張哲,趙恩惠,嚴雷,楊文哲,袁暉,張秋梅,田津津
(1 天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室,天津,300134;2 維克(天津)有限公司,天津,301700)
在固體冷表面上發(fā)生的液滴凝結是日常生活中常見的一種現(xiàn)象,比如自來水管壁上凝結的水珠、鏡片起霧、清晨的露珠、冬天的大霧等;在工業(yè)領域中也能時常發(fā)現(xiàn),例如,低溫狀態(tài)下管道外壁上或換熱設備外側附著的冷凝水等。液滴凝結有膜狀凝結和滴狀凝結兩種狀態(tài),如果冷凝壁疏水性強,則凝結液在壁面不易鋪展成膜,而是形成許多隨機分布大小不一的液體,這種冷凝形態(tài)稱為滴狀凝結[1]。滴狀冷凝具有很高的傳熱系數(shù),比常見的膜狀冷凝傳熱系數(shù)高幾十倍,液滴冷凝傳熱的換熱方式在航空航天工程、蒸汽動力工程、化學工程等工業(yè)領域有著廣泛應用,在這些設備中更多實現(xiàn)滴狀冷凝,換熱設備的面積及尺寸將會大大減少,不僅能降低能耗,且?guī)盹@著的經(jīng)濟效益[2],所以眾多學者對液滴凝結過程進行了大量的試驗與研究。由于工業(yè)上的傳熱表面通常都是高表面能的普通金屬材料[3],通常水蒸氣只以膜狀冷凝形式出現(xiàn),本文選用為疏水材料的四氟乙烯平板,在其表面液滴凝結為滴狀凝結,同時四氟乙烯是一種高分子塑料,因其防腐蝕、成本低且結構簡單的優(yōu)點在換熱器里已廣泛使用[4]。
Parin等[5]對不同涂層下凝結液滴的參數(shù)進行了比較,發(fā)現(xiàn)在凝結試驗條件下鋁基板上沉積的優(yōu)化溶膠-凝膠涂層可以維持珠狀凝結超過100h,而不會過渡到膜狀凝結。于經(jīng)偉[6]在天然氣煙氣凝結換熱研究中通過對換熱器表面鍍層進行改性,發(fā)現(xiàn)添加鍍層的換熱器換熱能力提升了1.09~1.67倍,凝結趨向于珠狀凝結。林玉才等[7]研究了表面不同的特殊浸潤性對液滴凝結的影響,其中浸潤性指液體保持與固體表面接觸的能力,發(fā)現(xiàn)在試驗所用材料中親水超潤滑結構表面的霧氣收集效率最高,超疏水表面霧氣收集效率最低。Park 等[8]提出了一種使液滴快速生長和盡可能快地脫落的表面設計,通過優(yōu)化曲面的曲率半徑和截面形狀實現(xiàn)毫米級液滴凸起頂端的優(yōu)化,使生長速率指數(shù)高了6 倍。Birbarah 等[9]設置了一個在恒熱流邊界條件下超疏水平板外對流跳躍-液滴凝結的綜合模型,發(fā)現(xiàn)液滴沿平板跳躍的總距離從毫米到米不等,而對所考慮的參數(shù),跳躍高度被限制在小于1cm內。徐俊超等[10]通過試驗測量了水在不同燃煤細顆粒表面的接觸角,得出了在不同接觸角范圍中液滴長大速度隨著燃煤細顆粒的大小以及液滴半徑的變化規(guī)律。
周慧[11]采用數(shù)值模擬的方法對影響水蒸氣珠狀凝結的換熱因素進行了研究,發(fā)現(xiàn)凝結壁面冷凝側換熱系數(shù)基本不受基底熱導率的影響,接觸角滯后隨表觀平衡接觸角和表面粗糙度的增大而增大,液滴脫落速度隨接觸角的增大而加快。江鑫[12]研究了基底硬度和相對濕度對液滴珠狀凝結的影響,得到基底越軟、濕度越大的情況下,液滴增長速度越快。Wang 等[13]研究了乙醇水混合物液滴在水平表面上的生長,發(fā)現(xiàn)在快速增長階段,液滴最大半徑隨氣相至表面溫差的增大而明顯增大,隨氣相速度和壓力的增大而略有增大,隨乙醇氣相濃度的增大而減小,在隨后的波動期間里這些效應減弱。Gabyshev等[14]用數(shù)學模型研究了電場中球形水滴的冷凝生長過程,推測周圍空氣中的水分子會由于電場的存在而加速,并提出了一種預測凝析生長加速的動力學模型。趙崇巖等[15]借助數(shù)值模擬方法研究液滴凝結核密度和脫落尺寸對液滴尺寸分布的影響,結果表明,隨著凝結核密度增大,液滴平均半徑及尺寸范圍減少,從而液滴尺寸分布整體升高。Somwanshi 等[16]模擬了在亞低溫疏水表面上鉍蒸氣的液滴冷凝過程,發(fā)現(xiàn)珠狀凝結的過程是成核、生長和聚合,液滴的閉合是一個瞬態(tài)的過程,也分析了熱流通量和壁面剪切力對速度的敏感性。
