（海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧大連 116001）

0 引言

當蒸汽直接接觸固體表面時，若蒸汽的飽和溫度高于所接觸表面溫度，蒸汽就會在固體表面凝結(jié)。當固體表面潤濕性能較好時，固體表面會形成凝結(jié)液膜，這種凝結(jié)形態(tài)稱為膜狀凝結(jié)。如果固體表面潤濕性能不好，凝結(jié)液不能很好地潤濕壁面，則液膜不能在固體表面上形成，而是形成分布散亂的珠狀液滴，這種凝結(jié)形態(tài)就是珠狀凝結(jié)。當膜狀凝結(jié)發(fā)生時，蒸汽與壁之間的傳熱隔著液膜，后續(xù)蒸汽凝結(jié)過程只能發(fā)生在已凝結(jié)液膜的表面，凝結(jié)潛熱只能代之以對流和導熱的方式穿過液膜傳到固體壁面上。而對于珠狀凝結(jié)，部分蒸汽直接在壁面上冷凝成液滴，另一部分蒸汽與小液滴表面接觸而凝結(jié)成大液滴，凝結(jié)放熱更加劇烈。

珠狀凝結(jié)在傳熱現(xiàn)象中具有最高的傳熱系數(shù)。如果在傳熱設備中實現(xiàn)珠狀凝結(jié)，將能減小傳熱面積、減少初投資、提高經(jīng)濟效益。同時，與常規(guī)的冷凝過程相比，珠狀凝結(jié)過程有以下幾個方面的優(yōu)點：1）可以獲得很高的熱負荷；2）防垢性能好；3）對于臥式冷凝器，淹沒效應比常規(guī)方法要小。

1 珠狀凝結(jié)的理論計算模型

珠狀凝結(jié)的凝結(jié)液體不可能完全覆蓋管子，所以管壁處換熱主要以對流換熱和冷凝換熱為主，當蒸汽接觸冷凝表面時，首先凝結(jié)成小液滴，這些液滴有部分隨著蒸汽進一步凝結(jié)而長大，而另一部分小液滴進一步合并為大液滴，在合并過程中，空出的壁面又有小液滴形成。當液滴合并，尺寸增長到一定程度時，由于液滴附著力與表面張力之間的平衡被破壞，就會脫離固體表面。因此珠狀凝結(jié)包括液滴的形成、合并、長大、脫落四個階段[1]。

珠狀凝結(jié)傳熱的計算一般有兩種方法：宏觀法和微觀法。宏觀法類似于對流傳熱的計算過程，在傳熱系數(shù)中包含珠狀凝結(jié)的各種復雜因素，通過熱阻疊加求出傳熱系數(shù)。微觀法首先計算單個液滴的傳熱量，繼而求出液滴的大小分布，最后積分求得總傳熱量。在計算單個液滴的熱阻時，主要考慮以下影響：1）表面曲率對相平衡的影響；2）液滴本身的導熱熱阻影響；3）界面?zhèn)髻|(zhì)阻力影響。

對小液滴，由于曲率半徑小，所以表面曲率對相平衡的影響大；對于曲率半徑較大的液滴，液滴本身的導熱熱阻成為主要因素，其影響比表面曲率對相平衡的影響要大；當凝結(jié)量很大時，界面?zhèn)髻|(zhì)阻力在液滴導熱中起主要作用。

將液滴簡化為半球形，ROSE[1]給出了單個液滴的熱流密度為

2 珠狀凝結(jié)影響因素分析

2.1 冷凝表面物理特性

冷凝表面的物理特征主要包括表面粗糙度和限制熱阻等，這些物理特征對冷凝都有影響。

1）表面粗糙度。冷凝生成的凝結(jié)液會在壁面上的微觀結(jié)構(gòu)中存在，因此，冷凝表面成為固液混合表面，其表面能高于光滑壁面的表面能，傳熱效果會下降。研究表明：針對珠狀凝結(jié)，粗糙表面可阻滯液滴脫落，表面粗糙度越大，液滴的脫落周期越長，冷凝過程的熱流密度越低。

