結(jié)傳熱已成為世界各國學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn).日本學(xué)者Yoshio Utaka[2]利用水-酒精混合蒸氣進(jìn)行了凝結(jié)傳熱試驗(yàn),在各種酒精濃度條件下進(jìn)行了豎直平板的凝結(jié)傳熱性能測量,得出了凝結(jié)過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與過冷度的關(guān)系曲線;西安交通大學(xué)的Marangoni課題組對平板、圓管的Marangoni凝結(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的研究[3-4].在實(shí)際的工程應(yīng)用中,為了強(qiáng)化對流側(cè)的傳熱,通常加裝了很多肋片,凝結(jié)過程是在具有溫度差而非溫度均勻的凝結(jié)表面上進(jìn)行的.王進(jìn)仕等[5]對帶溫度梯度的凝結(jié)表面進(jìn)行了Marangoni凝結(jié)的試驗(yàn).

綜合上述文獻(xiàn),盡管對Marangoni凝結(jié)進(jìn)行了很多研究,但對于其換熱強(qiáng)化機(jī)理,尤其是對帶有溫度梯度的Marangoni凝結(jié)試驗(yàn)的強(qiáng)化機(jī)理還未涉及,本文就這方面進(jìn)行了討論.

1 試件和試驗(yàn)系統(tǒng)

為在凝結(jié)表面產(chǎn)生溫度差,在試驗(yàn)中試件橫截面采用梯形(見圖1).

圖1 試件簡圖Fig.1 Schematic diagram of the test block

試件上表面是凝結(jié)面,下表面是冷卻側(cè),由于沿凝結(jié)面橫向試件厚度是變化的,在兩側(cè)邊界條件相同工況下,必然會(huì)在凝結(jié)表面產(chǎn)生溫度差.

圖2為采用數(shù)值計(jì)算方法得到的試件內(nèi)溫度場.凝結(jié)面和冷卻面均采用對流傳熱邊界條件,凝結(jié)面的對流傳熱系數(shù)取150 kW/(m2?K),冷卻面的對流傳熱系數(shù)取30 kW/(m2?K),冷卻水溫取298 K,混合蒸氣溫度取353 K.從圖2可以看出,試件凝結(jié)表面上的溫度是不相同的,厚邊的表面溫度高于薄邊的溫度,溫差達(dá)到了3 K左右.

在數(shù)值計(jì)算時(shí),假設(shè)表面各處的凝結(jié)傳熱系數(shù)都是相等的.但在實(shí)際試驗(yàn)中,凝結(jié)表面各處的傳熱系數(shù)是存在差異的,厚邊處的局部傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于薄邊的傳熱系數(shù),這會(huì)進(jìn)一步加大凝結(jié)表面的溫度差.由平塊的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,最后確定試件的尺寸見圖1.在試驗(yàn)過程中,凝結(jié)表面溫差最大可以達(dá)到10 K左右.試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)步驟可參考文獻(xiàn)[6].

圖2 試件內(nèi)溫度場理論模擬Fig.2 Simulation of temperature field in the test block

2 試驗(yàn)結(jié)果

在三個(gè)壓力(31.2 kPa、47.4 kPa和84.5 kPa)和三種流速(2 m/s、4 m/s和6 m/s)下,研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)c=(100%～50%)水-(0%～50%)酒精混合蒸氣的凝結(jié)傳熱特性.圖3是壓力為84.5 kPa、流速為2 m/s的試驗(yàn)條件下,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合蒸氣的凝結(jié)特性曲線.

圖3 凝結(jié)傳熱特性曲線Fig.3 Comparison of heat transfer coefficient between ex perimental results and literature data

從圖3可以看出,傳熱系數(shù)隨表面過冷度呈非線性變化規(guī)律,存在凝結(jié)傳熱系數(shù)的最大值.凝結(jié)傳熱系數(shù)的最大值隨酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低有向過冷度較小區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的趨勢;在低酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍(0.5%～10%)內(nèi),凝結(jié)傳熱系數(shù)對表面過冷度的依賴性強(qiáng);在較高的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍(20%～50%)內(nèi),凝結(jié)傳熱系數(shù)對表面過冷度的依賴性減弱.在其他條件相同的情況下,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨蒸氣流速和壓力的增大而增大(圖中未給出).

