丁 晟 全曉軍 林 濤 沈天閏

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240)

1 引 言

低壓或真空條件下的水蒸氣冷凝傳熱廣泛發(fā)生于工業(yè)生產(chǎn)場景中,其液滴成核與脫離特性都有別于常壓凝結(jié)。Tanaka 等[1]提出低壓凝結(jié)中液滴核化尺寸隨蒸氣壓力降低而增加。溫榮福等[2]研究了低壓蒸氣珠狀凝結(jié)的液滴初始分布及演化,發(fā)現(xiàn)隨著蒸氣壓力降低,冷凝液表面張力與粘度增大,液滴生長周期延長,脫離直徑變大,同時冷凝液接觸角滯后現(xiàn)象明顯,大液滴的覆蓋率提高。Hoenig 等[3]通過不同蒸氣壓力下的低壓珠狀凝結(jié)實驗,發(fā)現(xiàn)低壓凝結(jié)汽液界面熱阻與分子的平均自由程有關(guān),并提出界面溫度突變模型以描述汽液界面熱阻。

由于低壓凝結(jié)有其特殊性,強化低壓凝結(jié)應(yīng)從液滴成核與脫離兩方面出發(fā)。對于冷凝過程的初始階段,經(jīng)典成核理論認為,形成液體團簇所需克服的吉布斯自由能壘與接觸角有著緊密聯(lián)系。相同條件下,疏水表面比親水表面成核勢壘大,成核慢[4]。因此,當(dāng)干燥表面直接接觸水蒸氣時,親水表面在早期具有較高的冷凝速率。

在冷凝液脫離方面,現(xiàn)有研究主要圍繞液滴在疏水表面的脫離特性展開。仿生超疏水表面通過微納復(fù)合結(jié)構(gòu)與低表面能材料引起液滴的自發(fā)跳躍,從而使液滴脫離冷凝表面[5-6]。疏水潤滑表面通過在微納結(jié)構(gòu)中注入潤滑劑[7]減小固液界面上的接觸角后滯,從而達到快速排液的效果。但低表面能材料增加了液滴成核能壘,同時微納結(jié)構(gòu)中的液體潤滑劑和空氣層會引入額外熱阻,并且存在空氣或潤滑劑耗盡的問題,抵消了冷凝性能的總體增益。另一方面,親水表面可以通過減薄液膜及加速排液的方式達到強化膜狀凝結(jié)的效果。Gregorig[8]于1954 年首先提出利用表面張力減薄翅片頂部液膜強化垂直壁面層流膜狀凝結(jié)。在快速排液方面,通常采用排液圈及泄流板加速排出冷凝液[9]。

近年來,有研究發(fā)現(xiàn)在仙人掌針錐結(jié)構(gòu)[10]以及蜘蛛絲的紡錘結(jié)構(gòu)上[11],液滴能自發(fā)移動從而實現(xiàn)收集的目的。這種自驅(qū)動現(xiàn)象是由于液滴在結(jié)構(gòu)梯度表面前后所受拉普拉斯壓力不一致所造成的,且研究證明液滴自發(fā)運動的方向與其曲率半徑的正負以及表面親疏水性有關(guān)[12-13]。許多實驗與理論研究都圍繞液滴在拉普拉斯壓差作用下的軸向運動開展,然而鮮少有研究圍繞拉普拉斯壓差在液膜內(nèi)部的軸向作用展開。

本研究結(jié)合親水表面成核優(yōu)勢及液膜在圓錐槽結(jié)構(gòu)中的自驅(qū)動現(xiàn)象,提出帶有圓錐槽結(jié)構(gòu)的超親水冷凝面,使冷凝液自發(fā)快速脫離冷凝面,以強化低壓蒸氣膜狀凝結(jié)。同時分析圓錐槽結(jié)構(gòu),蒸氣壓力及過冷度對低壓飽和蒸氣膜狀凝結(jié)換熱特性的影響。

2 實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗裝置

實驗裝置主要由蒸氣發(fā)生器,過熱器,真空箱,冷凝器以及水冷循環(huán)系統(tǒng)組成,如圖1 所示。蒸氣發(fā)生器為一蓄水容器,內(nèi)部通過換熱盤管控制水溫。在真空條件下,通過控制水的溫度即可控制對應(yīng)的蒸氣壓力。過熱器為一換熱盤管,盤管內(nèi)部為蒸氣通道,外部通過水浴加熱,用于將蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生的飽和氣體加熱到不同過熱度。冷凝器是低壓蒸氣凝結(jié)的關(guān)鍵部件,其放置在亞克力真空箱內(nèi)部。