2）限制熱阻。在珠狀凝結(jié)中，凝結(jié)壁面上的液滴當量直徑從10-2μm到幾個毫米，當量直徑分布跨度很大，導致熱流密度變化也較大，較小液滴表面的局部熱流密度相對較高，而隨著液滴表面的增大，液滴熱阻也增大，局部熱流密度因此降低。液滴表面的局部熱流密度的不均勻增加了換熱熱阻，稱為限制熱阻。但STYHANOU等[2]研究認為：冷凝表面上的液滴會不斷地合并與脫落，因此可認為表面溫度是均勻的，只有當熱流密度很小時，限制熱阻才會對冷凝傳熱過程產(chǎn)生影響。

2.2 汽液相界面?zhèn)鳠嶙枇?/h3>

蒸汽凝結(jié)為液體的過程與汽液相界面性質(zhì)和溫度有關(guān)。在常壓下冷凝，界面熱阻幾乎可以忽略不計。但在低壓下，尤其當水蒸汽壓力低于3 kPa時，界面熱阻將起主要作用。隨著水蒸汽壓力的下降，界面上的分子擴散速率也隨之降低，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)因此而大幅減小。當蒸汽壓力從常壓減小至3 kPa時，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的減小幅度將近2個數(shù)量級。

2.3 蒸汽溫度

蒸汽溫度對冷凝傳熱過程的影響是雙重的：一方面，當水蒸汽溫度升高時，珠狀凝結(jié)的臨界成核半徑隨之減小，成核速率隨之增大，而液滴脫離直徑也減小，使得脫離頻率更快，傳熱系數(shù)就這樣被增大；另一方面，隨著水蒸汽溫度的升高，冷凝液的表面張力減低，液體在冷凝表面上的接觸角減小，從而使傳熱系數(shù)降低。但是當冷凝液的表面張力減小時，會使得冷凝液膜層減薄，又會提高傳熱系數(shù)。馬學虎[3]等研究表明：在大氣壓附近時，熱流密度和冷凝傳熱系數(shù)都隨著蒸汽溫度的增加而增加，表面過冷度隨蒸汽溫度的增加呈現(xiàn)弱增長趨勢。

2.4 不凝氣體

不凝氣體是指混在水蒸汽內(nèi)的無法冷凝的氣體，含有不凝氣體的水蒸汽發(fā)生冷凝時，冷凝后的液珠脫落并離開冷凝表面，而不凝氣體卻由于無法冷凝，逐漸積聚在氣液界面附近，并產(chǎn)生一個不凝氣體層。存在不凝氣體時，水蒸汽必須穿過不凝氣體層才能到達冷凝表面，增加了傳質(zhì)阻力，從而嚴重降低傳熱速率，傳熱系數(shù)明顯下降。

CHUNG[4]進行了相關(guān)實驗，對短板在不同空氣密集程度下的膜狀和珠狀凝結(jié)進行研究。結(jié)果表明：在純蒸汽環(huán)境下，珠狀凝結(jié)換熱系數(shù)是膜狀凝結(jié)換熱系數(shù)的3倍～6倍，當蒸汽中夾雜不凝性氣體時，珠狀凝結(jié)換熱系數(shù)的優(yōu)勢消失，且隨不凝性氣體含量的增加而減小。

2.5 接觸角

用接觸角將珠狀冷凝與膜狀冷凝聯(lián)系起來，可得以下結(jié)論，如圖1所示，其中r為液滴半徑，R為接觸半徑，θ為接觸角。

1）當θ=0時，完全膜狀冷凝狀態(tài)，R→∞，r→∞；

2）當0o＜θ＜90o時，中間狀態(tài)，R→有限值，r＜R；

3）當θ=90o時，中間狀態(tài)，R→有限值，r=R；

4）當90o＜θ＜180o時，中間狀態(tài)，R→有限值，r＜R；

5）當θ=180o時，完全珠狀冷凝狀態(tài)，R→有限值，r→O。

圖1 冷凝過程與接觸角的關(guān)系

由圖1可見，在完全的膜狀冷凝狀態(tài)和完全的珠狀冷凝狀態(tài)之間，存在一些恰恰符合實際過程的中間狀態(tài)。實際上，能產(chǎn)生珠狀冷凝液滴的接觸角在90o～180o之間，當接觸角不同時，凝結(jié)換熱系數(shù)也不同，因此對于某種特定用途的換熱器，需要能夠計算珠狀凝結(jié)狀態(tài)下的換熱系數(shù)才能進行設計。

