基本介紹
- 中文名：滴狀冷凝傳熱
- 外文名：dropwise condensation heat transfer
- 分類：傳熱方式的一種
- 領域：物理傳熱領域
- 優點：傳熱係數高
- 影響因素：流體、水側污垢和管壁的熱阻
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滴狀冷凝傳熱簡介
蒸汽在低於其飽和溫度的壁面上變成液體同時放出相變熱(潛熱)，並把相變熱傳遞給壁面的熱交換過程，稱為冷凝傳熱過程。從巨觀上講，冷凝過程分為膜狀冷凝和滴狀冷凝兩類。一般地說，冷凝傳熱過程是一種高效熱傳遞過程，它的換熱係數高於同種流體的單相對流換熱係數。
確定兩類冷凝方式的依據是冷凝液能否潤濕壁面。如果冷凝液能夠很好地潤濕壁面，它就在壁面鋪展成膜，這種冷凝形式稱為膜狀冷凝。膜狀冷凝時，液膜在重力作用下不斷地沿壁面流動。此時，冷凝所放出的相變熱(潛熱)必須穿過液膜才能傳遞到冷卻壁面上，而液膜層就成為傳熱的主要熱阻。當冷凝液不能很好地潤濕壁面時，冷凝液在壁面上形成一個個的小液珠，此冷凝形式稱為滴狀冷凝。液滴長大後，由於受重力的作用會不斷地攜帶著沿途的其他液滴沿壁面流下。與此同時，新的液滴又會在原來的路徑上重新復生。這樣，冷凝放出的相變熱就可能直接地傳遞給壁面。
滴狀冷凝時的傳熱係數要比其他條件相同的膜狀冷凝大幾倍甚至大一個數量級，是一種理想的冷凝傳熱過程。但是，迄今維持滴狀冷凝形式的時間不能持久，故在絕大多數工業冷凝器中，例如動力與製冷裝置的冷凝器上，實際上得到的都是膜狀冷凝。儘管近年來滴狀冷凝的研究工作取得了不少進展，然而要在工業冷凝器中實現滴狀冷凝，還有大量的工作要做。
滴狀冷凝機理
滴狀冷凝是一種高效冷凝過程，是增強冷凝傳熱的重要措施。故人們對滴狀冷凝包括傳熱的機理、維持滴狀冷凝的條件以及工業套用的前景等一系列課題進行了長期的、系統的研究。它不僅涉及傳熱傳質學、金屬學、化學，還涉及表面科學和表面技術等諸多科學技術領域。到目前為止，滴狀冷凝的機理研究已取得較大進展，但滴狀冷凝的工業化套用尚未有突破性成果。其主要解決的問題是尋找能在工業條件下長期維持滴狀冷凝的表面材料極其表面處理技術。
滴狀冷凝的先決條件是冷凝液不潤濕壁面(接觸角大)。也就是說，只有冷凝壁材料的表面能較低，或通過一定的措施增大液、固之間的表面張力，減小冷凝液附著表面的潤濕能力，冷凝液才有可能在它上面以液滴的形式出現而不以膜狀的形式鋪展。Westwater曾對蒸汽在固體表面七遇冷凝結的滴化現象作了描述：由於滴內為液體，潤濕性液體的冷凝液滴可在冷表面上不平整的更小曲率半徑下發育與生長，固體壁面上的凹坑或者缺陷幾乎都能成為有效的成滴核心。如果成滴的分布密度極高，液滴容易與相鄰的液滴就地匯聚而成液膜；在壁面上塗抹脂肪酸、石蠟之類的有機塗層，將有效堵塞許多可能的成滴核心，從而阻止連續冷凝液膜的形成，促成滴狀冷凝的出現。
滴狀冷凝是一個不斷重複的非穩定的循環過程，它由液滴的生長、長大、合併和脫落四個隨機的子過程組成，見圖8.4-1。研究循環中的每個階段及其相互關係是滴狀冷凝傳熱機理研究的基本工作。
滴狀冷凝液滴生長循環圖
初始液滴生成機制是滴狀冷凝傳熱機理的基礎。關於初始液滴生成機制，目前有兩種基本假說，即Jakob等提出的液膜破裂假說和Fatica的提出的固定成核中心假說。Umur等(1965年)用熱力學的方法對滴狀冷凝的初始行為進行了分析，指出在非潤濕性表面上，液膜的持續生長是不可能的，液滴之間不存在超過一個分子層厚的液膜。固定成核中心假說被大多數學者所接受。成核理論認為，液滴在固體表面上隨機分布的位置成核，這些位置是表面的凹坑、溝槽、劃痕等缺陷，能夠形成液核的缺陷尺寸取決於過冷度。儘管固定成核中心假說被多數學者證實和認同，但是液滴與液滴之間是否存在極薄液膜相連一直是個爭論的問題。
