胡浩威,牛東,唐上朝,唐桂華

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

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大量不凝性氣體存在時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管冷凝傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

胡浩威,牛東,唐上朝,唐桂華

(西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

為了提高大量不凝性氣體存在時(shí)水蒸氣的冷凝傳熱性能,實(shí)現(xiàn)對(duì)電力、化工、制冷等工業(yè)領(lǐng)域中余熱的高效回收利用,基于水平管外冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)?水蒸氣混合氣體在不同潤(rùn)濕性光滑管和翅片管表面的潤(rùn)濕特性和冷凝傳熱特性。通過(guò)化學(xué)刻蝕與自組裝方法對(duì)紫銅光滑管與翅片管表面進(jìn)行疏水與超疏水改性處理,并且根據(jù)仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管表面與親水+超疏水組合翅片管表面。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)大量不凝性氣體存在時(shí),親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱特性最優(yōu),水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)不同潤(rùn)濕性傳熱管的冷凝傳熱特性影響顯著,并且隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大,超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片表面的冷凝形式由珠狀冷凝逐漸向膜狀冷凝過(guò)渡。

翅片管;冷凝傳熱;超疏水;不凝性氣體

我國(guó)能源資源約束不斷加劇,環(huán)境問(wèn)題日益突出,在提高能效、促進(jìn)節(jié)能等方面面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn),余熱資源的回收利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。水蒸氣冷凝傳熱過(guò)程廣泛存在于電力、化工、制冷、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中,尤其在天然氣鍋爐煙氣余熱利用過(guò)程中,如何高效利用冷凝潛熱是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

目前,強(qiáng)化冷凝傳熱的途徑主要是利用翅片傳熱管增加傳熱面積并且能夠減薄膜狀冷凝的液膜厚度。Kumar等進(jìn)行了低肋翅片管的水蒸氣和R134a冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)[1]。Namasivayam等實(shí)驗(yàn)研究了翅片間距分別為0.25、0.5、1.0、1.5和2.0 mm的翅片銅管的強(qiáng)制對(duì)流冷凝傳熱特性,在不同流速條件下,發(fā)現(xiàn)翅片間距為0.25 mm的翅片管性能最優(yōu),其傳熱通量是光管的1.57～2.74倍[2]。

近年來(lái),大量的研究報(bào)道了通過(guò)表面改性技術(shù)制備疏水或超疏水表面促進(jìn)形成珠狀冷凝,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化水蒸氣冷凝傳熱的目的。Vemuri等利用自組裝技術(shù)制備了疏水和超疏水表面且進(jìn)行水蒸氣冷凝傳熱實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在水蒸氣側(cè)壓力為33.6 kPa時(shí),與膜狀冷凝相比,改性后的珠狀冷凝傳熱系數(shù)大約提高3倍[3-4]。宋永吉等在紫銅基底上制備了疏水性碳納米管膜,且進(jìn)行氟化處理,獲得較好的珠狀冷凝,與膜狀冷凝相比,珠狀冷凝的傳熱系數(shù)提高3～4倍[5]。馬學(xué)虎等利用自組裝技術(shù)制備了疏水性表面和超疏水表面,分別研究了純水蒸氣和含有少量不凝性氣體的冷凝傳熱特性,提出了水蒸氣及含不凝性氣體的冷凝環(huán)境中液滴在超疏水表面上的潤(rùn)濕模式[6-8]。Miljkovic等實(shí)驗(yàn)研究了硅烷沉積的氧化銅表面的珠狀冷凝特性,并且發(fā)現(xiàn)在較小過(guò)飽和情況下,具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面冷凝液滴合并誘導(dǎo)發(fā)生彈跳現(xiàn)象,大大強(qiáng)化了冷凝傳熱等[9-10]。Xiao等對(duì)硅烷沉積的氧化銅表面進(jìn)行了油浸處理,增加冷凝液滴的成核點(diǎn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)該表面改性方法制備的超疏水表面的珠狀冷凝傳熱特性比普通疏水性表面大約提高100%[11]。

