大量不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管冷凝傳熱特性實驗研究

胡浩威,牛東,唐上朝,唐桂華

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

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大量不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管冷凝傳熱特性實驗研究

胡浩威,牛東,唐上朝,唐桂華

(西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室, 710049, 西安)

為了提高大量不凝性氣體存在時水蒸氣的冷凝傳熱性能,實現對電力、化工、制冷等工業(yè)領域中余熱的高效回收利用,基于水平管外冷凝傳熱實驗系統(tǒng),實驗研究了氮氣-水蒸氣混合氣體在不同潤濕性光滑管和翅片管表面的潤濕特性和冷凝傳熱特性。通過化學刻蝕與自組裝方法對紫銅光滑管與翅片管表面進行疏水與超疏水改性處理,并且根據仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管表面與親水+超疏水組合翅片管表面。研究發(fā)現,當大量不凝性氣體存在時,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱特性最優(yōu),水蒸氣體積分數對不同潤濕性傳熱管的冷凝傳熱特性影響顯著,并且隨著水蒸氣體積分數增大,超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片表面的冷凝形式由珠狀冷凝逐漸向膜狀冷凝過渡。

翅片管;冷凝傳熱;超疏水;不凝性氣體

我國能源資源約束不斷加劇,環(huán)境問題日益突出,在提高能效、促進節(jié)能等方面面臨重大技術挑戰(zhàn),余熱資源的回收利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。水蒸氣冷凝傳熱過程廣泛存在于電力、化工、制冷、冶金等工業(yè)領域中,尤其在天然氣鍋爐煙氣余熱利用過程中,如何高效利用冷凝潛熱是當前的研究熱點。

目前,強化冷凝傳熱的途徑主要是利用翅片傳熱管增加傳熱面積并且能夠減薄膜狀冷凝的液膜厚度。Kumar等進行了低肋翅片管的水蒸氣和R134a冷凝傳熱實驗[1]。Namasivayam等實驗研究了翅片間距分別為0.25、0.5、1.0、1.5和2.0 mm的翅片銅管的強制對流冷凝傳熱特性,在不同流速條件下,發(fā)現翅片間距為0.25 mm的翅片管性能最優(yōu),其傳熱通量是光管的1.57～2.74倍[2]。

近年來,大量的研究報道了通過表面改性技術制備疏水或超疏水表面促進形成珠狀冷凝,實現強化水蒸氣冷凝傳熱的目的。Vemuri等利用自組裝技術制備了疏水和超疏水表面且進行水蒸氣冷凝傳熱實驗,發(fā)現在水蒸氣側壓力為33.6 kPa時,與膜狀冷凝相比,改性后的珠狀冷凝傳熱系數大約提高3倍[3-4]。宋永吉等在紫銅基底上制備了疏水性碳納米管膜,且進行氟化處理,獲得較好的珠狀冷凝,與膜狀冷凝相比,珠狀冷凝的傳熱系數提高3～4倍[5]。馬學虎等利用自組裝技術制備了疏水性表面和超疏水表面,分別研究了純水蒸氣和含有少量不凝性氣體的冷凝傳熱特性,提出了水蒸氣及含不凝性氣體的冷凝環(huán)境中液滴在超疏水表面上的潤濕模式[6-8]。Miljkovic等實驗研究了硅烷沉積的氧化銅表面的珠狀冷凝特性,并且發(fā)現在較小過飽和情況下,具有納米粗糙結構的超疏水表面冷凝液滴合并誘導發(fā)生彈跳現象,大大強化了冷凝傳熱等[9-10]。Xiao等對硅烷沉積的氧化銅表面進行了油浸處理,增加冷凝液滴的成核點,實驗驗證通過該表面改性方法制備的超疏水表面的珠狀冷凝傳熱特性比普通疏水性表面大約提高100%[11]。

前人的研究中只涉及單一強化冷凝傳熱技術,即增加傳熱表面強化技術或表面改性強化技術,而幾乎沒有報道將這兩種傳熱強化技術協(xié)同作用于水蒸氣冷凝過程的實驗研究。本文基于紫銅光滑管和翅片管表面,通過化學刻蝕和自組裝方法進行疏水和超疏水改性處理,并且根據仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管表面和親水+超疏水組合翅片管表面,實驗研究了氮氣-水蒸氣混合氣體在不同潤濕性光滑管和翅片管表面的潤濕特性和冷凝傳熱特性,并且考察了水蒸氣含量對不同潤濕性傳熱管的潤濕特性與冷凝傳熱特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)與數據處理

