非等溫表面Marangoni凝結特性的研究

胡申華, 嚴俊杰, 王進仕

(1.新疆大學電氣工程學院,烏魯木齊 830047;2.西安交通大學能源與動力工程學院,西安 710049)

根據冷凝液與冷凝表面的濕潤程度可將蒸汽的冷凝方式分為膜狀冷凝和珠狀冷凝,珠狀冷凝的傳熱系數比膜狀冷凝的高一個數量級以上.現有的換熱器一般均是以膜狀凝結方式工作的,若能實現珠狀凝結,則可大大節省金屬的消耗和減小換熱器的尺寸.潔凈的金屬表面可形成珠狀凝結,但難于持久保持.商福民[1]等采用不等徑結構自激振蕩流熱管實現強化傳熱.在諸多強化效果中,利用表面張力作用強化冷凝傳熱是一種較為理想的途徑.

研究發現,在水中加入某些物質(如酒精、氨等)的混合工質的蒸汽凝結時,會呈現出類似于珠狀凝結的凝結形態,有學者稱之為“偽珠狀凝結”(Pseudo-dropwise condensation).出現這種現象的原因是由于兩種組分的表面張力存在差異,高沸點組分的表面張力大于低沸點組分的表面張力,因而會發生Marangoni效應.

由于Marangoni珠狀凝結與非共沸混合物的膜狀凝結傳熱相比具有較高的表面傳熱系數,目前Marangoni凝結傳熱已成為世界各國學者的一個研究熱點.日本學者Yoshio Utaka[2]利用水-酒精混合蒸氣進行了凝結傳熱試驗,在各種酒精濃度條件下進行了豎直平板的凝結傳熱性能測量,得出了凝結過程表面傳熱系數與過冷度的關系曲線;西安交通大學的Marangoni課題組對平板、圓管的Marangoni凝結進行了詳細的研究[3-4].在實際的工程應用中,為了強化對流側的傳熱,通常加裝了很多肋片,凝結過程是在具有溫度差而非溫度均勻的凝結表面上進行的.王進仕等[5]對帶溫度梯度的凝結表面進行了Marangoni凝結的試驗.

綜合上述文獻,盡管對Marangoni凝結進行了很多研究,但對于其換熱強化機理,尤其是對帶有溫度梯度的Marangoni凝結試驗的強化機理還未涉及,本文就這方面進行了討論.

1 試件和試驗系統

為在凝結表面產生溫度差,在試驗中試件橫截面采用梯形(見圖1).

圖1 試件簡圖Fig.1 Schematic diagram of the test block

試件上表面是凝結面,下表面是冷卻側,由于沿凝結面橫向試件厚度是變化的,在兩側邊界條件相同工況下,必然會在凝結表面產生溫度差.

圖2為采用數值計算方法得到的試件內溫度場.凝結面和冷卻面均采用對流傳熱邊界條件,凝結面的對流傳熱系數取150 kW/(m2?K),冷卻面的對流傳熱系數取30 kW/(m2?K),冷卻水溫取298 K,混合蒸氣溫度取353 K.從圖2可以看出,試件凝結表面上的溫度是不相同的,厚邊的表面溫度高于薄邊的溫度,溫差達到了3 K左右.

在數值計算時,假設表面各處的凝結傳熱系數都是相等的.但在實際試驗中,凝結表面各處的傳熱系數是存在差異的,厚邊處的局部傳熱系數遠大于薄邊的傳熱系數,這會進一步加大凝結表面的溫度差.由平塊的試驗經驗以及數值計算的結果,最后確定試件的尺寸見圖1.在試驗過程中,凝結表面溫差最大可以達到10 K左右.試驗系統和試驗步驟可參考文獻[6].

圖2 試件內溫度場理論模擬Fig.2 Simulation of temperature field in the test block

2 試驗結果

在三個壓力(31.2 kPa、47.4 kPa和84.5 kPa)和三種流速(2 m/s、4 m/s和6 m/s)下,研究了不同質量分數c=(100%～50%)水-(0%～50%)酒精混合蒸氣的凝結傳熱特性.圖3是壓力為84.5 kPa、流速為2 m/s的試驗條件下,不同質量分數混合蒸氣的凝結特性曲線.