前人的研究中只涉及單一強(qiáng)化冷凝傳熱技術(shù),即增加傳熱表面強(qiáng)化技術(shù)或表面改性強(qiáng)化技術(shù),而幾乎沒(méi)有報(bào)道將這兩種傳熱強(qiáng)化技術(shù)協(xié)同作用于水蒸氣冷凝過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。本文基于紫銅光滑管和翅片管表面,通過(guò)化學(xué)刻蝕和自組裝方法進(jìn)行疏水和超疏水改性處理,并且根據(jù)仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管表面和親水+超疏水組合翅片管表面,實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)?水蒸氣混合氣體在不同潤(rùn)濕性光滑管和翅片管表面的潤(rùn)濕特性和冷凝傳熱特性,并且考察了水蒸氣含量對(duì)不同潤(rùn)濕性傳熱管的潤(rùn)濕特性與冷凝傳熱特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由冷凝實(shí)驗(yàn)腔體、不凝性氣體供給系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生器、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等主要部件組成。冷凝實(shí)驗(yàn)腔體外部纏繞電加熱絲,由調(diào)壓器供電并調(diào)節(jié)加熱功率,確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水蒸氣在內(nèi)壁無(wú)冷凝,且維持實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱平衡。冷凝腔體內(nèi)部的溫度與壓力分別由T型鎧裝熱電偶和壓力傳感器(Tecsis P3276,Germany)監(jiān)測(cè)。測(cè)試的冷凝傳熱管水平放置于實(shí)驗(yàn)腔中,本文實(shí)驗(yàn)所用傳熱管為紫銅材質(zhì)的光滑管與翅片管,具體幾何參數(shù)見(jiàn)表1。冷卻水在冷凝傳熱管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流,進(jìn)出口水溫由T型鎧裝熱電偶測(cè)量,為了提高測(cè)量精度,在進(jìn)出口連接處自制冷卻水混合器[12],冷卻水的流量由電磁流量計(jì)(Rosemount 8732A,USA)測(cè)量。

表1 冷凝傳熱管幾何參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)中的不凝性氣體為氮?dú)?通過(guò)帶有減壓閥的高壓氮?dú)馄刻峁?在氣路上安裝氣體質(zhì)量流量控制器(七星華創(chuàng)CS200A,中國(guó)),控制和測(cè)量冷凝實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)的不凝性氣體含量。同時(shí),在冷凝實(shí)驗(yàn)腔體正面與觀察窗水平位置,放置高速攝像機(jī)(Phantom Miro M110,USA)用以觀察冷凝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中傳熱管表面的冷凝形式。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前先用烘干機(jī)將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部干燥處理,利用真空泵(First FX16,中國(guó))對(duì)實(shí)驗(yàn)腔進(jìn)行抽真空,直至內(nèi)部絕對(duì)壓力低于1～5 Pa,以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中空氣體積分?jǐn)?shù)小于0.5%。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中水蒸氣發(fā)生器內(nèi)部溫度、冷凝腔內(nèi)部溫度以及冷卻水進(jìn)出口溫度均采用T型鎧裝熱電偶測(cè)量,在實(shí)驗(yàn)前所有熱電偶均在高精度恒溫水浴(Julabo F26,Germany)中進(jìn)行標(biāo)定,精度為0.1 ℃。前述所有溫度、壓力與流量傳感器的信號(hào)均通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Keithley 3706,USA)采集,在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)冷凝傳熱管的總傳熱系數(shù)k由下式計(jì)算

(1)

式中:Φ為熱流量,由冷卻水進(jìn)出口溫差計(jì)算求得;Ao為傳熱管的基管面積;ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差。

由于冷凝傳熱管內(nèi)表面無(wú)強(qiáng)化肋片,因此管內(nèi)側(cè)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)hi由Gnielinski公式[13]計(jì)算

(2)

f=(0.79lnRel-1.64)-2

(3)

(4)