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示,該實驗系統(tǒng)由冷凝實驗腔體、不凝性氣體供給系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生器、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)等主要部件組成。冷凝實驗腔體外部纏繞電加熱絲,由調壓器供電并調節(jié)加熱功率,確保實驗過程中水蒸氣在內壁無冷凝,且維持實驗系統(tǒng)熱平衡。冷凝腔體內部的溫度與壓力分別由T型鎧裝熱電偶和壓力傳感器(Tecsis P3276,Germany)監(jiān)測。測試的冷凝傳熱管水平放置于實驗腔中,本文實驗所用傳熱管為紫銅材質的光滑管與翅片管,具體幾何參數見表1。冷卻水在冷凝傳熱管內強制對流,進出口水溫由T型鎧裝熱電偶測量,為了提高測量精度,在進出口連接處自制冷卻水混合器[12],冷卻水的流量由電磁流量計(Rosemount 8732A,USA)測量。

表1 冷凝傳熱管幾何參數

本文實驗中的不凝性氣體為氮氣,通過帶有減壓閥的高壓氮氣瓶提供,在氣路上安裝氣體質量流量控制器(七星華創(chuàng)CS200A,中國),控制和測量冷凝實驗腔體內的不凝性氣體含量。同時,在冷凝實驗腔體正面與觀察窗水平位置,放置高速攝像機(Phantom Miro M110,USA)用以觀察冷凝實驗過程中傳熱管表面的冷凝形式。為了保證實驗過程中數據測量的準確性,在進行實驗前先用烘干機將實驗系統(tǒng)內部干燥處理,利用真空泵(First FX16,中國)對實驗腔進行抽真空,直至內部絕對壓力低于1～5 Pa,以保證實驗過程中空氣體積分數小于0.5%。

實驗系統(tǒng)中水蒸氣發(fā)生器內部溫度、冷凝腔內部溫度以及冷卻水進出口溫度均采用T型鎧裝熱電偶測量,在實驗前所有熱電偶均在高精度恒溫水浴(Julabo F26,Germany)中進行標定,精度為0.1 ℃。前述所有溫度、壓力與流量傳感器的信號均通過數據采集系統(tǒng)(Keithley 3706,USA)采集,在計算機上實時監(jiān)測與存儲。

圖1 實驗裝置原理圖

1.2 數據處理

實驗冷凝傳熱管的總傳熱系數k由下式計算

(1)

式中:Φ為熱流量,由冷卻水進出口溫差計算求得;Ao為傳熱管的基管面積;ΔTm為對數平均溫差。

由于冷凝傳熱管內表面無強化肋片,因此管內側強制對流傳熱系數hi由Gnielinski公式[13]計算

(2)

f=(0.79lnRel-1.64)-2

(3)

(4)

式中:f為管內湍流流動的阻力系數;Prl為普朗特數;Rel為雷諾數。

根據熱阻分離法,管外側冷凝傳熱系數hc經推導可以表示為

(5)

式中:RW為傳熱管管壁的熱阻;Rf為污垢熱阻(由于所有冷凝傳熱管在測試前進行清洗,因此本文忽略污垢熱阻);β=Ao/Ai,表示管外側基管面積Ao與管內側面積Ai之比。

在氮氣-水蒸氣混合氣體中,水蒸氣的體積分數φv(水蒸氣的摩爾分數xv)由理想氣體Gibbs-Dalton方程求出

(6)

式中:ng為混合氣體的物質的量,可以通過測定冷凝腔內的溫度和壓力確定;nNCG為不凝性氣體(氮氣)的物質的量。

根據文獻[14]中的方法對實驗結果進行不確定度分析,對于本文所有測試傳熱管,水蒸氣體積分數的不確定度小于±1.75%,傳熱通量的不確定度小于±2.06%,冷凝傳熱系數的不確定度小于±11.24%。

2 冷凝表面制備與表征

2.1 表面制備方法

根據固體表面的潤濕特性,制備超疏水表面通常分為兩步:構造納米級粗糙結構和在粗糙表面上修飾低表面能物質。本文使用的超疏水表面制備方法[15]如下。

(1)化學刻蝕。首先將待測紫銅試樣放入2 mol/L的鹽酸水溶液中浸泡30 min,然后依次用丙酮和去離子水清洗,去除表面的污染物與油脂,吹干待用;將清洗干凈的紫銅試樣浸入2.5 mol/L氫氧化鉀和0.065 mol/L過硫酸鉀的混合水溶液中,放置于干燥箱(DZ-3AII,中國)中70 ℃恒溫處理1 h,取出后用去離子水清洗干凈,然后再放置于干燥箱中180 ℃恒溫處理2 h,最后取出自然降溫晾干。

