疏水表面蒸汽滴状凝结传热的实验研究

摘要

蒸汽凝结传热过程在石油、化工、航天、动力及制冷空调等领域都有广泛的应用，其换热性能的强化对节约能源、节省原材料及工程费用等方面具有重要意义。滴状凝结传热由于具有较膜状凝结高出数倍乃至数十倍的传热系数，受到学术界和工程应用领域的广泛关注。在当今世界能源日益紧张的情况下，如何对凝结表面进行改性使其能够长时间维持滴状凝结，成为众多学者们深入研究的热点问题之一。本文在搭建了可视化凝结传热实验台的基础上，通过实验对两种不同表面上的凝结传热性能、液滴动态特性进行了研究。
　　利用分子自组装膜技术在紫铜表面上制备了铜基十八烷基硫醇光滑疏水表面以及辊压转移技术在同一种紫铜表面上制备了铜基单层石墨烯表面。采用自行编制的接触角测量程序测量去离子水在两种表面上的接触角，凝结实验前十八烷基硫醇分子自组装膜的静态接触角为108.5°，单层石墨烯膜表面的静态接触角为89.7°。
　　采用Visual Basice语言编制了程序对ROSE滴状凝结模型进行计算，由计算结果可以对比出与Rose本人的计算值与其实验值相符。分析计算了在不同过冷度(0.5-20K)和不同压力条件(5、10、20、30、40、50、60、80及101 kPa)下，光滑疏水表面的传热通量及传热系数的变化趋势:在相同的实验条件下，在同一过冷度下，系统压力越高，传热通量与传热系数也越大。同一实验条件，同一蒸汽压力下，传热通量随过冷度的增大而提高，传热系数随过冷度的增大而下降，且随着过冷度的增大，传热系数下降的趋势逐渐缓慢。这主要是因为当蒸汽压力较高时，实验系统中单位体积的蒸汽量较多，参与凝结的蒸汽量充足;且压力高时，凝结液滴与蒸气之间的气-液界面热阻也相应较小，传热性能较好。
　　实验研究了在系统压力为40 kPa、过冷度为1-26 K、冷却水流量为11/min的条件下，水蒸汽在两种表面上的凝结传热特性。结果表明，两个表面上的凝结传热通量和凝结换热系数随过冷度的变化表现出相同的趋势，传热通量随着过冷度的增大而增大，传热系数则随着过冷度的增大而下降。由实验中高速摄像拍摄到的表面状况可知，水蒸汽在铜基十八烷基硫醇分子自组装膜表面上形成滴状凝结，在铜基单层石墨烯膜表面上的凝结形态则呈现滴膜共存状态，且水蒸汽在石墨烯表面上凝结时凝结液滴接触角滞后效应非常明显，接触角较小。因此在相同的实验条件下，十八烷基硫醇光滑疏水表面的传热通量是单层石墨烯表面传热通量的1.6倍，且在过冷度较小(小于2K)的情况下，疏水表面的传热通量可达石墨烯表面传热通量的2～3倍。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 膜状凝结和滴状凝结

1．1．1 膜状凝结和滴状凝结的判据

1．1．2 膜状凝结

1．2 滴状凝结的微观机理及传热模型

1．2．1 液滴的形成

1．2．2 液滴的生长、合并与脱落

1．2．3 液滴的尺寸分布函数

1．2．4 滴状凝结的传热模型

1．3 滴状凝结的实现方法及影响因素

1．3．1 滴状凝结的实现方法

1．3．2 影响滴状凝结的主要因素

1．4 研究思路及内容

第二章 竖直圆形壁面上滴状凝结传热的可视化实验

2．1 实验装置与实验步骤

2．1．1 实验装置

2．1．2 数据测量与采集系统

2．1．3 实验步骤

2．2 实验系统稳定性分析

2．3 传热数据处理方法及误差分析

2．3．1 传热数据处理方法

2．3．2 误差分析

2．4 本章小结

第三章 疏水表面的基本理论及制备

3．1 超疏水表面的基础理论

3．1．1 理想表面的静态接触角

3．1．2 Wenzel模型及Cassie模型

3．1．3 接触角滞后效应

3．1．4 滚动角

3．2 疏水表面的制备及表征

3．2．1 十八烷基硫醇分子自组装膜表面的制备及表征

3．2．2 石墨烯表面的制备及表征

3．3 本章小结

第四章 滴状凝结传热模型分析及模拟

4．1 ROSE滴状凝结传热模型

4．2 传热模型计算软件编制简介

4．2．1 物性参数的计算

4．2．2 程序说明

4．3 计算结果讨论

4．3．1 不同压力条件下的热流密度

4．3．2 不同压力条件下的传热系数

4．4 本章小结

第五章 两种表面的水蒸汽凝结特性

5．1 铜基十八烷基硫醇疏水表面水蒸汽凝结特性

5．1．1 铜基十八烷基硫醇疏水表面的凝结传热通量

5．1．2 铜基十八烷基硫醇疏水表面的凝结换热系数

5．1．3 铜基十八烷基硫醇疏水表面的液滴动态特性

5．2 铜基单层石墨烯表面水蒸汽凝结特性

5．2．1 铜基单层石墨烯表面的凝结传热通量

5．2．2 铜基单层石墨烯表面的凝结换热系数

5．2．3 铜基单层石墨烯表面的凝结特性

5．3 两种表面在同一实验条件下的凝结传热性能对比

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文的主要研究结论

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文成果