梯度表面能材料表面的凝结换热实验及理论模型

摘要

在提倡节能的今天，研究凝结换热强化技术，减少传递过程中的可用能损失，是提高综合能源利用率的一种途径；滴状凝结表面传热系数大，是强化冷凝传热的最高效的方式，如果把滴状凝结应用到实际换热设备中将会极大地提高换热效率，使冷凝设备几何尺寸缩小，重量减轻，同时也可减小换热温差，带来热量利用率的提高。 本文提出了一种梯度表面能材料表面，该表面上液滴自迁移特性，提供了重力以外的排除凝结液滴方式，对于水平表面或者其它失重状态下的表面，能够及时排除凝结液滴，有效促进滴状凝结换热系数的提高。本文通过气相沉积的硅烷化方法制备梯度表面能材料表面，对饱和水蒸汽在梯度表面能材料表面上凝结的换热性能进行可视化的实验研究；首次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。主要研究成果如下： 1 采用化学气相沉积(CVD)的方法，分别采用了十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质，在厚度为0.5mm的矩形硅抛光片上沉积，制取了表面能一维梯度分布的矩形材料表面。 2 分别以十二烷基三氯硅烷制备的和以辛基三氯硅烷制备的梯度表面能材料表面作为水蒸汽凝结换热实验的实验表面，在实验表面与水平面倾角为0°、30°、60°和90°情况下，对水蒸汽在梯度表面能材料表面上的凝结换热性能进行了实验，并首次可视化研究了凝结液滴的长大、聚合、运动和脱落现象。实验结果表明：液滴能够在梯度表面能材料表面上实现从憎水侧向亲水侧的运动，水蒸汽凝结状态下的凝结液滴运动速度达到110mm/s，而空气中液滴在梯度表面能材料表面上的运动速度只有18mm/s；表面换热系数先随过冷度增大而增大，到达一个最大值后，反而随之减小；凝结表面倾角变大，表面换热系数也大，且过冷度对表面换热系数的影响越大；表面能梯度越大，表面换热系数也越大。 3 通过可视化实验观察到：当过冷度较小时，随着过冷度的增大，液滴长大-脱离的过程更迅速，液滴运动速度变快，扫除效应更加明显，导致表面换热系数随过冷度增大而增大；当过冷度处于较高值时，凝结成核、生长和聚合的加快，凝结表面小于脱离液滴尺寸的较大液滴数量将增大，较大液滴的凝结换热热阻大，造成随着过冷度的继续增大，表面换热系数反而减小的结果。 4 相同过冷度下，随着凝结表面的倾角增大，因为重力作用的增大使得脱离直径减小和液滴运动速度增加。同一过冷度和凝结表面倾角的情况下，十二烷基三氯硅烷制备的梯度表面能材料表面具有更大的表面能梯度，使得凝结液滴脱离直径减小、液滴运动速度更快。 5 改进均质表面上滴状凝结换热理论，并结合梯度表面能材料表面的液滴分布及凝结换热特性，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模型；通过实验观察确定模型的重要参数-最大液滴半径随过冷度的变化关系，并分别计算得到十二烷基三氯硅烷制备的和辛基三氯硅烷制备的水平度表面能材料表面上的滴状凝结平均表面换热系数。模型计算结果与实验值基本吻合。 6 对甲醇和乙醇蒸汽分别在一维矩形梯度表面能材料表面上凝结换热性能进行了预测，对水、甲醇和乙醇蒸汽分别在圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热性能进行了预测。最后对滴状凝结换热计算中的液滴换热模型和液滴分布模型提出几点思考。