表面润湿性及重力对混合蒸气冷凝过程的影响

摘要

滴状冷凝过程的高效换热性能已被广泛认知，在制冷工业、石油化工、航空航海等领域有重要应用。液滴运动是滴状冷凝过程最重要的特征和控制因素，传热性能受液滴特性，特别是液滴的形态、尺寸及动态过程等影响显著。而液滴特性受冷凝表面的润湿性、倾斜角度、不凝气含量等因素的影响。当冷凝表面倾斜时，液滴的接触角会在三相接触线处改变，因此深入认识倾斜角度对冷凝液滴特性的调控作用，对探究传热机理和研发先进技术有重要意义。
　　本文制备完全疏水、完全超疏水表面铜管，以及设计优化可变倾角实验台，考察不同表面润湿特性，及倾斜角度对含有大量不凝气的混合蒸气冷凝过程的影响规律。以此为基础设计疏水-超疏水组合表面，探究组合表面对混合蒸气冷凝过程的调控作用。
　　首先研究不凝气含量，倾斜角度，以及润湿性对液滴特性的影响。通过可视化研究发现，关于液滴的接触角滞后，疏水表面环隙管上冷凝液滴的接触角滞后随不凝气含量的增加而增加，超疏水表面的接触角滞后随不凝气含量的增加而减小。两种表面倾斜时的接触角滞后大于竖直时，且位于铜管上部的液滴接触角滞后现象没有铜管下部液滴明显;关于液滴临界脱落半径，疏水表面的临界半径随不凝气含量的增加而变大，超疏水表面临界半径随不凝气含量的增加而减少。倾斜角度对液滴的临界半径也存在影响，增大与竖直方向的夹角液滴的临界半径变大。组合表面疏水区域的脱落半径大于超疏水区域，疏水区域不凝气含量和倾斜角度对脱落半径无明显影响，超疏水区域液滴脱落半径与完全超疏水表面的规律相同。
　　关于液滴的动态特性及组合表面调控作用的研究表明:凝液冲刷时，完全疏水和完全超疏水表面的液滴会向竖直向下的方向沿着管壁进行冲刷。倾斜角度增大时，组合表面对冷凝液滴的脱落轨迹有明显的调控作用，使液滴偏离重力方向沿着疏水环向下冲刷;不凝气为60％时，完全超疏水表面及组合表面的超疏水区域在每种倾斜角度时，均观察到液滴弹跳现象;疏水-超疏水组合表面，在不凝气含量30％、45％时超疏水区域对疏水区域液滴具有“抽吸”作用，不凝气含量60％时，超疏水区域液滴处于Cassie模式，向疏水区域定向迁移，说明不凝气含量影响表面润湿模式。
　　实验研究了不凝性气体含量，倾角，界面作用等因素对传热性能的影响。结果表明:不凝气是影响混合蒸气冷凝传热性能最主要的因素。不凝气含量为30％时，疏水表面的传热效率高于超疏水表面。其中，竖直管传热性能最佳，与竖直方向夹角60°时传热性能最低。对于组合表面，倾斜角度60°的传热性能优于30°与45°，因为60°时液滴受界面作用的调控明显，达到传热强化的效果。表明组合表面对有倾斜角度的混合蒸气冷凝过程具有一定的调控作用，为倾斜混合蒸气换热器的设计提供了新思路。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 表面润湿性的基本理论

1．1．1 接触角及Young方程

1．1．2 润湿状态划分

1．1．3 接触角滞后理论

1．2 滴状冷凝相关原理

1．2．1 滴状冷凝机理及主要影响因素

1．2．2 滴状冷凝液滴特性与传热

1．3 混合蒸气冷凝的机理及相关研究

1．4 界面效应、倾斜角度等因素对冷凝过程的影响

1．4．1 界面效应强化滴状冷凝过程

1．4．2 倾斜角度对蒸汽冷凝过程的影响

1．5 本文主要研究内容及设计思路

2 表面制备及冷凝实验系统

2．1 冷凝表面的制备与表征

2．1．1 完全疏水表面的制备

2．1．2 超疏水表面的制备

2．1．3 疏水-超疏水组合表面的制备

2．2 混合蒸气冷凝实验装置及流程

2．3 数据处理及误差分析

2．3．1 实验数据采集

2．3．2 实验数据处理

2．3．3 实验误差分析

3 完全疏水与完全超疏水表面混合蒸气冷凝研究

3．1 完全疏水表面混合蒸气冷凝液滴特性

3．1．1 液滴接触角滞后分析

3．1．2 液滴脱落冲刷研究

3．2 完全超疏水表面混合蒸气冷凝液滴特性

3．2．1 液滴接触角滞后分析

3．2．2 液滴脱落冲刷研究

3．2．3 大量不凝气下超疏水表面液滴弹跳现象

3．3 完全疏水及完全超疏水表面传热特性研究

3．3．1 不凝气含量30％时完全疏水及完全超疏水表面的传热特性

3．3．2 不凝气含量45％时完全疏水及完全超疏水表面的传热特性

3．3．3 不凝气含量60％时完全疏水及完全超疏水表面的传热特性

3．4 本章小结

4 疏水-超疏水组合表面调控混合蒸气冷凝过程

4．1 疏水-超疏水组合表面相关参数

4．2 疏水-超疏水组合表面混合蒸气冷凝液滴特性研究

4．2．1 疏水-超疏水表面界面液滴迁移特性

4．2．2 冷凝液滴脱落分析

4．2．3 组合表面冷凝液滴韵运动轨迹

4．2．4 大量不凝气时组合表面液滴弹跳分析

4．3 疏水-超疏水组合表面的传热特性研究

4．3．1 不凝气含量30％时疏水-超疏水组合表面的传热特性

4．3．2 不凝气含量45％、60％时疏水-超疏水组合表面的传热特性

4．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