润湿性对水蒸汽冷凝过程传热性能影响的分子动力学分析

摘要

冷凝是重要的传热方式之一。宏观上对冷凝的研究较为完善，但是人们还没有完全理解冷凝初期纳米尺度液滴和液膜的形成过程和机制。在分子动力学模拟领域，针对水蒸汽冷凝过程的模拟选用的水蒸汽温度主要在450K以上，且较少研究不凝性气体对相变过程的影响，而电厂所用的凝汽器等设备中用的水蒸汽温度在450K以下。有鉴于此，本文将使用分子动力学模拟技术，针对较低温度的水蒸汽的冷凝过程开展研究，分析蒸汽温度与不凝性气体对不同润湿性的表面发生的冷凝过程的影响，为进一步提高冷凝过程的换热效率提供理论支持。为使本文的研究对凝汽器中的冷凝过程具有更好的参考意义，选择铜作为表面来开展模拟研究。本文的模拟使用软件LAMMPS实现。论文的主要工作如下： 选用了TIP4P模型描述水分子，EAM模型描述铜原子。采用密度和导热系数对TIP4P水模型进行验证，发现模拟值与实验值误差较小，可满足本文的模拟要求。接触角是表征润湿性的关键参数，本文建立了水滴在铜表面上运动的模型，使用该模型模拟了水滴接触角随铜与水的相互作用势中的势肼深度的变化，发现势肼深度从0.01ev到0.03ev的范围就能够表征铜表面润湿性从疏水性到亲水性的范围。 建立了一个可源源不断提供水蒸汽到铜表面上凝结的模型，且对模型进行了改进以适应本文所用水蒸汽密度较低的情况。采用该模型对不同温度条件下的蒸汽在亲水面和疏水面上冷凝的过程进行了模拟。研究表明，不同温度的水蒸汽凝结在亲水面上时传热传质表现一致：水蒸汽接触亲水面后很快开始凝结，传热效率基本不变。然而，水蒸气凝结在疏水面上时传热传质表现受到蒸汽温度的影响：当蒸汽温度为450K时，蒸汽接触疏水面后很快凝结，传热效率变化不大；当蒸汽温度为350K至400K之间时，蒸汽接触疏水面需要较长的时间后才能开始凝结，传热效率先缓慢增加最后转为恒定。本文依照传热效率的变化将温度为450K以下的蒸汽在疏水面上冷凝的初期过程分为了无凝结、加速凝结和稳定凝结三个阶段，分段分析后发现，较强的壁面润湿性和较高的蒸汽温度都能提高冷凝过程的传热表现。而蒸汽温度越低，润湿性对传热效率的影响越大，蒸汽也越不容易凝结在疏水面上。这表明，对于较低温度的蒸汽冷凝过程，疏水性过强时可能会对冷凝过程起到一定的反作用。 本文还将不凝性气体加入上述蒸汽凝结的模型中，对含不凝性气体的蒸汽冷凝过程进行了模拟。模拟结果表明，不凝性气体对冷凝有抑制作用，而且含不凝性气体的蒸汽在疏水面上凝结时不凝性气体对冷凝的影响比其在亲水面上凝结时的影响要大。所以工程中选用疏水性材料作冷凝表面时，需要更加注意防止设备中漏入不凝性气体。

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