式中:f為管內(nèi)湍流流動(dòng)的阻力系數(shù);Prl為普朗特?cái)?shù);Rel為雷諾數(shù)。

根據(jù)熱阻分離法,管外側(cè)冷凝傳熱系數(shù)hc經(jīng)推導(dǎo)可以表示為

(5)

式中:RW為傳熱管管壁的熱阻;Rf為污垢熱阻(由于所有冷凝傳熱管在測(cè)試前進(jìn)行清洗,因此本文忽略污垢熱阻);β=Ao/Ai,表示管外側(cè)基管面積Ao與管內(nèi)側(cè)面積Ai之比。

在氮?dú)?水蒸氣混合氣體中,水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)φv(水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)xv)由理想氣體Gibbs-Dalton方程求出

(6)

式中:ng為混合氣體的物質(zhì)的量,可以通過(guò)測(cè)定冷凝腔內(nèi)的溫度和壓力確定;nNCG為不凝性氣體(氮?dú)?的物質(zhì)的量。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度分析,對(duì)于本文所有測(cè)試傳熱管,水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的不確定度小于±1.75%,傳熱通量的不確定度小于±2.06%,冷凝傳熱系數(shù)的不確定度小于±11.24%。

2 冷凝表面制備與表征

2.1 表面制備方法

根據(jù)固體表面的潤(rùn)濕特性,制備超疏水表面通常分為兩步:構(gòu)造納米級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)和在粗糙表面上修飾低表面能物質(zhì)。本文使用的超疏水表面制備方法[15]如下。

(1)化學(xué)刻蝕。首先將待測(cè)紫銅試樣放入2 mol/L的鹽酸水溶液中浸泡30 min,然后依次用丙酮和去離子水清洗,去除表面的污染物與油脂,吹干待用;將清洗干凈的紫銅試樣浸入2.5 mol/L氫氧化鉀和0.065 mol/L過(guò)硫酸鉀的混合水溶液中,放置于干燥箱(DZ-3AII,中國(guó))中70 ℃恒溫處理1 h,取出后用去離子水清洗干凈,然后再放置于干燥箱中180 ℃恒溫處理2 h,最后取出自然降溫晾干。

(2)分子自組裝膜。將完成第(1)步的試樣浸入2.5 mmol/L十八烷基硫醇乙醇溶液中,在70 ℃下恒溫處理1 h,取出后用去離子水沖洗吹干。

本文使用的疏水表面制備方法是:將清洗干凈的紫銅試樣進(jìn)行第(2)步的分子自組裝膜處理。

圖2a給出納米比亞沙漠甲蟲的背部結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[16]研究表明:在干燥的非洲南部納米比亞沙漠中,由于該甲蟲背部具有超疏水基底和間隔排列的親水突起的組合式特殊結(jié)構(gòu),因此它可以更輕易地從空氣中收集水分形成水珠。根據(jù)仿生原理,組合翅片表面的制備過(guò)程如圖2b所示。首先將翅片管清洗干凈,然后按照上述表面改性處理方法將翅片管表面整體改性為疏水性或超疏水性,處理完成后,用2000#砂紙輕輕將翅片尖部區(qū)域打磨,除去尖部表面的分子組裝膜或納米粗糙結(jié)構(gòu),最后用乙醇、去離子水清洗表面,并迅速用氮?dú)獯蹈伞?/p>

(a)納米比亞沙漠甲蟲背部結(jié)構(gòu)[16]

(b)組合翅片管表面制備過(guò)程示意圖圖2 親水+(超)疏水組合翅片管結(jié)構(gòu)及制備流程

2.2 表面表征

利用接觸角測(cè)量?jī)x(Powereach JC2000D5,中國(guó))測(cè)量不同潤(rùn)濕性冷凝表面的接觸角,液滴體積為5 μL,在同一個(gè)表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量其接觸角取平均值,在親水、疏水和超疏水紫銅表面上的接觸角分別為69.3°、113.5°和158.3°。