大多研究專注于單個液滴凝結過程的研究,但工程實際中液滴狀態(tài)多以凝結群的狀態(tài)出現(xiàn),并且各液滴在凝結過程中相互影響。所以本文對液滴凝結群的性狀特征進行研究,以疏水材料四氟乙烯平板為基底對液滴凝結數(shù)量、凝結面積規(guī)律進行探究。通過改變基底冷表面上附近環(huán)境的溫濕度條件進而獲取液滴凝結圖像,分析不同過冷度(22K、24K)、相對濕度(50%、60%、70%、80%、90%)影響下液滴特征隨時間變化的相關性,以期為工程實際中該環(huán)境條件下?lián)Q熱設備的設計和制備中液滴群凝結狀態(tài)的探索提供指導。
試驗所選擇冷凝底板的材料是四氟乙烯,規(guī)格為80mm×80mm×2mm。四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結試驗裝置布置如圖1所示,該試驗裝置主要由凝結圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和溫濕度控制系統(tǒng)組成,凝結圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括操作主機和RH-2000 3D 視頻顯微鏡;溫濕度控制系統(tǒng)包括控制腔、濕度控制裝置、溫度控制裝置、低溫恒溫水槽(由溫控器、水槽和制冷系統(tǒng)組成)、溫濕度記錄儀(HIOKI 公司3641-20型溫濕度記錄儀)、溫度記錄儀(橫河公司GP10 型便攜式無紙記錄儀)組成。每次冷凝完成一個過程后,底板材料需使用超聲波清洗儀(LIFECODE,型號為SU-761)處理。所用儀器相關參數(shù)見表1~表4。
圖1 四氟乙烯平板冷表面上液滴凝結試驗裝置
表1 RH-2000 3D視頻顯微鏡
表2 溫濕度記錄儀的相關參數(shù)
表3 溫度記錄儀的相關參數(shù)
表4 超聲波記錄儀的相關參數(shù)
在液滴凝結試驗開始前對四氟乙烯平板的表面進行清潔,首先用酒精棉球擦拭四氟乙烯平板表面去除表面上的雜質,接著將之浸沒在裝有適量蒸餾水的超聲波清洗儀中清洗5~8min,清洗后取出平板晾干、待用。隨后將四氟乙烯平板放入控制腔內,利用溫濕度控制裝置調節(jié)控制腔內溫度和濕度,同時用溫濕度記錄儀實時監(jiān)測控制腔內溫濕度的變化;低溫恒溫水槽與基板之間通過兩根軟管相連,低溫恒溫水槽通載冷劑在管道內進出基板下部對其換熱降溫,載冷劑回到低溫水槽內繼續(xù)制冷,持續(xù)為基板提供冷量,從而調節(jié)控制基板溫度,用溫度記錄儀實時監(jiān)測平板表面溫度,當控制腔內溫濕度及平板冷表面溫度達到試驗工況時,接著進入觀察冷表面液滴凝結的過程。采用RH-2000 3D視頻顯微鏡的高倍鏡觀察整個凝結過程此顯微鏡在1s內捕捉10張平面圖像后合成并顯示高質量的3D模型,捕捉到清晰的視野范圍為352μm2的液滴凝結圖像數(shù)據(jù),并將圖像數(shù)據(jù)傳到電腦端以便之后的圖像分析、處理。本試驗中,控制不同過冷度?T為24K 和22K,冷凝表面的溫度控制在0℃和2℃,控制腔內環(huán)境溫度(26℃)恒定不變,相對濕度區(qū)間為50%RH~90%RH。最后,在視頻顯微鏡上自帶軟件中測得所觀測液滴的直徑,在Photoshop 軟件上對液滴凝結隨時間變化的圖像使用計數(shù)工具,利用相似原理估算獲得1m2區(qū)域內不同時段第1 代與第2 代液滴數(shù)量,對圖片首先進行二值化處理(使用平均值法對圖像進行灰度化,再使用閾值法對灰度圖進行二值化處理),接著利用直方圖工具算出液滴的面積率,進行數(shù)據(jù)分析。
