水-酒精混合蒸氣在水平圓管橫截面換熱特性的研究?

吳凡，胡申華，高策

(新疆大學 電氣工程學院熱能動力系，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

雙組分混合蒸氣在固體表面凝結(jié)時，當高沸點組分的表面張力大于低沸點組分的表面張力時,如果出現(xiàn)微小的擾動，在凝結(jié)表面的凝結(jié)液會產(chǎn)生Marangoni對流.使得凝結(jié)表面液膜厚度不均勻，形成類似珠狀的凝結(jié)狀態(tài)，一般稱為Marangoni珠狀凝結(jié)或Marangoni凝結(jié).Mirkovich和Missen[1]于1961年首先拍攝到了相溶性雙組分混合蒸氣的這種非膜狀凝結(jié)現(xiàn)象.1968年，F(xiàn)ord和Missen[2]兩位學者用公式表示了出現(xiàn)“Marangoni現(xiàn)象”的條件.Fuji[3]測量了CFC12/CFC114和CFC114/CFC11混合物在水平管上凝結(jié)時的傳熱系數(shù)和空氣對熱傳遞的影響.Morrison[4]報道了質(zhì)量分數(shù)為0.23%～0.88%的氨水混合物，其傳熱系數(shù)能提高13%.Chris和Joe[5]研究了在水平管殼式冷凝器通過加入少量氨實現(xiàn)了水蒸氣換熱的增強，得出加入氨水濃度在0.2～0.9%，平均傳熱系數(shù)提高了14%.這種現(xiàn)象本質(zhì)上不同于疏水表面上形成的珠狀凝結(jié)，它發(fā)生在親水表面，且液滴形成的過程中有一層液膜存在于其表面上.Hijikata[6]指出在這種Marangoni凝結(jié)現(xiàn)象或“Pseudo-dr-opwise”發(fā)生時，液膜存在不穩(wěn)定性，液膜表面的任何擾動會使液膜厚度出現(xiàn)差異，且表面張力的差值比其絕對值對Marangoni凝結(jié)現(xiàn)象的影響更大.Utaka和Terachi[7,8]進行了水-酒精混合蒸氣的Marangoni凝結(jié)實驗，認為過冷度是凝結(jié)現(xiàn)象的主要影響因素.同時Ukata與他的同事也研究了傳熱系數(shù)與蒸氣濃度（Utaka和Wang[9]）、與蒸氣流速（Utaka和Kobayashi[10]）的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)在水蒸氣中加入非常少量的酒精（0.5%或更少）較純水蒸氣凝結(jié)換熱增強2～8倍.同時在對整體溫度梯度的研究中Utaka[11]和他的同事提出由于表面液膜的不穩(wěn)定性導致了Marangoni現(xiàn)象的發(fā)生.應用整體表面溫度梯度在失重或水平凝結(jié)表面的Marangoni冷凝區(qū)域，凝結(jié)液滴可不受任何外力而自發(fā)運動.Murase[12]研究了水平管上Marangoni酒精蒸氣混合物的冷凝現(xiàn)象.這些結(jié)果呈現(xiàn)出與Ukata和Wang所做的豎直面凝結(jié)相同的趨勢，細微的差別可以解釋為幾何因素，而傳熱系數(shù)依賴于過冷度和蒸氣流速.Utaka和Nishikawa[13]利用激光吸收技術(shù)研究了水-酒精凝結(jié)液膜的厚度，確認了“Pseudo-dropwise”中低層薄液膜的厚度一般為1 um.在穩(wěn)定的整體溫度梯度條件下Utaka和Kamiyama[14]對水平和相關(guān)的換熱表面整體表面張力梯度在冷凝液滴滴落過程中的影響進行了研究.實驗結(jié)果呈現(xiàn)了凝結(jié)液滴從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域運動的趨勢，在凝結(jié)表面液滴滴落速度隨表面張力梯度增加而增大，而且滴落速度與液滴大小無關(guān).嚴俊杰[15]等進行了水-酒精混合蒸氣在豎直平板表面的凝結(jié)換熱實驗，分析了蒸氣濃度與壓力對凝結(jié)換熱的影響.王進仕[16]研究了具有溫度梯度的試驗塊表面對傳熱系數(shù)的影響.而對于水和酒精混合工質(zhì)在水平管外的研究還比較少，尤其是對水平圓管橫截面的Marangoni現(xiàn)象的研究還未見報道，本文設(shè)計搭建了水平管外的Marangoni凝結(jié)實驗臺，研究了不同酒精濃度下水平圓管的橫截面各點的傳熱系數(shù)的變化規(guī)律.

