疏水表面蒸汽滴状冷凝传热实验分析

齐隽楠，吴嘉峰，陈亚平

（东南大学能源与环境学院，江苏　南京　210096）

疏水表面蒸汽滴状冷凝传热实验分析

齐隽楠*，吴嘉峰，陈亚平

（东南大学能源与环境学院，江苏南京210096）

为了深入考察竖直表面上滴状冷凝强化蒸汽冷凝传热过程的作用机理，设计了滴状冷凝（DWC）、膜状冷凝（FWC）两种冷凝形态的疏水和亲水竖直圆柱形表面，进行了实验研究。结果表明：在30 kPa压力和相同过冷度的情况下，滴状冷凝传热量是膜状冷凝传热量的2～4倍。其主要原因是滴状冷凝时冷凝表面呈疏水性，使经过合并后的大液滴在形成连续的液膜前就从表面上脱落下来，蒸汽能够持续不断地与冷表面直接接触，其换热强度远远大于膜状冷凝。

疏水表面；亲水表面；滴状冷凝；膜状冷凝；实验

0　引言

蒸汽在冷表面上凝结时，先是在冷表面上形成一些离散的凝结液滴。随着时间的推移，由于蒸汽继续在液滴表面上凝结而且与相邻液滴相互合并而不断长大。如果大液滴在形成连续的液膜之前就从表面上脱落滚下，表面上就会维持滴状凝结。滴状凝结由于能保持蒸汽不断地与冷壁面接触，其换热强度要比膜状凝结高得多［1］。通常，蒸汽在磨得很光的铜表面或经过表面处理的金属表面上凝结时可能发生滴状凝结。此外，在蒸汽中加入少量添加剂（称为滴状冷凝促进剂），也可实现滴状凝结。这种促进剂能优先润湿表面并形成一层不易被凝结液润湿的表面附着层，蒸汽在其上实现滴状凝结，但并不持久［2-5］。若能找到能维持滴状冷凝的表面并将其应用到空调冷凝器内部盘管表面上［6］，将会极大地提高空调冷凝器效率，节约能源。本文采用表面处理方法，在搭建的可视化实验系统中，研究接触角大、水滴极易滚落的疏水表面上的蒸汽凝结传热过程。通过光滑疏水表面与光滑亲水表面的蒸汽冷凝传热性能的对比，实验考察了在蒸汽压力为30 kPa的条件下，两种表面上的冷凝传热特性。

1　实验部分

1.1表面的制备

本文采用的紫铜基表面亲水层和疏水层的构造参考文献［7］和［8］。光滑亲水表面记为SAM-0，做法如下：在实验表面用2，000目砂纸打磨光滑的基础上，经过去离子水、稀硫酸、酒精、丙酮、酒精、稀硫酸的清洗，最后用去离子水冲洗，然后置于高温蒸汽中10 h，至表面生成一层极薄的亲水性氧化铜膜，使得表面达到亲水效果。光滑疏水表面记为SAM-1，做法如下：对实验表面用2，000目砂纸进行打磨至光滑如镜，经去离子水、稀硫酸、酒精、丙酮、异丙醇、酒精、稀硫酸的清洗，再用去离子水冲洗，然后将试验件置于70 ℃、2.5 mmol/l的十八烷基硫醇的乙醇溶液中，恒温8 h以上至表面形成一层以十八烷基硫醇为衬底的疏水性薄膜，达到疏水效果。

1.2实验装置及流程

本实验为可视化实验，实验系统图及实验流程图分别如图1和图2所示；实验装置由冷凝室、蒸汽发生系统、水浴冷却系统和数据采集系统四部分组成。

冷凝块的实验表面在Φ40的端面上，另一端Φ90的端面与外径为Φ145的冷却盘之光表面接触。为了很好地测量冷凝块壁面温度，如图3所示，在冷凝块与冷却水盘接触的表面上沿直径开有一条细槽，然后在不同的半径上分布3个Φ2 mm孔，孔深距实验表面2 mm，3个热电偶分别插入孔中，引线嵌入槽中引出。冷却盘有6圈带交叉缺口的圆壁，形成多层环形同心圆流道。上述冷凝块、冷却盘通过端盖板与冷凝室紧固连接；冷却水从端盖板上设置的进出口由外围进入流至中心流出。

图1　实验系统图

图2　实验流程图

图3　冷凝实验装置设计与部件实物图

由于不凝性气体对实验过程的稳定性影响较大，实验开始之前，要对系统进行抽真空处理，并对其进行保压实验。系统外视窗选用烧结一体的视镜法兰，以防漏气。其他连接部位均涂胶密封。

开启实验后，采用LabView软件编制操作测控程序，实时监测冷凝室压力、温度、不凝气含量等数据，待系统稳定后进行实验测量采集数据的记录。

2　实验结果与讨论

2.1表面的表征

采用躺滴法对冷凝表面的接触角进行取样，用编制好的VB程序进行测量，在不同位置选取9个点进行多次测量，取平均值，实验前SAM-0与SAM-1表面的接触角分别为48.7°和97.1°。如图4所示。