液滴凝結試驗的過程中四氟乙烯平板冷表面的溫度為0℃和2℃,周圍環(huán)境溫度為24℃和22℃,在不同濕度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)條件下冷表面上的液滴不斷成核、生長、合并,最后趨于穩(wěn)定,液滴形狀特征持續(xù)變化。通過視頻顯微鏡獲得不同溫濕度條件下液滴隨時間在凝結不同階段過程中的變化圖像,在此僅列舉過冷度24K 及22K 時濕度50%RH 環(huán)境與22K 時濕度90%RH環(huán)境下的液滴凝結狀況,如圖2與圖3所示。
圖2 ?T=24K時濕度為50%時的凝結過程
圖3 ?T=22K時濕度為50%時的凝結過程
隨著凝結時間的進行,液滴凝結經(jīng)歷成核、生長、合并、穩(wěn)定過程,在冷凝表面上存在著隨機分布的凝結核心,將顯微鏡中液滴成核階段中最先觀測到的液滴作為觀察對象,箭頭所指液滴為50%RH 時過冷度24K 與22K 條件下選定的觀測液滴,在所拍攝圖片中清晰可見。試驗中獲得不同過冷 度(24K、 22K) 與 相 對 濕 度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)條件下液滴凝結圖像,觀測可知,在濕度較大時最早成核形成的初始液滴并且達到穩(wěn)定時液滴較飽滿,液滴凝結進程快;而在濕度較小時,凝結液滴不飽滿且視野中的液滴大多呈現(xiàn)橢圓狀的外形;高過冷度時,液滴凝結直徑大且密度小,較低過冷度下凝結生成的小液滴數(shù)量越多。
圖4 所示為四氟乙烯平板冷表面溫度維持在0℃、2℃(即過冷度為24K、22K),不同濕度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)條件下液滴凝結各過程的時間分布。
圖4 不同溫濕度條件下的液滴成核、生長、合并各過程時間分布
從圖4(a)可以看出,在過冷度24K 條件下,隨著相對濕度的增大,液滴成核、生長過程時間縮短,在高相對濕度下漸趨于穩(wěn)定,這是因為較高濕度下相對濕度增加導致水蒸氣分壓力增大,此時水蒸氣遇冷表面更易達到凝結時所需露點溫度,致使液滴凝結初期的成核、生長階段最快進行,在達到高濕度80%RH、90%RH 時由于濕空氣含量過高,環(huán)境逐漸達到飽和,所以液滴成核、生長過程時間趨于穩(wěn)定。而合并時間于50%RH條件下的720s降至80%RH時的360s,同時在80%RH時最快進入液滴凝結穩(wěn)定狀態(tài)過程。
從圖4(b)可以看出,在過冷度22K 條件下,液滴成核時間最高時為50%RH 條件下的480s,最低時為90%RH條件下的120s,且在90%RH時最快進入液滴凝結穩(wěn)定狀態(tài)過程。隨著相對濕度的增大,液滴成核時間呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。與之對應的液滴生長與合并過程也呈相似趨勢。