圖1 低壓冷凝系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of low pressure condensing system

圖2 低壓冷凝系統(tǒng)實物圖Fig.2 Experimental installation diagram of low pressure condensing system

冷凝面核心結(jié)構(gòu)為超親水半圓錐槽漏斗結(jié)構(gòu),實物圖如圖3a 所示。具體幾何參數(shù)如下:冷凝面半錐角:α=30°;冷凝面大端直徑:D大=60 mm;小端直徑:D小=16 mm;小圓錐槽半錐角:β=3.734°;小圓錐槽大頭半徑:r大=3.72 mm;小圓錐槽小頭半徑:r小=0.85 mm;軸線長:l=44 mm;單個圓錐槽面積:a=3.19 cm2;密排圓錐槽個數(shù):n=24。

冷凝器外側(cè)設(shè)置有水冷流道,通過外接水冷循環(huán)系統(tǒng),以改變冷凝表面過冷度。水冷槽道與冷凝面一體化,與外殼通過密封圈與螺栓進行端面密封形成流道,如圖3b 所示。

冷凝器主體為鋁合金精密加工,通過化學(xué)處理形成超親水表面,使低壓蒸氣在冷凝表面快速成核。同時加工半錐角、大端直徑、小端直徑與帶槽漏斗相同的光滑冷凝表面,并做相同表面超親水處理進行對比實驗,光滑冷凝面如圖3c 所示。

圖3 冷凝裝置實物圖Fig.3 Condensing device

2.2 實驗流程

在保證系統(tǒng)氣密性的前提下用真空泵排凈系統(tǒng)內(nèi)不凝氣體,通過改變蒸氣發(fā)生器內(nèi)液態(tài)水的沸騰溫度改變飽和蒸氣壓力,通過控制外接水冷冷卻溫,改變冷凝表面過冷度,進行不同條件下的低壓蒸氣冷凝實驗。待冷凝裝置運行穩(wěn)定后,分別記錄冷凝液達到5 mL、10 mL、15 mL、以及20 mL 所需時間。

實驗過程中,使用低壓壓力計(測量范圍0—10 kPa,基本誤差±0.1%)測量冷凝器腔內(nèi)壓力;采用PT1000A 熱電阻(精度0.15 ℃)測量蒸氣出口溫度及冷凝表面溫度,采用數(shù)據(jù)記錄儀用于壓力與溫度等數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本實驗為穩(wěn)態(tài)實驗,系統(tǒng)穩(wěn)定性通過數(shù)據(jù)采集器測定的溫度、壓力數(shù)據(jù)以及冷凝液收集時間間隔判定。

冷凝速率通過冷凝液收集時間間隔計算:

式中:V(t)為t時刻冷凝液體積。

蒸氣冷凝傳熱通量通過低壓凝結(jié)放熱獲得:

冷凝表面溫度Tw通過熱電阻測量。腔內(nèi)飽和溫度Tch由對應(yīng)冷凝腔內(nèi)壓力Pch獲得,冷凝傳熱系數(shù)為:

3 結(jié)果與討論

3.1 圓錐槽結(jié)構(gòu)對液膜的自輸運作用

圓錐槽結(jié)構(gòu)梯度使液膜內(nèi)部產(chǎn)生軸向壓力梯度,從而使液體自發(fā)向圓錐槽尖端輸運,實現(xiàn)表面液體的快速脫離。在半錐角為3°,母線水平且水平放置的超親水圓錐槽核心結(jié)構(gòu)表面進行液膜自驅(qū)動驗證實驗。使用注射器在圓錐槽末端滴水,觀察到液膜自發(fā)移動至尖端,且液膜前端在干燥表面的運動速度為20.8 mm/s。將表面完全潤濕后重復(fù)實驗,液滴在液膜表面上依然存在自驅(qū)動現(xiàn)象,液膜前沿移動速度為7.3 mm/s,即排除液滴在干燥表面的鋪展過程后,結(jié)構(gòu)梯度表面仍存在自驅(qū)動現(xiàn)象。但在圓錐槽尖端滴水,液滴卻難以向末端鋪展,表明結(jié)構(gòu)梯度具有方向性。