1 實驗系統(tǒng)及計算方法

Marangoni凝結(jié)換熱實驗系統(tǒng)見圖1，分為混合工質(zhì)循環(huán)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng).混合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由蒸氣發(fā)生器、實驗管段、板式換熱器、回流管路等組成.輔助冷凝器是為了凝結(jié)在圓管內(nèi)未完全凝結(jié)的混合蒸氣.冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水循環(huán)水泵、冷卻水箱、變頻器和相應的管路組成，通過變頻器可改變冷卻水流速，且與蒸氣流動方向相反.抽真空系統(tǒng)用來排除系統(tǒng)中的不凝結(jié)氣體，以保證實驗的準確性和可靠性.在實驗管段設(shè)置了視窗，利用CCD攝像頭對凝結(jié)狀態(tài)進行觀察和記錄.實驗用厚度0.68 mm，有效長度1 000 mm，外徑16.00 mm，內(nèi)徑13.33 mm的紫銅管作為實驗管段.熱電偶沿銅管軸向布置，直接焊接在銅管表面，Djordjevic[17]驗證了這種測溫方法是可行的.共布置5處，每處沿銅管外壁間隔90?布置3對熱電偶，一共15對熱電偶.實驗管段及熱電偶的布置見圖2.熱電偶采用經(jīng)過標定的銅-康銅T型熱電偶.

圖1 實驗系統(tǒng)圖

根據(jù)能量守恒原理：蒸氣的熱流量Φ全部轉(zhuǎn)換為冷卻水的吸熱量Q.即

式中：c、qm、tfo和tfi分別為冷卻水比熱容（J/（kg·?C））、質(zhì)量流量（kg/s）、出口水溫（?C）和進口水溫（?C）.

圖2 實驗管段測溫區(qū)域熱電偶分布簡圖

管外側(cè)壁面的實驗傳熱系數(shù)hexp

式中：do、l、tfo和two分別為銅管外徑（m）、有效長度(m)、飽和蒸氣溫度(?C)和管壁面溫度(?C).

管外側(cè)蒸氣層流膜狀凝結(jié)理論表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hth為

式中：r、λ、ρ和η分別為汽化潛熱(J/kg)、導熱系數(shù)(W/(m·K))、蒸氣密度(kg/m3)和動力粘度(Pa·s).

在運行過程中，管內(nèi)、外側(cè)常會積起各種污垢，由于本實驗過程均采用的是新管材，故忽略其污垢熱阻項.

利用文獻[18]的方法對h的不確定度進行分析.導熱系數(shù)λ的不確定度取2%，溫度T的不確定度取0.1?C，d的不確定度取0.02 mm，傳熱系數(shù)h的不確定性為4%～19%.

2 實驗結(jié)果

文獻[7～10]的研究表明，混合蒸氣酒精含量是Marangoni凝結(jié)換熱特性最重要的影響因素.本文在蒸氣壓力分別為50 Kpa、70 kPa，蒸氣流速為0.46 m/s的條件下進行了酒精蒸氣質(zhì)量分數(shù)為0%～20%的實驗，觀察了不同工況下的凝結(jié)形態(tài)，得到了多個酒精含量下凝結(jié)表面上溫度梯度和濃度梯度耦合時的Marangoni凝結(jié)換熱特性.

2.1 凝結(jié)狀態(tài)

實驗實現(xiàn)了凝結(jié)形態(tài)的可視化，并拍攝了純水蒸氣、水-酒精混合物的凝結(jié)畫面.如圖3所示，從圖中可以看出，純水蒸氣的凝結(jié)狀態(tài)基本上一直為膜狀，但液膜并不平整，可看到明顯的波紋差異.這說明實驗中凝結(jié)表面上的溫度梯度所引起的表面張力差異，雖然不足以使液膜撕裂，但卻對液膜起到了明顯的擾動作用.混合蒸氣的凝結(jié)形態(tài)一般都為非膜狀，而具體形態(tài)與蒸氣中的酒精含量、過冷度有關(guān).細小液滴在銅管的底部匯集成較大的液滴后，最后由于重力的作用，跌落下來.

圖3 凝結(jié)形態(tài)

2.2 凝結(jié)傳熱特性

在實驗中一共可以計算出15個不同局部的傳熱系數(shù).考慮實驗試件形狀的對稱性及15個可計算的局部在實驗試件上所處的位置特點，選擇了其中處于典型位置的3點：S3、S6、S15來分析凝結(jié)換熱規(guī)律.