图4　SAM-0与SAM-1表征接触角

2.2数据处理

每个测量点在系统稳定后，取20个测量值，求其平均值。由式（1）计算得其传热量q。

式中：

G——冷却水流量；

c——水的比热；

Ti——冷却水进口温度；

To——冷却水出口温度。

由冷凝块上3枚热电偶测量出的平均值根据式（2）修正，可用于获得壁面温度Tw。

式中：

Tm——插入冷凝块内三个热电偶的平均温度；

δ——热电偶顶端距离冷凝表面的距离；

λCu——紫铜的导热系数。

凝结换热系数h由式（3）计算。

式中：

Ts——蒸汽饱和温度；

A——冷凝块面积，A = π·R2，R = 20 mm。

2.3实验系统可靠性验证

首先采用SAM-0表面进行膜状冷凝实验来确定系统的可靠性。根据修正的Nusselt理论［9］，圆形冷凝表面上的平均膜状冷凝传热系数h如式（4）所示。

式中：

ρl——凝结液的密度；

λl——凝结液的导热系数；

μl——凝结液的动力粘度；

γ——汽化潜热。

图5显示本系统膜状冷凝的实验值与理论计算值偏差在15%以内，可认为本实验系统参数测量及数据处理方法是可靠的。

图5　膜状冷凝实验值与Nusselt理论值的比较

2.4滴状冷凝传热数据分析

图6为纯蒸汽条件下两种表面热通量随过冷度变化的曲线。实验范围内，SAM-0实现膜状冷凝，SAM-1实现滴状冷凝。可以看出在相同的过冷度下，实验范围内，疏水表面的SAM-1的换热系数约为亲水表面SAM-0的换热系数或Nusselt膜状冷凝理论值2～4倍。图7显示了在小过冷度下，滴状冷凝强化传热的效果更加明显。在过冷度很小的时候，SAM-1的表面传热系数甚至可比Nusselt膜状冷凝理论值大1个数量级。

2.5可视化结果

该实验装置，不仅能对蒸汽凝结传热进行传热性能参数测量，还可以通过高速摄像仪搭配显微镜对凝结过程中凝结表面情况进行观察记录。为防止在实验过程中蒸汽在视镜上凝结导致拍摄不清晰，在视镜外表面布置贴片式加热器（OMEGALUX KHLV-0505/10-P），通过直流电源调节贴片式加热器功率保证拍摄清晰且不至于使视镜过热。图8是蒸汽压力为40 kPa时，滴状凝结液滴合并的过程（虚线框内）。可见在某个小液滴向大液滴合并过程中会产生扰动，带动周围若干个液滴的合并，合并后大液滴周围的小液滴都一扫而净。这说明经过处理后，表面能较低，接触角大，水滴极易滚落的疏水表面对强化凝结传热有较大的影响。

图6　滴状冷凝实验值与膜状冷凝实验值的比较

图7　小过冷度下滴状冷凝实验值与Nusselt理论值比较

图8　滴状凝结液滴合并过程（帧间隔50 ms）

3　结论

实验分别考察了具有疏水和亲水性能的紫铜基表面上纯蒸汽的滴状冷凝和膜状冷凝传热特性，由实验结果得出以下结论。

1）纯蒸汽滴状冷凝条件下，在光滑疏水表面上，由于凝结作用形成的液滴能够快速连续地滚落下来，蒸汽能保持不断地和冷壁面接触，使换热强度达同等条件下膜状凝结的2～4倍。

2）在纯蒸汽及实验范围内的蒸汽冷凝过程中，在过冷度较小的情况下，表面能较低，接触角大、水滴极易滚落的疏水表面对强化冷凝传热的作用更加明显。

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Experimental Analysis on Dropwise Condensation of Steam on Hydrophobic Surfaces

QI Jun-nan*，WU Jia-feng，CHEN Ya-ping
（School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China）

In order to get a better understanding of the mechanism of heat transfer enhancement on vertical surface in dropwise condensation of steam，two kinds of vertical and cylindrical surfaces were designed and investigated，one of hydrophobic for dropwise condensation（DWC）and another of hydrophibic for filmwise condensation（FWC）.The experimental results indicated that under 30 kPa pressure and with the same degree of subcooling，the heat transfer coefficient of the dropwise condensation is 2～4 times than that of filmwise condensation.The main reason is the surface of hydrophobic at dropwise condensation，so that the drops after merging could fall off from the surface before forming a continuous film，thus the steam can continuously contact with the cold surface directly and its heat transfer intensity is far greater than that of the film condensation.

Hydrophobic surface；Hydrophibic surface；Dropwise condensation；Filmwise condensation；Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.103

*齐隽楠（1989-），女，河南周口人，硕士。研究方向：强化传热。联系地址：江苏省南京市玄武区四牌楼2号东南大学，邮编：210096。联系电话：18795856920。E-mail：qijuanjuan414@163.com；联系人：陈亚平，ypgchen@sina.com。

国家自然科学基金资助项目（No.51276035，51206022）