圖3 凝結傳熱特性曲線Fig.3 Comparison of heat transfer coefficient between ex perimental results and literature data

從圖3可以看出,傳熱系數隨表面過冷度呈非線性變化規律,存在凝結傳熱系數的最大值.凝結傳熱系數的最大值隨酒精質量分數的降低有向過冷度較小區域內移動的趨勢;在低酒精質量分數范圍(0.5%～10%)內,凝結傳熱系數對表面過冷度的依賴性強;在較高的酒精質量分數范圍(20%～50%)內,凝結傳熱系數對表面過冷度的依賴性減弱.在其他條件相同的情況下,表面傳熱系數隨蒸氣流速和壓力的增大而增大(圖中未給出).

在近似相同的試驗條件下,本試驗中的凝結傳熱系數較文獻中的凝結傳熱系數大.本文在壓力84.5 kPa、流速2 m/s下傳熱系數的最大值為210 kW/(m2?K)左右;Utaka[2]的試驗在壓力101.1 kPa、流速 1.5 m/s下傳熱系數的最大值為 180 kW/(m2?K)左右.

圖4是凝結面上兩點(S2、S8)溫差隨冷卻水溫升的變化曲線.在試驗過程中,兩點之間存在溫度差,在其他條件相同的情況下,該溫差一般隨酒精質量分數的增大而減小.

圖4 試驗塊兩側表面溫差Fig.4 T emperature difference on surfaces at both sides of test block

圖5表示的是S2和S8兩點傳熱系數與表面過冷度之間的變化關系,在同一試驗條件下,兩點的變化規律是相似的,在數值上,不同點的傳熱系數存在差異,S2點的最高,S8點的最低.

圖5 試驗塊兩側傳熱系數Fig.5 Heat transfer coefficient at both sides of test block

3 分析和討論

對于二元混合蒸氣的凝結,氣側到凝結表面存在兩個熱阻,一個是蒸氣側到凝結液面的擴散熱阻Rdiff,另一個是液膜的導熱熱阻Rl.Chris Philpott[7]進行了氨水的試驗,他指出在最低質量分數的氨蒸氣中,Rl遠大于Rdiff,相差一個數量級;隨著質量分數的增加,Rdiff逐漸增大,最終超過Rl而占據支配地位.從其試驗結果可以推斷出,在低質量分數時,擴散熱阻相比導熱熱阻較小;但當質量分數增大后,擴散熱阻將占主導地位.

Song等[8]研究了混合蒸氣珠狀凝結中液珠的形成機理,研究表明,雖然從凝結狀態上看屬于珠狀凝結,但實際上在液珠之間以及液珠的脫落處都存在一層薄的凝結液膜,其凝結模型見圖6.Utaka測量了該液膜的厚度,得出的結論是該液膜的厚度最少是 1μm.

圖6 珠狀凝結的物理模型Fig.6 Physical model of dropwise condensation

取傳熱系數為150 kW/(m2?K),則當液膜的厚度分別為 1μm 、2μm 、3μm 時 ,凝結液膜的熱阻在整個壁面側的熱阻中所占比例見表1.

表1 不同液膜厚度下凝結液膜熱阻占壁面側熱阻比例Tab.1 Proportion of condensation film heat resistance to the total value at wall side

從表1可以看出,當凝結液膜厚度達到2μm時,其導熱熱阻在整個傳熱熱阻中起了重要的作用.所以,該層液膜導熱能力的大小對傳熱具有很大的影響.

單獨考慮凝結液膜(見圖7)時,液膜的表面張力取決于溫度T和液膜中酒精的質量分數c,由于

式中:L為凝結表面的橫向長度,從右至左取為正.

通常?σ/?T ＜0 和?σ/?c＜0,因凝結表面右側的溫度低于左側的溫度,即dT/dL＞0,則方程(1)右邊的第一項為負,產生向右的運動見圖7,這種運動稱為thermocapillary運動,是由于溫度差引起的.假設在界面上的酒精質量分數都達到飽和,則右側的質量分數最高,即dc/dL＜0,則方程(1)右邊的第二項為正,這一項產生的運動由左向右,稱為destillocapillary運動,這種運動是由于質量分數差引起的.這兩種運動方向相反,相互作用,增大了液膜內擾動,減小了液膜的熱阻,使傳熱系數提高.所以帶溫度梯度凝結表面的傳熱系數要高于相似工況下橫向不帶溫差平板的傳熱系數.