圖4所示為S6點在不同酒精含量下混合蒸氣凝結(jié)傳熱特性曲線，從圖4可以看出，酒精濃度C=1%、2%和5%時，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化趨勢規(guī)律相似，在較小的過冷度區(qū)域凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的增加而下降；在過冷度大約為6～10 K時，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度變化的趨勢出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，凝結(jié)傳熱數(shù)隨過冷度的增加而增大，且增加趨勢逐漸變緩，然后開始下降，出現(xiàn)了一個小的波峰；當C=10%、20%時，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化與低濃度時變化趨勢相似，表現(xiàn)為中小過冷度(T<12 K左右)時，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的增加而變小，維持在一定的的數(shù)值范圍.達到某一過冷度時，凝結(jié)傳熱系數(shù)開始隨著過冷度的增加而緩慢增加，直至達到峰值，其后凝結(jié)傳熱系數(shù)隨著過冷度的增加開始下降.

圖4 不同酒精濃度下S6點凝結(jié)特性曲線

2.3 蒸氣壓力對凝結(jié)傳熱特性影響

圖5 所示為C=2%、20%，V=0.46 m/s流速下、不同壓力時三個測點凝結(jié)特性曲線，從圖中可以看出，凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)總體是在下降，但也如圖4一樣出現(xiàn)了波峰，且S3、S6和S15三個測點均是S3的傳熱系數(shù)在同過冷度條件下最大，S6和S15則排在其后.在C=2%時，蒸氣壓力對傳熱系數(shù)的影響較大，同一測點蒸氣壓力越大其傳熱系數(shù)越高，且S6測點的傳熱系數(shù)明顯大于S15測點；在C=20%時，蒸氣壓力對傳熱系數(shù)的影響并不明顯，只有S3測點可看出蒸氣壓力對其傳熱系數(shù)具有一定影響，而在S6和S15測點蒸氣壓力幾乎沒有影響，且S6測點的換熱特性曲線與S15測點線性基本一致.

圖5 不同壓力下S3、S6、S15凝結(jié)換熱特性

2.4 酒精濃度對凝結(jié)換熱特性影響的分析

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在酒精含量不同時，所有不同位置處的凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化趨勢基本相同.對于不同酒精含量下的混合蒸氣，S3點處的凝結(jié)傳熱系數(shù)均為最大，S15點處的傳熱系數(shù)均為最小，S6點處的傳熱系數(shù)居中，但在不同的酒精含量下，不同位置之間的傳熱系數(shù)差值不盡相同，在C=2%時差值較大，而在C=20%時S6測點與S15測點換熱特性曲線基本一致.

圖6 不同酒精濃度下S3、S6、S15凝結(jié)換熱特性

凝結(jié)表面上不同局部(文中的S3、S6和S15三點)具有不同的傳熱系數(shù)，初步分析是由于凝結(jié)表面不同局部的表面張力梯度不同，從而引起局部凝結(jié)熱阻有差異，最終使凝結(jié)表面各局部的Marangoni對流強弱有別，各局部換熱效果自然不同.而引起表面張力梯度的原因是由于冷卻水流向與蒸氣相反，且測點S3在蒸氣出口處，所以相較測點S6表面形成的凝結(jié)液珠在蒸氣的沖刷下更快的滴落.當然對測點S15的影響更大，所以從圖6中可以看出：S15點處的傳熱系數(shù)會最小，S3點處的傳熱系數(shù)最大.

3 理論分析

對于圖5所表現(xiàn)出的壓力對換熱效果的影響可分析為水-酒精的凝結(jié)液為正極系統(tǒng)，其表面張力與濃度和溫度具有下列關(guān)系

當c為揮發(fā)份的濃度時一定有

所以

其中σ為凝結(jié)液膜的表面張力.C為低沸點工質(zhì)的濃度，t為凝結(jié)液膜的表面溫度，sat指飽和狀態(tài).由式（6）可知表面張力隨溫度的升高而增大，在實驗中可知，凝結(jié)液溫度隨相平衡壓力的升高而升高，因此在相同過冷度、相同濃度和流速條件下，凝結(jié)液的表面張力隨相平衡壓力的升高而增大，表面張力的增大會導致凝結(jié)液膜內(nèi)的擾動增強，從而使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得到提高.對于液膜內(nèi)酒精濃度的影響，壓力的增加會使凝結(jié)液內(nèi)的酒精濃度增加而降低表面張力，但濃度增大的幅度遠小于溫度增大的幅度，因此，此時可認為壓力引起凝結(jié)液溫度提高從而對表面張力的提高起主導作用，所以圖5中低濃度時壓力對換熱效果的影響很明顯.

