管內及表面冷凝相分布調控實驗研究.pdf

1、冷凝分為管內和表面冷凝兩個研究方向。對于管內冷凝，相分布（即流型）是影響傳熱的關鍵因素。但目前管內冷凝傳熱強化技術沿用單相傳熱強化思路，依賴擴展受熱面和破壞邊界層發(fā)展。因此，需要進一步開發(fā)適應管內冷凝相分布特點的傳熱強化技術。對于表面冷凝，滴狀冷凝可產生數量龐大的液滴，但液滴大小不一、間距不等，在表面上分布雜亂。若冷凝液滴相分布實現均勻化和陣列化，可在高新科技行業(yè)發(fā)揮重要作用。因此，本文以相分布調控思想為綱，充分挖掘金屬絲網這種功能材料

2、的潛力，開展了相分布調控下管內冷凝傳熱強化及浸潤性異質表面冷凝液滴陣列化生長兩個方面的實驗研究。
　　管內相分布調控研究包含兩個內容:空氣-水兩相流可視化冷態(tài)實驗以及有機工質冷凝熱態(tài)性能實驗?？諝?水兩相流相分布調控冷態(tài)實驗研究表明:管內插入絲網膜管，分層流和間歇流調控后的相分布，表現出有利于冷凝傳熱的特征和潛力。分層流流經絲網膜管時，絲網孔產生的毛細力，將管子底部的液體全部或者部分地吸入絲網膜管內的核心區(qū)，膜管與有機玻璃管間環(huán)隙

3、區(qū)的液位降低，從而擴大了氣相覆蓋管壁的面積。間歇流流經絲網膜管時，絲網孔產生的毛細壓差阻止氣彈進入絲網膜管核心區(qū)，但允許液體從環(huán)隙區(qū)向膜管內流動。絲網膜管“阻氣通液”的作用使得環(huán)隙區(qū)氣彈拉長，在圓周方向上呈馬鞍狀鋪展，從而在管壁上擠出更加寬廣的薄液膜區(qū)域，有利于降低壁面平均液膜厚度。管內R245fa冷凝實驗證實了相分布調控強化傳熱的能力:管內插入三種不同微觀結構參數的微孔膜管，均成功地調控了管內冷凝相分布，有效地強化了管內R245fa冷

4、凝傳熱。傳熱強化因子EF隨質量含氣率xin和質量流速G的增大而增大。實驗工況范圍內，調控管傳熱強化因子EF范圍為1.12～1.87。由于R245fa表面張力較小，在管內主要表現為波狀分層流和霧式環(huán)狀流兩種流型。微孔膜管通過捕捉環(huán)狀流氣芯中攜帶液滴，提高環(huán)隙區(qū)質量含氣率xan，避免液滴在壁面沉降引起液膜增厚，從而調控環(huán)狀流，強化冷凝傳熱;絲網絲徑越小，液滴接觸絲網后鋪展驅動壓差越大，鋪展越迅速，液滴捕獲效率越高，因而傳熱強化效果越好。微孔

5、膜抽吸分層流在管道底部沉積的冷凝液，降低環(huán)隙區(qū)冷凝液液位，增大蒸氣與換熱壁面接觸面積，提高環(huán)隙區(qū)質量含氣率xan，從而調控波狀分層流，強化冷凝傳熱;絲網孔徑dp越小，微孔膜抽吸效應越強，因而傳熱強化效果越好。絲網孔徑與開孔率比值dp/ψ及絲網膜管內外壓差，共同決定了經過絲網膜管流向核心區(qū)的液體量Gleak，從而改變環(huán)隙的質量流速Gan與質量含氣率xan，影響冷凝傳熱強化效果與壓降懲罰。
　　浸潤性異質表面是調控滴狀冷凝相分布、制備

6、陣列液滴的基礎?；诮z網功能材料和金屬燒結工藝，本文開發(fā)了兩種新穎的浸潤性異質表面制備方法:利用絲網燒結殘余應力下的不均勻腐蝕，制備了浸潤性異質絲網表面;利用燒結在銅基底上絲網的掩膜作用，在超疏水納米草間形成陣列排布的親水點，制備了浸潤性異質銅基表面。濕空氣中表面冷凝實驗表明，兩種浸潤性異質表面均有效地調控了冷凝液滴分布，成功地制備了尺寸均勻的微米陣列液滴。且液滴生長速率可通過表面過冷度和空氣相對濕度控制。浸潤性異質絲網表面冷凝相分布調

7、控機理如下:燒結后，緯絲焊接在純銅基底表面，而經絲被緯絲架空與基底并不接觸?；捉禍貢r，緯絲上冷凝速率比經絲大1個數量級。因此，緯絲上冷凝液體遠多于經絲。而陣列排布的緯絲頂端比其余部位更“親水”，在表面能梯度作用下聚集冷凝液體，最終形成陣列液滴。親疏水相間銅基表面冷凝相分布則受表面放置方位的影響:表面水平放置時，超疏水納米結構上冷凝液滴發(fā)生融合和自驅動彈跳，且在重力作用下回落?；芈湟旱闻c親水點液滴融合將破壞液滴直徑的均勻性，觸發(fā)親水點液

8、滴彈跳將破壞親水點液滴的自組織性?；芈湟旱蔚亩嗝字Z效應、旋轉效應和臺球效應將進一步破壞自組織性，不能形成陣列液滴。相反，豎直放置的親疏水表面冷凝時，超疏水納米結構上雜化液滴跳離表面而不返回，不破壞親水點上液滴的自組織生長，可形成大小均勻、高度自組織化的陣列液滴。
　　本文利用絲網膜管有效地調控了管內相分布，證實了相分布調控下冷凝傳熱強化效果。結合可視化圖像和理論分析，初步揭示了相分布調控基本原理，探究了絲網膜管微觀結構參數對相分布

9、調控及冷凝傳熱強化效果的影響。提出的相分布冷凝傳熱強化技術，有利于實現冷凝器小型化，減小換熱設備金屬消耗和資金投入，縮短ORC發(fā)電技術成本回收周期，促進ORC發(fā)電技術在低品位能源利用中的推廣和應用。表面相分布調控的研究則利用絲網功能材料和金屬燒結工藝，開發(fā)了兩種金屬基浸潤性異質表面制備方法，具有低廉、高效、可大規(guī)模應用的特點?；谟H疏水相間異質表面冷凝液滴相分布調控，獲得了自組織生長的微米陣列液滴，揭示了冷凝液滴相分布調控機理及陣列液滴