對比圖4(a)、(b),合并所需時間都隨著濕度的增大呈現(xiàn)先增長后減小再增長的趨勢。這是由于相對濕度越大,臨界凝結核的半徑越?。ㄅR界凝結核半徑為最小成核半徑rmin,當成核半徑大于rmin時,液滴就會繼續(xù)吸收濕空氣繼續(xù)生長),液滴成核半徑范圍更大,所以相對濕度越大情況下液滴開始凝結時密度大,液滴在成長過程中更易與鄰近的液滴進行合并進入合并狀態(tài),同時液滴的生長速率也受相對濕度的影響,在液滴成核初始密度與生長速率的雙重影響下,合并時間呈現(xiàn)如此規(guī)律。對比不同過冷度下的液滴凝結階段的時間分布,發(fā)現(xiàn)50%RH、80%RH 液滴達到穩(wěn)定前凝結所需時間24K 與22K 相差較大,60%RH、70%RH、90%RH所需時間大體持平,這是因為不同過冷度隨相對濕度增大凝結過程的各個階段有不同的變化規(guī)律??傮w來看,高濕度80%RH、90%RH 時凝結時間越短,低濕度50%RH、60%RH時凝結時間越長。
水蒸氣初始冷凝時,液滴僅在平板的某些位置處開始成核,隨著凝結各過程的進行,液核數(shù)不斷增多,液滴直徑也發(fā)生著變化,將顯微鏡中液滴成核階段中最先觀測到的液核作為觀察對象,使用顯微鏡自帶軟件測量顯示不同凝結時間下液滴大小直徑,觀察記錄液滴凝結變化特征,進行數(shù)據(jù)采集。圖5 是過冷度24K 與22K 時不同濕度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)在同一種線性擬合方式下的液滴凝結直徑規(guī)律的對比。圖中將相應數(shù)據(jù)并擬合進行相關性分析,其中每組的相關系數(shù)均可達到0.9 以上,液滴直徑隨時間的變化規(guī)律與擬合線呈高度相關性。
從圖5 可以看到在過冷度24K、22K 條件下,按照二者穩(wěn)定后,將不同相對濕度下液滴直徑D進行比較為D90%>D80%>D60%>D70%>D50%。過冷度24K 條件下的液滴直徑明顯大于22K,這是因為高過冷度下,驅動力大更利于液滴凝結;濕度50%RH 條件下液滴凝結直徑最小,大液滴直徑出現(xiàn)在高相對濕度條件下,由于在高相對濕度條件下被觀測的液滴極易與相鄰大液滴合并進而形成更大液滴。液滴的尺寸分布對傳熱計算有重要意義。
從圖5(a)可以看出,在過冷度24K 條件下,將不同相對濕度下液滴直徑增長速度V進行比較為V90%>V80%>V60%>V70%>V50%。從圖5(b)可以看出,在過冷度22K條件下,將不同相對濕度下液滴直徑增長速度V進行比較為V90%>V80%>V70%>V60%>V50%。擬合線斜率隨相對濕度增大而增大,凝結速率與相對濕度呈正相關。在凝結前期,液滴依靠吸收周邊濕空氣中的水分子凝結長大,液滴直徑隨凝結時間持續(xù)增長,待冷表面上鋪滿液滴時,液滴相鄰之間距離足夠小時發(fā)生合并現(xiàn)象,合并完成后,因表面張力的存在致使液滴發(fā)生輕微收縮[17-18],收縮后液滴達到穩(wěn)定狀態(tài),在圖中可以觀察到,由于表面張力的存在,液滴的直徑并不是呈直線增大的,而是存在一定的波動性。
圖5 不同相對濕度下液滴直徑變化規(guī)律
對比兩種過冷度條件下擬合直線的斜率發(fā)現(xiàn),在50%RH與90%RH條件下過冷度22K時的直線斜率小于24K,在60%RH~80%RH區(qū)間條件下過冷度22K時的斜率不斷高于24K。最高濕度90%RH時擬合凝結速率在高過冷度24K條件下為低濕度50%RH的3.2倍增至在低過冷度22K條件下的4.6倍;濕度50%RH 時擬合凝結速率在過冷度24K 條件下的為22K的1.5倍,濕度90%RH時擬合凝結速率在兩種過冷度條件中相差不大。高相對濕度及高過冷度條件下的凝結速率進行對比發(fā)現(xiàn),其中高相對濕度液滴凝結速率影響最大,更利于液滴凝結快速進行。
隨著凝結時間的進行,液滴凝結速率的改變會導致液滴在底板上的凝結數(shù)量不斷變化。圖6是過冷度24K 與22K 時不同濕度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)在同一種線性擬合方式下的液滴凝結數(shù)量規(guī)律的對比。