在近似相同的試驗(yàn)條件下,本試驗(yàn)中的凝結(jié)傳熱系數(shù)較文獻(xiàn)中的凝結(jié)傳熱系數(shù)大.本文在壓力84.5 kPa、流速2 m/s下傳熱系數(shù)的最大值為210 kW/(m2?K)左右;Utaka[2]的試驗(yàn)在壓力101.1 kPa、流速 1.5 m/s下傳熱系數(shù)的最大值為 180 kW/(m2?K)左右.

圖4是凝結(jié)面上兩點(diǎn)(S2、S8)溫差隨冷卻水溫升的變化曲線.在試驗(yàn)過程中,兩點(diǎn)之間存在溫度差,在其他條件相同的情況下,該溫差一般隨酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小.

圖4 試驗(yàn)塊兩側(cè)表面溫差Fig.4 T emperature difference on surfaces at both sides of test block

圖5表示的是S2和S8兩點(diǎn)傳熱系數(shù)與表面過冷度之間的變化關(guān)系,在同一試驗(yàn)條件下,兩點(diǎn)的變化規(guī)律是相似的,在數(shù)值上,不同點(diǎn)的傳熱系數(shù)存在差異,S2點(diǎn)的最高,S8點(diǎn)的最低.

圖5 試驗(yàn)塊兩側(cè)傳熱系數(shù)Fig.5 Heat transfer coefficient at both sides of test block

3 分析和討論

對于二元混合蒸氣的凝結(jié),氣側(cè)到凝結(jié)表面存在兩個(gè)熱阻,一個(gè)是蒸氣側(cè)到凝結(jié)液面的擴(kuò)散熱阻Rdiff,另一個(gè)是液膜的導(dǎo)熱熱阻Rl.Chris Philpott[7]進(jìn)行了氨水的試驗(yàn),他指出在最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨蒸氣中,Rl遠(yuǎn)大于Rdiff,相差一個(gè)數(shù)量級;隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,Rdiff逐漸增大,最終超過Rl而占據(jù)支配地位.從其試驗(yàn)結(jié)果可以推斷出,在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),擴(kuò)散熱阻相比導(dǎo)熱熱阻較小;但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大后,擴(kuò)散熱阻將占主導(dǎo)地位.

Song等[8]研究了混合蒸氣珠狀凝結(jié)中液珠的形成機(jī)理,研究表明,雖然從凝結(jié)狀態(tài)上看屬于珠狀凝結(jié),但實(shí)際上在液珠之間以及液珠的脫落處都存在一層薄的凝結(jié)液膜,其凝結(jié)模型見圖6.Utaka測量了該液膜的厚度,得出的結(jié)論是該液膜的厚度最少是 1μm.

圖6 珠狀凝結(jié)的物理模型Fig.6 Physical model of dropwise condensation

取傳熱系數(shù)為150 kW/(m2?K),則當(dāng)液膜的厚度分別為 1μm 、2μm 、3μm 時(shí) ,凝結(jié)液膜的熱阻在整個(gè)壁面?zhèn)鹊臒嶙柚兴急壤姳?.

表1 不同液膜厚度下凝結(jié)液膜熱阻占壁面?zhèn)葻嶙璞壤齌ab.1 Proportion of condensation film heat resistance to the total value at wall side

從表1可以看出,當(dāng)凝結(jié)液膜厚度達(dá)到2μm時(shí),其導(dǎo)熱熱阻在整個(gè)傳熱熱阻中起了重要的作用.所以,該層液膜導(dǎo)熱能力的大小對傳熱具有很大的影響.

單獨(dú)考慮凝結(jié)液膜(見圖7)時(shí),液膜的表面張力取決于溫度T和液膜中酒精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)c,由于

式中:L為凝結(jié)表面的橫向長度,從右至左取為正.

