基于表面改性和涡流发生器强化传热研究

摘要

低压蒸气冷凝广泛存在于发电、石油化工、热管等工业应用中，其过程强化对于能源的高效利用具有重要意义。蒸气压力的降低，一方面导致气液界面热阻显著升高，增加了蒸汽向冷凝壁面的传热热阻，另一方面液滴脱落滞后增强，液滴脱落尺寸和凝液热阻增大，导致冷凝传热性能大幅度下降。随着不凝气含量升高，气相传质阻力大大增加，气液界面热阻增大，同样严重恶化了冷凝传热性能。因此，加强气液界面传质、减小气液界面热阻是强化低压蒸气冷凝传热的关键。针对低压蒸汽冷凝，可基于固液界面效应，利用疏水或疏水-亲水组合表面调控液滴动态行为以增强气相传质和增加液滴脱落频率，强化冷凝传热；针对高不凝气含量的混合蒸气冷凝，冷凝壁面附近累积的不凝气层较厚，液滴动态对气相传质的强化作用减弱，可进一步利用新型翅片结构对气相流场进行调控，增强掺混，强化气相传质，进而强化冷凝过程传热。本文主要研究内容如下： （1）为利用凝液动态特性增强气液界面传质，在白铜管上制备了PFA涂层疏水表面和疏水-亲水组合表面。设计搭建了水平管管外冷凝可视化传热实验装置，实验研究了不同传热管上凝液动态特性对冷凝传热的影响。结果表明，低压蒸汽冷凝过程中，白铜亲水管为膜状冷凝，随蒸汽压力降低、过冷度增大，凝液粘滞增强，液膜厚度增大，气液界面波动减弱，水蒸汽从气相主体向低温液膜扩散的传质推动力降低，冷凝传热系数大幅降低；PFA疏水管为滴状冷凝，相较于白铜亲水管膜状冷凝，液滴冲刷、脱落频率升高，其对气相扰动程度增大，气液界面热阻降低，传热系数提高；疏水-亲水组合表面上，液滴自发由疏水区向亲水区抽吸，加快了疏水区表面更新速度，同时液滴抽吸造成气相瞬时真空，气相掺混增强，气液界面热阻减小，传热性能进一步提高。 （2）设计了具有导流功能的三角形涡流发生器（TVGs）翅片结构，并对三角形涡流发生器结构进行了优化。该结构设计可诱导流体进入管后方尾迹区，增强传热区流体的湍动掺混，强化高不凝气含量冷凝条件下的气相传质过程，从而提高管翅式换热器的传热能力。采用k-epsilon模型数值模拟研究了该结构对流体流动和传热微观特性的影响机制。结果表明，存在三角形涡流发生器使圆管后面的尾迹区减少，热流体和冷流体之间的混合增强，涡流发生器对翅片表面二次流流动产生显著影响，涡旋数量增加，增强了流体湍动并减薄了边界层。较常规环形翅片管，带有三角形涡流发生器的翅片二次流强度Se增加了45.8％-57.9％，Nu提高了37.7％-42.2％。并基于数值模拟结果优化了三角形涡流发生器尺寸，当展弦比由3降低到1，冷凝传热性能可提高8.2％-77％。

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