圖6 不同溫濕度下第1代、第2代液滴凝結數(shù)量的分布
從圖6(a)、(c)對比可以看出,在不同濕度條件下,第1代液滴凝結數(shù)量峰值在過冷度24K時出現(xiàn)在180~240s之間,過冷度22K時出現(xiàn)在180~480s之間,峰值均在1.0×1012~1.6×1012間波動,且發(fā)現(xiàn)高相對濕度下峰值出現(xiàn)較早,這是由于高相對濕度下水蒸氣分壓力增大,水蒸氣遇冷表面更容易達到凝結時的露點溫度,液滴數(shù)量越早出現(xiàn)峰值。在過冷度24K下,液滴數(shù)量在凝結時間1080~1800s內趨于穩(wěn)定,而在過冷度22K 時則于720~1200s內趨于穩(wěn)定,24K時液滴數(shù)量達穩(wěn)定時間要長于22K時,因為24K時過冷度驅動力大,液滴生長與合并過程活躍,所以液滴穩(wěn)定時間長。液滴數(shù)量達到峰值在24K過冷度下則要快于22K過冷度條件下。高過冷度下液滴數(shù)量合并過程所用時間較長,這是由于液核數(shù)目都隨著過冷度和冷凝時間的增加而增加,高過冷度條件下驅動力大,容易形成大液滴,所以合并所用時間長。相對濕度越大,第1代液滴的數(shù)量在峰值后,于穩(wěn)定前所需時間越短,液滴生長速度于峰值點后開始小于合并速度,液滴數(shù)量開始下降。
從圖6(b)、(d)對比可以看出,液滴凝結數(shù)量在合并完成后,會出現(xiàn)新的裸露的成核點,第2代液滴于第1 代液滴形成間隙開始成核。低相對濕度時,第2 代液滴凝結并不能形成較明顯的規(guī)律變化,隨著濕度增大,第2代液滴凝結數(shù)量會產(chǎn)生峰值點且逐漸趨于穩(wěn)定。過冷度24K條件下,將不同相對濕度下液滴數(shù)量峰值P進行對比為P90%>P80%>P50%>P60%>P70%;過冷度22K 條件下,將不同相對濕度下液滴數(shù)量峰值P進行對比為P70%>P90%>P60%>P80%>P50%。各相對濕度下,液滴數(shù)量峰值于24K 時均高于22K時,且沒有較為明顯的數(shù)值關系,只有在80%相對濕度下,液滴數(shù)量峰值在24K時是22K的1.96倍。根據(jù)以上數(shù)據(jù)推論,第2代液滴開始凝結時間不但受過冷度的影響,也受第1代液滴凝結速率等多方面的影響,具有隨機性,很難有明確的規(guī)律。
第1 代液滴數(shù)量隨凝結時間變化呈正態(tài)分布,第2代液滴因受多方面的影響,很難出現(xiàn)有規(guī)律的變化,但兩代液滴都有峰值出現(xiàn),所以試驗中在同一過冷度條件下會出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。
液滴面積率是液固接觸面積與冷凝表面的比值。隨著液滴凝結的進行,液滴在底板上的凝結數(shù)量發(fā)生變化,液滴群面積率也隨之改變。圖7是過冷度24K 與22K、不同相對濕度下(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)下所選液滴群的面積率隨所觀測液滴直徑增長的變化規(guī)律。
圖7 不同過冷度相對濕度下時液滴面積率的分布