液膜在圓錐槽結(jié)構(gòu)梯度表面的自輸運機理示意圖如圖4 所示。由于蒸氣流量小,凝結(jié)液膜較薄,液膜橫截面形狀與圓錐槽形狀大致相同,即液膜表面為半圓錐曲面。圓錐槽母線水平,軸向曲率基本不變,則截面上彎液面受到的拉普拉斯壓差僅存在指向截面圓心的徑向分量,作用在界面兩側(cè)的壓力差ΔP=為液膜截面半徑,γ為液體表面張力系數(shù),則截面1、2 液膜內(nèi)部壓強P1=,由于圓錐槽結(jié)構(gòu)作用,液膜半徑r1＞r2,則液膜內(nèi)部壓強P1＞P2。當(dāng)氣相壓力不變時,隨著截面上彎液面半徑的減小,各個液膜截面內(nèi)產(chǎn)生了指向半徑減小方向的壓力梯度,在宏觀上形成了液膜的自驅(qū)動輸運過程。

圖4 圓錐槽液膜自驅(qū)動示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid film self propelling in semi-conical groove

圖5 為圓錐槽幾何參數(shù)對液膜內(nèi)部軸向的自驅(qū)動力的影響。將圓錐槽尖端抬起一定角度,觀察結(jié)構(gòu)梯度液膜的自驅(qū)動力抵抗重力分量的能力。從左到右為半錐角1°至5°的超親水半圓錐槽樣片,樣片尖端半徑均為1 mm,通過紅色染料的顏色深淺表示液膜厚度的變化情況。隨著錐角增大,液膜半徑梯度越大,軸向驅(qū)動力越大,但驅(qū)動力起作用的距離有限。當(dāng)圓錐槽半徑越小,徑向拉普拉斯壓力越大,但為實現(xiàn)軸向輸運需要使液膜兩端維持較大壓差?？怪亓嶒灡砻?將圓錐槽尖端上抬10°,半錐角為3°的圓錐槽內(nèi)液膜仍能均勻分布,說明半錐角為3°的圓錐槽產(chǎn)生的自驅(qū)動力能抵抗1/6 g 左右重力。

圖5 半圓錐槽結(jié)構(gòu)梯度抗重力實驗Fig.5 Anti-gravity experiment of semi-conial groove structure

3.2 圓錐槽結(jié)構(gòu)對低壓凝結(jié)影響

由于蒸氣在圓錐槽表面能及時冷凝,圓錐槽結(jié)構(gòu)表面相比光滑冷凝面,在低冷凝流量下可以維持冷凝腔內(nèi)更低的冷凝壓力,如圖7 所示。冷凝流量較小時,蒸氣在超親水表面快成核,并由于圓錐槽結(jié)構(gòu)梯度作用,在圓錐槽內(nèi)快速鋪展并定向向下收集,幫助冷凝液快速脫離。而在光滑冷凝面上,觀察到液膜在表面張力的作用下破碎成液塊,且由于接觸角后滯現(xiàn)象,液塊被釘在光滑冷凝表面,導(dǎo)致液膜不斷變厚無法快速冷凝收集,如圖6 示意圖所示。

圖6 不同冷凝面液膜冷凝形態(tài)示意圖Fig.6 Schematic diagram of film-wise condensation on different condensation surfaces

圖7 不同冷凝面蒸氣壓力與冷凝速度的關(guān)系Fig.7 Relationship between condensing velocity and steam pressure on different condensing surfaces

同時,由于上游來氣無法在光滑冷凝面上及時冷凝,導(dǎo)致蒸氣在冷凝腔內(nèi)不斷累積。在小冷凝流量下,冷凝面為光滑表面的腔內(nèi)壓力升高,導(dǎo)致光滑表面在同一冷凝壓力下出現(xiàn)一高一低兩個冷凝速率,如圖7 所示。說明冷凝流量較小時,光滑表面通過增加蒸氣與壁面間的冷凝驅(qū)動力以維持冷凝速率。

當(dāng)冷凝流量增加時,相同蒸氣壓力下圓錐槽冷凝面的冷凝速率略低于光滑冷凝面。這是由于光滑冷凝表面上的冷凝液塊在大蒸氣流量下脫離頻率增加,且在液塊脫落過程中合并路徑上的其他液塊與液珠,加快表面更新頻率。但冷凝流量的增加使圓錐槽表面冷凝液膜變厚,液膜內(nèi)部軸向壓力梯度減小,結(jié)構(gòu)梯度表面液膜軸向快速輸運能力減弱。使冷凝流量較大時,圓錐槽結(jié)構(gòu)表面冷凝速率略低于光滑表面。同時,小冷凝流量下,圓錐槽表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于光滑表面,圓錐槽結(jié)構(gòu)對低壓凝結(jié)起強化作用。分別整理出在蒸氣流量約為Q=24 g/30 min 以及Q=60 g/30 min時,冷凝傳熱系數(shù)與壁面過冷度之間的關(guān)系,如圖8 所示。低蒸氣流量下,圓錐槽結(jié)構(gòu)幫助冷凝液脫離冷凝表面從而強化換熱;而蒸氣在光滑表面冷凝腔內(nèi)不斷累積,氣壁溫差增大,傳熱系數(shù)減小。