宋永吉等從吸附的觀點並結合成核基本理論，提出了滴狀冷凝過程中初始液滴生成的滴膜共存機制。認為冷凝過程中液滴的生成必須具備兩個條件：①冷卻壁面的表面能低；②壁面存在成核中心。以吸附理淪為根據，指出在冷凝表面上不存在巨觀尺度數量級的“潔淨”表面，液滴之間存在的液膜將對冷凝傳熱產生重要影響。在冷凝表面上存在大量不同尺寸的液滴並按一定規律分布，液滴之問存在一定厚度的連續的薄液膜，冷凝蒸汽在液膜表面冷凝產生的液體，不斷地沿著膜表面向周圍液滴過度。宋永吉等在初始液滴生成的液膜共存機制的基礎上，獲得了滴狀冷凝傳熱模型，即滴狀冷凝的總傳熱量為通過液膜區和液滴區熱量的加和。並以此推導出了傳熱係數的理論計算式，通過計算認為，液滴之問的液膜區是熱量傳遞的主要通道。
影響滴狀冷凝傳熱特性的因素
影響滴狀冷凝傳熱特性的因素包括蒸汽壓力、冷凝液滴行為、冷凝表面材料的物理化學特性、表面傾角(即重力)以及不凝性氣體的存在等。到目前為止，液滴脫落直徑和表面材料導熱係數的影響已經有了較為滿意的結論，而其他方面的研究還很不完善。冷凝液滴行為包括液滴分布、液滴生長速率和液滴脫落直徑。
液滴分布、液滴生長速率和液滴脫落直徑是影響滴狀冷凝傳熱特性的關鍵參數。郭修范等以力學平衡原理推導出了液滴脫落直徑及其表面傾角的關係式。宋永吉等利用高速攝影研究了液滴分布、液滴生長速率和液滴脫落直徑的規律。指出液滴分布主要與表面性能有關；液滴的生長初期主要以蒸汽的直接冷凝為主，後期主要以液滴之間的合併為主，其主要影響因素是操作條件：液滴的脫落直徑主要與表面因素有關，接觸角較大的表面，液滴脫落直徑較小，Yu-Ting Wu等認為滴狀冷凝是一個典型的分形過程，並以隨機分形模型來描述液滴的尺寸及其空問分布規律。該模型考慮了液滴分布的隨機性和冷凝表面熱通量的相異性，克服了Rose模型的局限，並用其理論結果與實驗數據進行了對比，此項研究為滴狀冷凝傳熱的直接數字模擬奠定r基礎。圖8.4-3為隨機分形模型生成的液滴分布與實際凝結表面液滴分布的對照圖。吳玉庭等又根據上述模型，對不同材料表面滴狀冷凝換熱進行廠數值模擬，結果表明，滴狀冷凝傳熱係數隨冷凝壁材料導熱係數的降低而減低。曹治覺從化學勢變化的角度對液滴的冷凝過程進行了動態描述，給出了實現持續的Brown凝並的條件，結合冷凝器管壁面液滴的脫落半徑與接觸角的關係，求出了滴狀冷凝時的液滴接觸角的最優選擇範圍。
滴狀冷凝傳熱過程分析
滴狀冷凝是對流換熱有相變的一種基本機制。滴狀冷凝現象的複雜性，包括在時間上的不連續性，成滴核心位置的不確定性以及表面張力主控下冷凝液滴脫離壁面掉落時的形狀與大小等等，至今尚不能準確描述。
滴狀冷凝換熱過程包括冷凝液滴和冷凝壁換熱兩部分組成。液滴的傳熱一般是通過分析單個液滴的傳熱，再由液滴分布函式求出通過冷凝壁上所有液滴的傳熱量。影響單個液滴傳熱的因素有三個：表面張力；相際傳質；通過液滴的導熱。一般來說，表面張力對傳熱的影響呵以忽略。Rose認為通過單個液滴的傳熱過程可以看成是液滴內部的二維穩態導熱過程。他考慮了液滴的導熱和氣液分界面的傳熱過程，利用差分不等式求得了通過單個半球形液滴以氣液分界面為基準的熱流密度。關於液滴的分布目前有兩種方法進行描述，一種是以液滴的一般分布函式來進行描述，另外一種是Yu-Ting Wu等提出的隨機分形模型來描述液滴的分布。關於冷凝壁的換熱也有兩種觀點，一種認為在滴狀冷凝過程中冷凝壁是裸露的，裸露表面的換熱可看作是蒸汽掠過表面的強制對流；另一種是宋永吉等提出的滴膜共存機理，認為冷凝壁I二液滴與液滴之問存在著一定厚度的薄層液膜，總傳熱量應為通過液滴區的傳熱量和液膜區的傳熱量的總和。宋永吉等認為通過液膜區的傳熱阻力有兩項：由相際傳質而產生的傳熱阻力；由液膜導熱而產生的傳熱阻力。
滴狀冷凝傳熱優點
滴狀冷凝傳熱在以下三個方面優於常規的強化膜狀冷凝傳熱方式：
①滴狀冷凝可以獲得很高的熱負荷能力，特別是在高冷凝速率時，冷凝液膜的液泛使微型結構的表面的毛細
作用力失去作用；
②污垢對常規方法的傳熱惡化程度要遠遠超過對滴狀冷凝傳熱的影響；
③對於常規方法的臥式冷凝器，由於上管排的噴淋作用，底部管排的淹沒效應將削弱整台冷凝器的傳熱能力。實驗表明，淹沒效應對滴狀冷凝傳熱的影響較小。