圖3表示液滴在翅片管表面的潤(rùn)濕特性。將5 μL液滴滴在親水翅片管表面,液滴迅速潤(rùn)濕表面,而將5 μL液滴滴在疏水翅片管表面上,液滴會(huì)懸浮在兩個(gè)翅片上。由于液滴不能直接滴落在超疏水翅片管表面上,我們采用水霧噴淋方法生成尺寸更小的液滴,可以看出,直接生長(zhǎng)的小液滴懸掛在翅片表面,形狀接近完美球形,表現(xiàn)出良好的疏水特性。親水+疏水組合翅片管表面的液滴潤(rùn)濕形態(tài)與疏水翅片管表面幾乎一致。將5 μL液滴滴在親水+超疏水組合翅片管表面,液滴能夠懸立在單個(gè)翅片尖部,而將液滴體積增加至大約8 μL時(shí),液滴難以懸立在單個(gè)翅片尖部,會(huì)滾落并與相鄰翅片尖部接觸,但仍不能很好地潤(rùn)濕翅片表面。

(a)親水翅片管 (b)疏水翅片管 (c)超疏水翅片管

(d)親水+疏水組合翅片管 (e)親水+超疏水組合翅片管圖3 液滴在翅片管表面的潤(rùn)濕性

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)(Hitachi SU8010,Japan)對(duì)親水、疏水和超疏水區(qū)域的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè),結(jié)果如圖4所示。圖4a和4b分別為放大10 000倍的親水區(qū)域和疏水區(qū)域,表面相對(duì)平滑,且疏水區(qū)域的十八烷基硫醇分子組裝膜幾乎沒(méi)有改變紫銅基底的微觀形貌。圖4c～4e分別為放大5 000倍、10 000倍和30 000倍的化學(xué)刻蝕表面,可以看出,經(jīng)過(guò)氫氧化鉀與過(guò)硫酸鉀溶液刻蝕,在紫銅基底表面上形成了納米級(jí)“尖刺”粗糙結(jié)構(gòu)。圖4f為放大30 000倍的經(jīng)十八烷基硫醇修飾的具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面。液滴在具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面上容易形成Cassie-Baxter潤(rùn)濕形態(tài),在固液界面上實(shí)際形成固-氣-液界面,液滴接觸角增大,且更容易脫離。

(a)親水表面 (b)疏水表面

(c)納米粗糙結(jié)構(gòu)×5 000 (d)納米粗糙結(jié)構(gòu)×10 000

(e)納米粗糙結(jié)構(gòu)×30 000 (f)超疏水表面圖4 不同潤(rùn)濕性表面的微觀形貌

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,首先對(duì)親水光滑管和疏水光滑管進(jìn)行了純水蒸氣的冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)。圖5表示了實(shí)驗(yàn)獲得的冷凝傳熱系數(shù)與理論模型計(jì)算值的比較結(jié)果,可以看出:親水光滑管的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與Nusselt膜狀冷凝理論解[17]比較,偏差在12%之內(nèi);疏水光滑管與文獻(xiàn)[18]中理論模型相比,偏差在25%之內(nèi)。因此,可以認(rèn)為本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可信的。

圖5 純水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)結(jié)果比較

3.2 不凝性氣體存在時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管表面的潤(rùn)濕特性

圖6給出了大量不凝性氣體存在時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管表面上的冷凝形式:親水光滑管、疏水光滑管和超疏水光滑管表面分別呈現(xiàn)出膜狀冷凝、珠狀冷凝和珠狀冷凝;親水翅片管、疏水翅片管和親水+疏水組合翅片管為膜狀冷凝,而超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表現(xiàn)為珠狀冷凝。從圖6中還可以看出,超疏水翅片管表面上分布的冷凝液滴尺寸比超疏水光滑管的小,而親水+超疏水組合翅片管表面上的冷凝液滴尺寸更小。