通常?σ/?T ＜0 和?σ/?c＜0,因凝結(jié)表面右側(cè)的溫度低于左側(cè)的溫度,即dT/dL＞0,則方程(1)右邊的第一項(xiàng)為負(fù),產(chǎn)生向右的運(yùn)動(dòng)見圖7,這種運(yùn)動(dòng)稱為thermocapillary運(yùn)動(dòng),是由于溫度差引起的.假設(shè)在界面上的酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)都達(dá)到飽和,則右側(cè)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,即dc/dL＜0,則方程(1)右邊的第二項(xiàng)為正,這一項(xiàng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)由左向右,稱為destillocapillary運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)差引起的.這兩種運(yùn)動(dòng)方向相反,相互作用,增大了液膜內(nèi)擾動(dòng),減小了液膜的熱阻,使傳熱系數(shù)提高.所以帶溫度梯度凝結(jié)表面的傳熱系數(shù)要高于相似工況下橫向不帶溫差平板的傳熱系數(shù).

圖7 液膜中的兩種運(yùn)動(dòng)Fig.7 Two kinds of motions in the liquid film

傳熱系數(shù)隨過冷度的變化是由于在混合蒸氣凝結(jié)過程中,水蒸氣先于酒精蒸氣凝結(jié),在混合蒸氣主體和凝結(jié)界面之間形成了一層薄的蒸氣擴(kuò)散層.穿過該擴(kuò)散層水蒸氣和酒精蒸氣的組分存在變化:水蒸氣的分壓力逐漸降低而酒精蒸氣的分壓力增大,以維持與主體混合蒸氣壓力的平衡.由此可知,擴(kuò)散熱阻隨著壁面溫度的降低而增大.

隨著表面過冷度的增大,凝結(jié)驅(qū)動(dòng)力變得更大,有更多的混合蒸氣凝結(jié).另一方面,液膜中的thermocapillary和destillocapillary運(yùn)動(dòng)也隨著過冷度的增大而變得更強(qiáng),最終減小了凝結(jié)液的導(dǎo)熱熱阻.這種效應(yīng)超過了由于壁面溫度降低使得擴(kuò)散熱阻增大的影響,總的熱阻在低的表面過冷度下保持近似不變或略微減小.隨著過冷度的進(jìn)一步降低,凝結(jié)量的增大超過了熱阻的減小,總的熱阻將會(huì)增大,從而傳熱系數(shù)減小.

在傳熱系數(shù)的方面,S2的傳熱系數(shù)大于S8的,這是因?yàn)閠hermocapillary運(yùn)動(dòng)對液膜的影響大于destillocapillary運(yùn)動(dòng)的影響,使得在橫向凝結(jié)面上形成一個(gè)左側(cè)薄而右側(cè)厚的楔形液膜[9],右側(cè)的液膜較左側(cè)的薄,熱阻減小,傳熱系數(shù)數(shù)值較大.

4 結(jié) 論

(1)在相似的試驗(yàn)工況下(p=84.5 kPa、v=2 m/s),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的混合蒸氣其傳熱系數(shù)比Utaka的試驗(yàn)數(shù)值高近15%.

(2)凝結(jié)液膜的熱阻對凝結(jié)過程的影響很大,占到壁面?zhèn)葻嶙璧?0%～60%.

(3)在凝結(jié)液膜內(nèi)存在thermocapillary和destillocapillary兩種相反的運(yùn)動(dòng),這兩種運(yùn)動(dòng)增大了液膜內(nèi)的擾動(dòng),減小了熱阻.

(4)隨過冷度的增大,兩種運(yùn)動(dòng)雖然增強(qiáng),但凝結(jié)量的增大超過了熱阻的減小,總的熱阻增大,傳熱系數(shù)減小.

[1]商福民,劉登瀛,冼海珍,等.采用不等徑結(jié)構(gòu)自激振蕩流熱管實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱[J].動(dòng)力工程,2008,28(1):100-103.SHANG Fumin,LIU Dengying,XIAN Haizhen,et al.Enhanced heat transfer by using self-exciting mode oscillating-flow heat pipes of non-uniform structure[J].Journal of Power Engineering,2008,28(1):100-103.

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