圖7 液膜中的兩種運動Fig.7 Two kinds of motions in the liquid film

傳熱系數隨過冷度的變化是由于在混合蒸氣凝結過程中,水蒸氣先于酒精蒸氣凝結,在混合蒸氣主體和凝結界面之間形成了一層薄的蒸氣擴散層.穿過該擴散層水蒸氣和酒精蒸氣的組分存在變化:水蒸氣的分壓力逐漸降低而酒精蒸氣的分壓力增大,以維持與主體混合蒸氣壓力的平衡.由此可知,擴散熱阻隨著壁面溫度的降低而增大.

隨著表面過冷度的增大,凝結驅動力變得更大,有更多的混合蒸氣凝結.另一方面,液膜中的thermocapillary和destillocapillary運動也隨著過冷度的增大而變得更強,最終減小了凝結液的導熱熱阻.這種效應超過了由于壁面溫度降低使得擴散熱阻增大的影響,總的熱阻在低的表面過冷度下保持近似不變或略微減小.隨著過冷度的進一步降低,凝結量的增大超過了熱阻的減小,總的熱阻將會增大,從而傳熱系數減小.

在傳熱系數的方面,S2的傳熱系數大于S8的,這是因為thermocapillary運動對液膜的影響大于destillocapillary運動的影響,使得在橫向凝結面上形成一個左側薄而右側厚的楔形液膜[9],右側的液膜較左側的薄,熱阻減小,傳熱系數數值較大.

4 結 論

(1)在相似的試驗工況下(p=84.5 kPa、v=2 m/s),質量分數為1%的混合蒸氣其傳熱系數比Utaka的試驗數值高近15%.

(2)凝結液膜的熱阻對凝結過程的影響很大,占到壁面側熱阻的20%～60%.

(3)在凝結液膜內存在thermocapillary和destillocapillary兩種相反的運動,這兩種運動增大了液膜內的擾動,減小了熱阻.

(4)隨過冷度的增大,兩種運動雖然增強,但凝結量的增大超過了熱阻的減小,總的熱阻增大,傳熱系數減小.

[1]商福民,劉登瀛,冼海珍,等.采用不等徑結構自激振蕩流熱管實現強化傳熱[J].動力工程,2008,28(1):100-103.SHANG Fumin,LIU Dengying,XIAN Haizhen,et al.Enhanced heat transfer by using self-exciting mode oscillating-flow heat pipes of non-uniform structure[J].Journal of Power Engineering,2008,28(1):100-103.

[2]UTAKA Y,WANG S.Characteristic curves and the promotion effect of ethanol addition on steam condensation heat transfer[J].International Journal of Heat Mass Transfer,2004,47(21):4507-4516.

[3]YANG Yusen,YAN Junjie,WU Xinzhuang,et al.Effects of vapor pressure on Marangoni condensation of steam-ethanol mixtures[J].Journal of Thermophysics and heat transfer,2008,22(2):247-253.

[4]LI Y,YAN J J,QIAO L,et al.Experimental study on the condensation of ethanol-water mixtures on vertical tube[J].Heat and Mass Transfer,2008,44(5):607-616.

[5]WANG Jinshi,YAN Junjie,HU Shenhua.Marangoni condensation heat transfer of water-ethanol mixtures on a verticalsurface with temperature gradients[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(9):2324-2334.

[6]胡申華,嚴俊杰,李楊.二元混合蒸氣凝結液界面溫度的計算[J].中國電機工程學報,2011,31(11):68-73.HU Shenhua,YAN Junjie,LI Yang.Interface temperature of condensate for binary mixtures[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(11):68-73.

[7]PHILPOT T C,DEANS J.The enhancement of steam condensation heat transfer in a horizontal shell and tube condenser by addition of ammonia[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2004,47(17/18):3683-3693.

[8]SONG Y J,XU D Q,LIN J F,et al.A study on the mechanism of dropwise condensation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1991,34(11):2827-2831.

[9]HU Shenhua,YAN Junjie,WANG Jinshi,et al.Effect of temperature gradient on Marangoni condensation heat transfer for ethanol-water mixtures[J].International Journal of Multiphase Flow,2007,33(9):935-947.