(a)親水光滑管 (b)疏水光滑管 (c)超疏水光滑管

(d)親水翅片管 (e)疏水翅片管 (f)超疏水翅片管

(g)親水+疏水組合翅片管 (h)親水+超疏水組合翅片管圖6 大量不凝性氣體存在時(shí)不同傳熱管表面的潤(rùn)濕特性

如圖7與圖8所示,當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)小于65%時(shí),在超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表面上表現(xiàn)為珠狀冷凝,當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加至65%～85%時(shí),冷凝液會(huì)陷入翅片之間,在表面上逐漸形成液膜,珠狀冷凝向膜狀冷凝過(guò)渡。因此,當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)不同時(shí),超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管的冷凝形式會(huì)發(fā)生變化。

(a)φv<40% (b) φv=40% (c) φv=55% (d) φv=65% ～55% ～65% ～85%圖7 不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)超疏水翅片管的冷凝形式

(a)φv<40% (b) φv=40% (c) φv=55% (d) φv=65% ～55% ～65% ～85%圖8 不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)親水+超疏水組合翅片管 的冷凝形式

3.3 不凝性氣體存在時(shí)水蒸氣冷凝傳熱特性分析

圖9表示不凝性氣體的體積分?jǐn)?shù)為21.4%時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管的冷凝傳熱系數(shù)。光滑管的冷凝傳熱系數(shù)由高到低依次為:超疏水光滑管>疏水光滑管>親水光滑管;對(duì)于不同潤(rùn)濕性的翅片管,冷凝傳熱系數(shù)由高到低依次為:親水+超疏水組合翅片管>超疏水翅片管>親水+疏水組合翅片管>疏水翅片管>親水翅片管。圖10表示不凝性氣體的體積分?jǐn)?shù)為19.2%時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管的冷凝傳熱通量。與純水蒸氣冷凝時(shí)相比,大量不凝性氣體條件下的冷凝傳熱系數(shù)降低了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。這主要是由于在傳熱管壁附近形成了不凝性氣體層,成為起主導(dǎo)作用的熱阻,大大增加了傳熱與傳質(zhì)阻力,使冷凝傳熱特性降低。

從圖10中可以得出,與親水光滑管相比,超疏水光滑管的傳熱通量大約提高了87%～115%。這主要是因?yàn)樵诔杷饣鼙砻嫘纬闪酥闋罾淠?且不凝性氣體會(huì)滯留在超疏水表面的納米粗糙結(jié)構(gòu)中形成氣囊,在接觸面上與冷凝液共同形成液-氣-固復(fù)合界面,形成Cassie-Baxter[19]或sinkage潤(rùn)濕形態(tài)[8],減小了冷凝液與固體壁面的接觸面積,使冷凝液滴從壁面上脫離速度加快,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化冷凝傳熱效果。親水+超疏水組合翅片管表現(xiàn)出比超疏水翅片管更優(yōu)越的冷凝傳熱特性,與超疏水翅片管相比,親水+超疏水組合翅片管的傳熱通量提高了8%～12%。一方面,親水區(qū)的表面自由能比超疏水區(qū)大,水蒸氣優(yōu)先在吸附勢(shì)較大的親水區(qū)發(fā)生冷凝形成冷凝液,并且會(huì)合并聚合附近超疏水區(qū)的小液滴,冷凝液在親水區(qū)逐漸積聚增多;另一方面,由于親水性翅片尖部的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),限制了親水區(qū)與冷凝液的接觸面積,減小了親水區(qū)對(duì)冷凝液的黏滯力,使液滴能夠快速地脫離壁面。因此,親水+超疏水組合翅片結(jié)構(gòu)能夠有效地促進(jìn)液滴積聚合并,并且提高液滴的更新頻率,同時(shí)由于液滴的脫落運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化不凝性氣體層擾動(dòng),使不凝性氣體邊界層內(nèi)的速度場(chǎng)發(fā)生變化,能夠有效地減小相際傳質(zhì)阻力。

圖9 大量不凝性氣體存在時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管冷凝傳熱系數(shù)的變化規(guī)律

