非等温表面Marangoni凝结特性的研究

胡申华, 严俊杰, 王进仕

(1.新疆大学电气工程学院,乌鲁木齐 830047;2.西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049)

根据冷凝液与冷凝表面的湿润程度可将蒸汽的冷凝方式分为膜状冷凝和珠状冷凝,珠状冷凝的传热系数比膜状冷凝的高一个数量级以上.现有的换热器一般均是以膜状凝结方式工作的,若能实现珠状凝结,则可大大节省金属的消耗和减小换热器的尺寸.洁净的金属表面可形成珠状凝结,但难于持久保持.商福民[1]等采用不等径结构自激振荡流热管实现强化传热.在诸多强化效果中,利用表面张力作用强化冷凝传热是一种较为理想的途径.

研究发现,在水中加入某些物质(如酒精、氨等)的混合工质的蒸汽凝结时,会呈现出类似于珠状凝结的凝结形态,有学者称之为“伪珠状凝结”(Pseudo-dropwise condensation).出现这种现象的原因是由于两种组分的表面张力存在差异,高沸点组分的表面张力大于低沸点组分的表面张力,因而会发生Marangoni效应.

由于Marangoni珠状凝结与非共沸混合物的膜状凝结传热相比具有较高的表面传热系数,目前Marangoni凝结传热已成为世界各国学者的一个研究热点.日本学者Yoshio Utaka[2]利用水-酒精混合蒸气进行了凝结传热试验,在各种酒精浓度条件下进行了竖直平板的凝结传热性能测量,得出了凝结过程表面传热系数与过冷度的关系曲线;西安交通大学的Marangoni课题组对平板、圆管的Marangoni凝结进行了详细的研究[3-4].在实际的工程应用中,为了强化对流侧的传热,通常加装了很多肋片,凝结过程是在具有温度差而非温度均匀的凝结表面上进行的.王进仕等[5]对带温度梯度的凝结表面进行了Marangoni凝结的试验.

综合上述文献,尽管对Marangoni凝结进行了很多研究,但对于其换热强化机理,尤其是对带有温度梯度的Marangoni凝结试验的强化机理还未涉及,本文就这方面进行了讨论.

1 试件和试验系统

为在凝结表面产生温度差,在试验中试件横截面采用梯形(见图1).

图1 试件简图Fig.1 Schematic diagram of the test block

试件上表面是凝结面,下表面是冷却侧,由于沿凝结面横向试件厚度是变化的,在两侧边界条件相同工况下,必然会在凝结表面产生温度差.

图2为采用数值计算方法得到的试件内温度场.凝结面和冷却面均采用对流传热边界条件,凝结面的对流传热系数取150 kW/(m2◦K),冷却面的对流传热系数取30 kW/(m2◦K),冷却水温取298 K,混合蒸气温度取353 K.从图2可以看出,试件凝结表面上的温度是不相同的,厚边的表面温度高于薄边的温度,温差达到了3 K左右.

在数值计算时,假设表面各处的凝结传热系数都是相等的.但在实际试验中,凝结表面各处的传热系数是存在差异的,厚边处的局部传热系数远大于薄边的传热系数,这会进一步加大凝结表面的温度差.由平块的试验经验以及数值计算的结果,最后确定试件的尺寸见图1.在试验过程中,凝结表面温差最大可以达到10 K左右.试验系统和试验步骤可参考文献[6].

图2 试件内温度场理论模拟Fig.2 Simulation of temperature field in the test block

2 试验结果

在三个压力(31.2 kPa、47.4 kPa和84.5 kPa)和三种流速(2 m/s、4 m/s和6 m/s)下,研究了不同质量分数c=(100%～50%)水-(0%～50%)酒精混合蒸气的凝结传热特性.图3是压力为84.5 kPa、流速为2 m/s的试验条件下,不同质量分数混合蒸气的凝结特性曲线.

图3 凝结传热特性曲线Fig.3 Comparison of heat transfer coefficient between ex perimental results and literature data

从图3可以看出,传热系数随表面过冷度呈非线性变化规律,存在凝结传热系数的最大值.凝结传热系数的最大值随酒精质量分数的降低有向过冷度较小区域内移动的趋势;在低酒精质量分数范围(0.5%～10%)内,凝结传热系数对表面过冷度的依赖性强;在较高的酒精质量分数范围(20%～50%)内,凝结传热系数对表面过冷度的依赖性减弱.在其他条件相同的情况下,表面传热系数随蒸气流速和压力的增大而增大(图中未给出).

在近似相同的试验条件下,本试验中的凝结传热系数较文献中的凝结传热系数大.本文在压力84.5 kPa、流速2 m/s下传热系数的最大值为210 kW/(m2◦K)左右;Utaka[2]的试验在压力101.1 kPa、流速 1.5 m/s下传热系数的最大值为 180 kW/(m2◦K)左右.

图4是凝结面上两点(S2、S8)温差随冷却水温升的变化曲线.在试验过程中,两点之间存在温度差,在其他条件相同的情况下,该温差一般随酒精质量分数的增大而减小.