圖8 不同冷凝面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與過冷度的關(guān)系Fig.8 Relationship between heat transfer coefficient and subcooling temperature on different condensing surfaces

當(dāng)蒸氣流量增加時,低壓蒸氣在圓錐槽表面的換熱系數(shù)小于光滑表面,這是由于光滑表面的液塊在下落過程中合并其他液膜及液珠從而更新表面,而圓錐槽表面始終有液膜覆蓋。

3.3 蒸氣壓力對圓錐槽表面換熱的影響

圖9 為圓錐槽冷凝面上冷凝速率隨蒸氣壓力的變化。蒸氣壓力對低壓蒸氣凝結(jié)的影響顯著。當(dāng)水冷槽冷卻溫度相同時,低壓蒸氣在圓錐槽表面冷凝速率隨蒸氣壓力升高而升高。蒸氣凝結(jié)過程是蒸氣分子被捕獲,與液體分子蒸發(fā)的總效果。隨著蒸氣壓力降低,蒸氣飽和溫度降低,水分子冷凝合速率降低。故蒸氣在低壓凝結(jié)時,為了維持一定的冷凝速率,必須增大氣液溫差,以增強冷凝驅(qū)動力,即低壓凝結(jié)汽液界面上存在溫度突變,且水蒸氣界面熱阻在低壓凝結(jié)時不可忽略[14]。在飽和蒸氣溫度與界面熱阻的共同作用下,當(dāng)冷卻溫度相同時,腔內(nèi)蒸氣壓力越高,飽和蒸氣冷凝速率越大。同時,冷卻溫度越低,蒸氣側(cè)與冷凝壁面的溫差越大,冷凝溫差驅(qū)動力越大,相同腔內(nèi)壓力下冷凝速率越快。

圖9 圓錐槽結(jié)構(gòu)表面冷凝速率與蒸氣壓力的關(guān)系Fig.9 Relationship between condensation rate and steam pressure on the surface of conical groove

圖10 為換熱系數(shù)與腔內(nèi)壓力的關(guān)系,相同過冷度下,傳熱系數(shù)隨低壓蒸氣壓力的升高而增大,這是由于隨著蒸氣壓力升高,低壓凝結(jié)中界面熱阻占比減小,且水分子蒸發(fā)凝結(jié)速率增大。隨著過冷度降低,冷凝換熱系數(shù)隨蒸氣壓力變化越快。這是由于過冷度增大,冷凝面上液膜厚度增加,液膜導(dǎo)熱熱阻增加,使冷凝換熱系數(shù)增速隨過冷度的增加而降低。故過冷度越低,隨低壓蒸氣壓力升高,傳熱系數(shù)增速越快。

圖10 圓錐槽結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與蒸氣壓力的關(guān)系Fig.10 Relationship between heat transfer coefficient and steam pressure on conical groove structure surface

4 結(jié) 論

本研究針對低壓蒸氣高效冷凝,提出了利用圓錐槽結(jié)構(gòu)梯度使冷凝液膜內(nèi)部產(chǎn)生軸向拉普拉斯壓力梯度,從而加速液膜向圓錐尖端排液,達到強化低壓膜狀凝結(jié)的目的,并進行了圓錐槽結(jié)構(gòu)冷凝面與光滑圓錐冷凝面的對比實驗研究,主要結(jié)論如下:

(1)圓錐槽結(jié)構(gòu)利用軸向拉普拉斯壓差幫助冷凝液快速排出,液膜內(nèi)部軸向拉普拉斯驅(qū)動壓差與圓錐槽幾何參數(shù)有關(guān),錐角增大,液膜半徑梯度越大,軸向驅(qū)動力越大?？怪亓嶒灡砻?半錐角為3°的圓錐槽產(chǎn)生的自驅(qū)動力能抵抗1/6 g 左右重力。

(2)低壓冷凝實驗表明,圓錐槽結(jié)構(gòu)相比光滑冷凝面,可以使冷凝腔維持在更低的冷凝壓力,并且在小流量下改善親水表面塊狀液膜滯后現(xiàn)象,通過液膜內(nèi)部拉普拉斯壓差促進定向排液并達到強化傳熱的目的。

(3)使用圓錐槽結(jié)構(gòu)強化冷凝時,冷凝速率隨冷卻溫度的降低而增加,且冷凝速率及傳熱系數(shù)隨蒸氣壓力變化明顯,蒸氣壓力越高,冷凝速率越快,傳熱系數(shù)越高。