從圖7中可以看出,液滴群的面積率呈現(xiàn)隨液滴直徑的增長而快速增長并最后趨于穩(wěn)定的趨勢。不論在22K還是24K過冷度時,不同相對濕度下達液滴面積率的增長速度V均為V80%>V70%>V90%>V60%>V50%。這是因為各種傳熱溫差下,液滴分布基本一致[19],在高相對濕度90%時,液滴成核生長過程更快進行,液滴成核密度更大,在還沒有達到液滴最大直徑時就已經(jīng)發(fā)生了不明顯的合并過程,合并過程中觀察范圍內的面積率減小,面積率達穩(wěn)定所需時間長,所以90%增長慢于80%RH、70%RH的情況。在不同濕度條件下,面積率峰值在過冷度24K時出現(xiàn)在液滴直徑50~100μm 之間,過冷度22K時出現(xiàn)在液滴直徑90~130μm 之間,峰值均在75%~82%間波動,且發(fā)現(xiàn)高過冷度下與面積率峰值出現(xiàn)較早,這是由于過冷度驅動力越大,越易形成大液滴,與周圍小液滴合并后出現(xiàn)更大的裸露表面,面積率越低。在不同濕度條件下,穩(wěn)定階段的面積率在過冷度24K時在65%~82%內波動,過冷度為22K時在70%~83%內波動且發(fā)現(xiàn)液滴直徑達150μm 左右,面積率進入穩(wěn)定發(fā)展階段,不論在22K還是24K過冷度時,不同相對濕度下的面積率S進行對比為S50%>S60%>S70%>S80%>S90%,且22K 時的面積率高于24K時,這是由于液滴的合并和再成核現(xiàn)象,高相對濕度下的冷表面上容易形成大液滴,大液滴經(jīng)過合并后液滴密度要小于低相對濕度條件下,同時液滴更容易受表面張力的影響在合并后發(fā)生回縮。
在不同過冷度(24K、22K)以及不同濕度(50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH)情況下,經(jīng)可視化的試驗設備來觀察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝結過程,分析試驗數(shù)據(jù),得出如下液滴凝結變化規(guī)律。
(1)過冷度24K 時80%RH 凝結各階段最快進行,過冷度22K 時90%RH 凝結各階段最快進行,且合并所需時間都隨著濕度的增大呈現(xiàn)先增長后減小再增長的趨勢。
(2)相對于高過冷度,高相對濕度對液滴凝結速率影響最大,凝結速率與相對濕度呈正相關。不同過冷度下,凝結速率在高濕度90%RH 為低濕度50%RH的3~5倍。
(3)第1 代液滴形成過程中,相對濕度越大,液滴數(shù)量過峰值后達到穩(wěn)定前所需時間越短,液滴數(shù)量隨凝結時間呈正態(tài)分布。峰值出現(xiàn)時間為180~480s,峰值范圍均為1.0×1012~1.6×1012,過冷度24K 在凝結時間1080~1800s 趨于穩(wěn)定,過冷度22K在720~1200s趨于穩(wěn)定。
(4)第2代液滴形成過程中,高相對濕度下液滴開始凝結時間較早,且在不同相對濕度下高過冷度中液滴數(shù)量峰值均高于低過冷度。在高相對濕度90%時,液滴凝結開始時間在24K 時早于22K 時360s,80%RH 時液滴數(shù)量峰值在過冷度24K 時是22K的1.97倍。
(5)不論在22K還是24K過冷度時,液滴面積率的增長速度V均為V80%>V70%>V90%>V60%>V50%,峰值出現(xiàn)在液滴直徑50~130μm之間,峰值均在75%~82%區(qū)間波動。穩(wěn)定后,相對濕度與面積率大小呈負相關,液滴直徑達150μm 進入穩(wěn)定發(fā)展階段,穩(wěn)定后面積率在65%~85%之間波動。
本文進行了水平放置的四氟乙烯平板上濕空氣掠過冷表面液滴凝結在不同溫濕條件下的試驗研究,在工程實際中在對液滴狀態(tài)特定需求下進行環(huán)境條件的選取以及對應環(huán)境條件下對液滴特性的預測判斷具有指導意義。實際工程技術中四氟乙烯的應用尚未普及,其他金屬材料下的液體凝結規(guī)律、豎直壁面上的液滴凝結特性及水平壁面上液滴高度變化都有待進一步探究。