圖10 大量不凝性氣體存在時(shí)不同潤(rùn)濕性傳熱管傳熱通量的變化規(guī)律

圖11給出了不同潤(rùn)濕性傳熱管的冷凝傳熱系數(shù)隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)從11%增長(zhǎng)至91%,冷凝傳熱系數(shù)逐漸增加。一方面,是由于水蒸氣含量增大,混合氣體中不凝性氣體的濃度降低,使不凝性氣體層的熱阻減小;另一方面,水蒸氣含量增大,提高了主流混合氣體中水蒸氣與管壁附近的濃度差,增加了傳質(zhì)動(dòng)力,使更多水蒸氣發(fā)生冷凝,同時(shí)釋放大量潛熱,提高了冷凝傳熱系數(shù)。從圖11中還可以得出,當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)大約小于70%時(shí),親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數(shù)最大,而隨著水蒸氣含量繼續(xù)增大,它的冷凝傳熱系數(shù)雖然增大,但是增大的趨勢(shì)變緩。這是由于在這個(gè)范圍內(nèi),親水+超疏水組合翅片管表面上冷凝形式發(fā)生了改變,由珠狀冷凝向膜狀冷凝過(guò)渡。當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為89%左右時(shí),親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數(shù)低于親水+疏水組合翅片管、疏水翅片管和疏水光滑管。與親水光滑管相比,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數(shù)約提高了43%,與親水翅片管相比,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數(shù)約提高了22%。

圖11 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)不同潤(rùn)濕性傳熱管的冷凝傳熱系數(shù)的影響

4 結(jié) 論

本文通過(guò)化學(xué)刻蝕和自組裝方法對(duì)紫銅光滑管和翅片管進(jìn)行了疏水和超疏水改性處理,并且根據(jù)仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管和親水+超疏水組合翅片管,實(shí)驗(yàn)研究了氮?dú)?水蒸氣混合氣體在不同潤(rùn)濕性光滑管和翅片管表面的潤(rùn)濕特性和冷凝傳熱特性,獲得以下主要結(jié)論。

(1)當(dāng)大量不凝性氣體存在時(shí),冷凝液滴在具有納米粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水表面為Cassie-Baxter或sinkage潤(rùn)濕形態(tài),更易從壁面脫落,且由于超疏水特性與組合翅片結(jié)構(gòu)的協(xié)同影響,親水+超疏水組合翅片表現(xiàn)出最優(yōu)的冷凝傳熱特性。

(2)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)不同潤(rùn)濕性傳熱管的潤(rùn)濕特性和冷凝傳熱特性影響顯著。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大,超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表面的冷凝形式發(fā)生改變,由珠狀冷凝向膜狀冷凝過(guò)渡。

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(編輯 荊樹蓉)

Condensation Heat Transfer Performance of Heat Transfer Tubes with Different Wettabilities in Presence of a Large Amount of Noncondensable Gas

HU Haowei,NIU Dong,TANG Shangchao,TANG Guihua

(Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the condensation heat transfer performance of water vapor in the presence of a large amount of noncondensable gas and realize the high-efficiency recovery of industrial residual heat in electricity, chemical engineering, refrigeration and other fields, the outside condensation heat transfer performances of horizontal plain and finned tubes with different surface wettabilities were experimentally studied. The self-assembled monolayer coatings of n-octadecyl mercaptan using oxidation and etching treatments were employed to create the hydrophobic or superhydrophobic surfaces with nanostructures. The hydrophilic-hydrophobic and hydrophilic-superhydrophobic hybrid surfaces based on finned tubes were prepared. The experimental results showed that the hydrophilic-superhydrophobic hybrid finned tube achieved the highest condensation heat transfer performance in the presence of a large amount of noncondensable gases. The volume fraction of water vapor in the nitrogen-vapor mixture has important influence on the heat transfer characteristics. And as the vapor volume fraction increased, the dropwise condensation was transformed gradually to the film condensation on both superhydrophobic and hydrophilic-superhydrophobic hybrid finned tubes.

finned tube; condensation heat transfer; superhydrophobic; noncondensable gas

2014-12-05。

胡浩威(1986—),男,博士生;唐桂華(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB710702);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51222604)。

時(shí)間:2015-04-21

10.7652/xjtuxb201507006

TK124

A

0253-987X(2015)07-0030-07

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