图4 试验块两侧表面温差Fig.4 T emperature difference on surfaces at both sides of test block

图5表示的是S2和S8两点传热系数与表面过冷度之间的变化关系,在同一试验条件下,两点的变化规律是相似的,在数值上,不同点的传热系数存在差异,S2点的最高,S8点的最低.

图5 试验块两侧传热系数Fig.5 Heat transfer coefficient at both sides of test block

3 分析和讨论

对于二元混合蒸气的凝结,气侧到凝结表面存在两个热阻,一个是蒸气侧到凝结液面的扩散热阻Rdiff,另一个是液膜的导热热阻Rl.Chris Philpott[7]进行了氨水的试验,他指出在最低质量分数的氨蒸气中,Rl远大于Rdiff,相差一个数量级;随着质量分数的增加,Rdiff逐渐增大,最终超过Rl而占据支配地位.从其试验结果可以推断出,在低质量分数时,扩散热阻相比导热热阻较小;但当质量分数增大后,扩散热阻将占主导地位.

Song等[8]研究了混合蒸气珠状凝结中液珠的形成机理,研究表明,虽然从凝结状态上看属于珠状凝结,但实际上在液珠之间以及液珠的脱落处都存在一层薄的凝结液膜,其凝结模型见图6.Utaka测量了该液膜的厚度,得出的结论是该液膜的厚度最少是 1μm.

图6 珠状凝结的物理模型Fig.6 Physical model of dropwise condensation

取传热系数为150 kW/(m2◦K),则当液膜的厚度分别为 1μm 、2μm 、3μm 时 ,凝结液膜的热阻在整个壁面侧的热阻中所占比例见表1.

表1 不同液膜厚度下凝结液膜热阻占壁面侧热阻比例Tab.1 Proportion of condensation film heat resistance to the total value at wall side

从表1可以看出,当凝结液膜厚度达到2μm时,其导热热阻在整个传热热阻中起了重要的作用.所以,该层液膜导热能力的大小对传热具有很大的影响.

单独考虑凝结液膜(见图7)时,液膜的表面张力取决于温度T和液膜中酒精的质量分数c,由于

式中:L为凝结表面的横向长度,从右至左取为正.

通常∂σ/∂T ＜0 和∂σ/∂c＜0,因凝结表面右侧的温度低于左侧的温度,即dT/dL＞0,则方程(1)右边的第一项为负,产生向右的运动见图7,这种运动称为thermocapillary运动,是由于温度差引起的.假设在界面上的酒精质量分数都达到饱和,则右侧的质量分数最高,即dc/dL＜0,则方程(1)右边的第二项为正,这一项产生的运动由左向右,称为destillocapillary运动,这种运动是由于质量分数差引起的.这两种运动方向相反,相互作用,增大了液膜内扰动,减小了液膜的热阻,使传热系数提高.所以带温度梯度凝结表面的传热系数要高于相似工况下横向不带温差平板的传热系数.

图7 液膜中的两种运动Fig.7 Two kinds of motions in the liquid film

传热系数随过冷度的变化是由于在混合蒸气凝结过程中,水蒸气先于酒精蒸气凝结,在混合蒸气主体和凝结界面之间形成了一层薄的蒸气扩散层.穿过该扩散层水蒸气和酒精蒸气的组分存在变化:水蒸气的分压力逐渐降低而酒精蒸气的分压力增大,以维持与主体混合蒸气压力的平衡.由此可知,扩散热阻随着壁面温度的降低而增大.

随着表面过冷度的增大,凝结驱动力变得更大,有更多的混合蒸气凝结.另一方面,液膜中的thermocapillary和destillocapillary运动也随着过冷度的增大而变得更强,最终减小了凝结液的导热热阻.这种效应超过了由于壁面温度降低使得扩散热阻增大的影响,总的热阻在低的表面过冷度下保持近似不变或略微减小.随着过冷度的进一步降低,凝结量的增大超过了热阻的减小,总的热阻将会增大,从而传热系数减小.

在传热系数的方面,S2的传热系数大于S8的,这是因为thermocapillary运动对液膜的影响大于destillocapillary运动的影响,使得在横向凝结面上形成一个左侧薄而右侧厚的楔形液膜[9],右侧的液膜较左侧的薄,热阻减小,传热系数数值较大.

4 结 论

(1)在相似的试验工况下(p=84.5 kPa、v=2 m/s),质量分数为1%的混合蒸气其传热系数比Utaka的试验数值高近15%.

(2)凝结液膜的热阻对凝结过程的影响很大,占到壁面侧热阻的20%～60%.

(3)在凝结液膜内存在thermocapillary和destillocapillary两种相反的运动,这两种运动增大了液膜内的扰动,减小了热阻.

(4)随过冷度的增大,两种运动虽然增强,但凝结量的增大超过了热阻的减小,总的热阻增大,传热系数减小.

[1]商福民,刘登瀛,冼海珍,等.采用不等径结构自激振荡流热管实现强化传热[J].动力工程,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]胡申华,严俊杰,李杨.二元混合蒸气凝结液界面温度的计算[J].中国电机工程学报,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.