對二元混合蒸氣的凝結(jié)，氣側(cè)到凝結(jié)表面存在兩個熱阻，一個是蒸氣側(cè)到凝結(jié)液面的擴散熱阻Rdiff，另一個是液膜的導熱熱阻Rl；2004年，Chris Philpott[5]進行了氨水的實驗，他指出在最低濃度的氨蒸氣中，Rl遠大于Rdiff，相差一個數(shù)量級；隨著濃度的增加，Rdiff逐漸增大，最終超過Rl而占據(jù)支配地位.從其實驗結(jié)果我們可以推斷出在低濃度時，擴散熱阻相比導熱熱阻小很多，可不用考慮；但當濃度增大后，就必須考慮擴散熱阻的值，且考慮為主導因素.所以在圖5中高濃度時壓力對換熱效果的影響并不明顯.

圖6所表現(xiàn)的酒精蒸氣含量對凝結(jié)傳熱系數(shù)的影響可分析為：低濃度時，在液膜內(nèi)部存在由濃度差引起的Marangoni對流，Marangoni對流表面張力的差異增大了液膜的擾動，最終使得凝結(jié)液膜被撕裂，成珠狀凝結(jié)，傳熱系數(shù)增大.高濃度時，導熱熱阻Rl跟擴散熱阻比較起來，處于從屬地位，也就是Marangoni效應對整個熱阻的影響幾乎可以不用考慮.所以，在濃度較高時，傳熱系數(shù)反倒下降.所以對于蒸氣沖刷效果在低濃度時可以明顯影響三個測點之間的傳熱系數(shù)，而在高濃度時由于加入擴散熱阻因素的考慮，三點之間的傳熱系數(shù)差值反而逐步接近.但實驗中C=1%時傳熱系數(shù)最大還是可以確定的.

圖5、6中出現(xiàn)的換熱特性曲線波峰可由圖7來解釋.在表面過冷度較小的情況下(A-B)，酒精凝結(jié)量較少，凝結(jié)形態(tài)一般為膜狀或溪狀，酒精蒸氣在氣液界面處堆積，造成很大的氣相質(zhì)量擴散熱阻.擴散熱阻在B點開始降低，因為凝結(jié)液膜的溫度開始降低到氣液相平衡圖上該濃度下的液相溫度，即酒精開始大量凝結(jié)，導致擴散熱阻大為降低，凝結(jié)側(cè)總的熱阻隨酒精的凝結(jié)也逐漸的減小，于是BC上升區(qū)傳熱系數(shù)急劇增大，凝結(jié)形態(tài)逐漸過渡到穩(wěn)定的珠狀凝結(jié)，達到傳熱系數(shù)的峰值后(C)，傳熱系數(shù)開始下降，凝結(jié)形態(tài)也逐漸過渡到膜狀(D).

圖7 Marangoni凝結(jié)傳熱特性曲線

4 結(jié)論

對純水蒸氣而言，蒸氣流速對凝結(jié)換熱特性影響較小.對水-酒精二元混合蒸氣而言，傳熱系數(shù)隨蒸氣流速增加而增加，增值幅值與酒精濃度相關(guān).酒精濃度在1%時傳熱系數(shù)達到最大值.此后，隨著濃度的增大，傳熱系數(shù)逐漸下降，高濃度下的傳熱系數(shù)甚至遠遠低于純工質(zhì)凝結(jié).壓強的增大能增強換熱效果，但在高濃度時影響并不明顯.且不同區(qū)域傳熱系數(shù)有差異，靠近蒸氣入口的測點其換熱效果大于遠離入口的，在高濃度時橫截面上各測點換熱效果差異不大.這歸因于二元混合蒸氣的凝結(jié)存在擴散熱阻Rdiff和液膜的導熱熱阻Rl；低濃度時，Rl遠大于Rdiff，由于Marangoni效應，濃度差引起的表面張力差使得凝結(jié)形態(tài)呈現(xiàn)出珠狀凝結(jié)，傳熱系數(shù)大為增強.而隨著濃度的增大，Rdiff占據(jù)支配地位，盡管凝結(jié)形態(tài)仍然是珠狀，但總的熱阻是增大的，傳熱系數(shù)減小.