3 珠狀凝結(jié)換熱器設計要點設想

目前實現(xiàn)水蒸汽珠狀凝結(jié)的方法很多，但都很難維持長期、穩(wěn)定的珠狀凝結(jié)。由上文分析可知，影響珠狀凝結(jié)形成的因素很多，但與凝結(jié)表面的特性關(guān)系最大。因此要設計一個珠狀凝結(jié)換熱器，采用新的表面處理方法使金屬表面改性后能滿足附加熱阻小、改性膜與基底結(jié)合牢，膜層本身的化學性質(zhì)穩(wěn)定，改性技術(shù)適應于工業(yè)化應用，且成本較低。認為需要從以下幾個方進行：

1）理論分析珠狀凝結(jié)換熱過程，研究珠狀凝結(jié)初始液滴的形成機理以及表面形貌與珠狀凝結(jié)初始液滴形成的關(guān)系，并通過水蒸汽珠狀凝結(jié)實驗以及掃描電子顯微鏡對冷凝壁面的觀察，分析冷凝壁表面微觀結(jié)構(gòu)對水蒸汽珠狀凝結(jié)的影響，如釘狀、鋸齒形、網(wǎng)狀、針狀、凹槽狀、斜紋狀或碳納米管等。

2）研究表面改性薄膜的制備及表征特性，建立冷凝表面特征對珠狀凝結(jié)傳熱影響的數(shù)學模型。如采用分子自組裝的方法形成有機高分子聚合物的單分子層薄膜，使用傅立葉變換紅外光譜儀對膜表面的化學成分進行分析，或采用分形計算方法對材料表面的分形維數(shù)進行計算，定量地表征材料表面的形貌特征。

3）基于上面的理論分析與試驗研究，通過表面活性技術(shù)加強高分子聚合物與冷凝壁面的結(jié)合力，使用不同溫度條件下的自組裝方法，形成不同密度的單分子層薄膜。使冷凝表面具有梯度的表面能分布，加快液滴脫落，強化換熱。且實現(xiàn)方法在效率、壽命和成本上符合工程大規(guī)模應用，設計新的表面處理法，適合工業(yè)化應用。

4）采用設計表面處理方法制備多種使用不同改性材料的冷凝管，通過實驗對比，選擇合適的表面處理工藝和性能優(yōu)異的改性材料，以獲取最優(yōu)型號的冷凝管。然后對所選型號的冷凝管進行進一步的試驗，測定冷凝管總換熱系數(shù)，總結(jié)放熱系數(shù)的簡化計算方法，對以后的強化換熱管提供設計依據(jù)。

4 結(jié)論

珠狀凝結(jié)是一種高效的相變傳熱方式，相比膜狀凝結(jié)，其傳熱系數(shù)要高l～2個數(shù)量級。雖然對珠狀冷凝的傳熱機理的研究已經(jīng)有了較大進展，但其工業(yè)化應用還沒有大的突破。如果像凝汽器等工業(yè)設備能夠?qū)崿F(xiàn)珠狀凝結(jié)換熱，其換熱效率將會顯著增強，可以實現(xiàn)節(jié)能和經(jīng)濟效益的雙豐收。研究珠狀凝結(jié)換熱元件的設計計算方法，將大大提高蒸汽換熱設備的經(jīng)濟效率和節(jié)能效果。

[1] ROSE J W.Interphase Matter Transfer, the Condensation Coefficient and Dropwise Condensation[C]//Proceedings of 11th International Heat Transfer Conf.1998(1)：89-104.

[2] STYLIANOU S A, ROSE J W.Dropwise Condensation on Surfaces Having Different Thermal Conductivities[J].Journal of Heat Transfer, 1980,102(3)： 477-482.

[3] 馬學虎, 朱曉波, 安家明, 等.類金剛石和厚有機膜促進水蒸氣滴狀冷凝傳熱的實驗研究[J].熱科學與技術(shù), 2003(1)： 25-29.

[4] CHUNG B J, KIM S, MIN CK.An Experimental Investigation of Film Condensation of Flowing Mixtures of Steam and Air on a Vertical Flat Plate[J].International Communications in Heat & Mass Transfer, 2004, 31(5)： 703-710.