非饱和蒸发表面亲水涂层强化热质传递性能研究

摘要

随着能源和环境问题的日益突出,节能节水问题引起普遍关注,迫切需要大力发展高效节能节水技术及设备。液膜蒸发冷却以其小流量、小温差、高传热传质系数、高热流密度、结构简单且动力消耗小等独特优点,已作为一项高效传热传质技术在热能工程、制冷、化工、能源、航天、电子等许多工业领域得到广泛的应用。蒸发式冷凝器就是基于液膜蒸发冷却技术而研究开发的高效节能节水换热设备,在我国能源及水资源紧张的局势下更是得到了快速和全面的应用。 蒸发式冷凝器工作过程中换热表面非饱和蒸发涉及空气流和水流两相流的传热传质。本文首先对整个传热传质过程进行了分析,建立了不完全润湿数学模型,指出了研究及应用中存在的问题和强化传热措施,提出通过在换热表面涂覆纳米TiO2亲水涂层来强化传热传质。 采用溶胶凝胶法在不锈钢表面制备了纳米TiO2亲水涂层,研究了涂层厚度、煅烧温度、Ag的掺杂量对涂层亲水性的影响,研究结果表明：实验条件下,镀膜三层,煅烧温度450℃,掺Ag量为1％时得到的薄膜亲水性最好。对按照本实验所得的最佳工艺条件在换热表面制备的纳米亲水涂层的性能进行了相关测试,该涂层的亲水性及理化性能良好,能够满足实验要求。 采用数码相机和红外热像仪对涂膜前后换热表面水膜流动和传热特性进行了研究。研究表明,涂膜后水膜的收缩得到了有效的抑制,水膜的铺展面积增加,水膜分布更加均匀,有利于传热传质；对水滴在涂膜前后换热板上的非饱和蒸发实验研究表明,相同体积的水滴在涂膜后的表面上铺展面积更大,水滴的蒸发速度更快,更有利于水膜的蒸发换热；单板实验研究表明涂膜后,换热板内热流体的温度下降速度更快,相同时间段内的换热量更多,有效提高了换热性能。 建立了板管蒸发式冷凝器性能实验平台,测试了亲水涂膜处理前后板管蒸发式冷凝器运行过程中的各参数,对亲水涂膜强化蒸发式冷凝器中非饱和蒸发传热传质进行实验研究和机理分析。通过研究主要得出以下结论：在相同的操作条件下,经亲水涂膜处理后,冷凝器的传热传质性能都得到了不同程度的提高,热流密度提高了1.0～5.0％；冷凝温度降低了1.0％左右；总传热系数提高了2.0～10.0％；板内到水膜的传热系数提高了1.6～7.7％；当量传热系数提高了2.0～11.0％；传质系数提高了4.0～7.4％。 本课题通过对纳米TiO2亲水涂层性能及其强化蒸发式冷凝器换热表面非饱和蒸发传热传质实验研究,丰富了蒸发式冷凝器的强化传热传质理论研究体系,为其强化传热传质的研究提供了一个新的思路和参考。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1我国能源形势

1.1.2液膜蒸发冷却术应用简介

1.1.3蒸发式冷凝器的原理特点和分类

1.2本课题提出的目的和意义

1.3相关研究的文献综述

1.3.1蒸发式冷凝器研究进展

1.3.2液膜蒸发传热及流动特性研究进展

1.4蒸发式冷凝器应用及研究中存在的问题及改进方法

1.4.1应用及研究中存在的问题

1.4.2改进换热表面润湿性的研究现状及方法

1.5本课题的来源、主要内容及特色

1.5.1课题来源

1.5.2主要研究内容

1.5.3主要特色及创新

1.6本章小结

第二章蒸发式冷凝器中非饱和蒸发热质传递理论分析

2.1前言

2.2板管蒸发式冷凝器传热传质过程

2.2.1热质传递过程分析

2.2.2传热传质模型推导

2.2.3传热传质系数的确定

2.3液膜流动及稳定性分析

2.4本章小结

第三章亲水涂层对水膜特性及蒸发换热的影响

3.1前言

3.2纳米TiO2薄膜超亲水性及光催化原理及制备方法

3.2.1纳米TiO2薄膜光催化特性原理

3.2.2纳米TiO2薄膜的制备方法

3.3纳米TiO2涂层的制备和筛选

3.3.1纳米TiO2涂层的制备

3.3.2纳米TiO2涂层的筛选

3.3.3纳米TiO2涂层的性能

3.4纳米TiO2亲水涂层对水膜分布特性的影响

3.5纳米TiO2亲水涂层对水膜蒸发的影响

3.5.1水滴蒸发实验

3.5.2单板传热性能实验

3.6本章小结

第四章亲水涂层对蒸发式冷凝器性能影响实验研究

4.1实验目的

4.2实验装置简介

4.2.1实验装置流程

4.2.2板管蒸发式冷凝器

4.2.3系统其它部件

4.3实验测试方法

4.3.1数据测试方法

4.3.2数据采集系统

4.3.3参数控制调节

4.3.4实验步骤

4.4实验数据处理及误差分析

4.4.1实验数据处理

4.4.2实验误差分析

4.5实验结果及分析

4.5.1对热流密度qf的影响

4.5.2对冷凝温度tk的影响

4.6.3对总传热系数K的影响

4.6.4对板内到水膜传热系数Kw的影响

4.6.5对水-空气当量传热系数aj的影响

4.6.6对水-空气传质系数αawm的影响

4.6纳米亲水涂层强化蒸发式冷凝器热质传递性能分析

4.7本章小结

结论及建议

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