(2)分子自組裝膜。將完成第(1)步的試樣浸入2.5 mmol/L十八烷基硫醇乙醇溶液中,在70 ℃下恒溫處理1 h,取出后用去離子水沖洗吹干。

本文使用的疏水表面制備方法是:將清洗干凈的紫銅試樣進行第(2)步的分子自組裝膜處理。

圖2a給出納米比亞沙漠甲蟲的背部結構。文獻[16]研究表明:在干燥的非洲南部納米比亞沙漠中,由于該甲蟲背部具有超疏水基底和間隔排列的親水突起的組合式特殊結構,因此它可以更輕易地從空氣中收集水分形成水珠。根據仿生原理,組合翅片表面的制備過程如圖2b所示。首先將翅片管清洗干凈,然后按照上述表面改性處理方法將翅片管表面整體改性為疏水性或超疏水性,處理完成后,用2000#砂紙輕輕將翅片尖部區(qū)域打磨,除去尖部表面的分子組裝膜或納米粗糙結構,最后用乙醇、去離子水清洗表面,并迅速用氮氣吹干。

(a)納米比亞沙漠甲蟲背部結構[16]

(b)組合翅片管表面制備過程示意圖圖2 親水+(超)疏水組合翅片管結構及制備流程

2.2 表面表征

利用接觸角測量儀(Powereach JC2000D5,中國)測量不同潤濕性冷凝表面的接觸角,液滴體積為5 μL,在同一個表面隨機選取5個點測量其接觸角取平均值,在親水、疏水和超疏水紫銅表面上的接觸角分別為69.3°、113.5°和158.3°。

圖3表示液滴在翅片管表面的潤濕特性。將5 μL液滴滴在親水翅片管表面,液滴迅速潤濕表面,而將5 μL液滴滴在疏水翅片管表面上,液滴會懸浮在兩個翅片上。由于液滴不能直接滴落在超疏水翅片管表面上,我們采用水霧噴淋方法生成尺寸更小的液滴,可以看出,直接生長的小液滴懸掛在翅片表面,形狀接近完美球形,表現出良好的疏水特性。親水+疏水組合翅片管表面的液滴潤濕形態(tài)與疏水翅片管表面幾乎一致。將5 μL液滴滴在親水+超疏水組合翅片管表面,液滴能夠懸立在單個翅片尖部,而將液滴體積增加至大約8 μL時,液滴難以懸立在單個翅片尖部,會滾落并與相鄰翅片尖部接觸,但仍不能很好地潤濕翅片表面。

(a)親水翅片管 (b)疏水翅片管 (c)超疏水翅片管

(d)親水+疏水組合翅片管 (e)親水+超疏水組合翅片管圖3 液滴在翅片管表面的潤濕性

利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)(Hitachi SU8010,Japan)對親水、疏水和超疏水區(qū)域的微觀形貌進行觀測,結果如圖4所示。圖4a和4b分別為放大10 000倍的親水區(qū)域和疏水區(qū)域,表面相對平滑,且疏水區(qū)域的十八烷基硫醇分子組裝膜幾乎沒有改變紫銅基底的微觀形貌。圖4c～4e分別為放大5 000倍、10 000倍和30 000倍的化學刻蝕表面,可以看出,經過氫氧化鉀與過硫酸鉀溶液刻蝕,在紫銅基底表面上形成了納米級“尖刺”粗糙結構。圖4f為放大30 000倍的經十八烷基硫醇修飾的具有納米粗糙結構的超疏水表面。液滴在具有納米粗糙結構的超疏水表面上容易形成Cassie-Baxter潤濕形態(tài),在固液界面上實際形成固-氣-液界面,液滴接觸角增大,且更容易脫離。

(a)親水表面 (b)疏水表面

(c)納米粗糙結構×5 000 (d)納米粗糙結構×10 000

(e)納米粗糙結構×30 000 (f)超疏水表面圖4 不同潤濕性表面的微觀形貌

3 實驗結果與討論

3.1 實驗系統(tǒng)可靠性驗證

為了驗證本文中實驗系統(tǒng)的可靠性,首先對親水光滑管和疏水光滑管進行了純水蒸氣的冷凝傳熱實驗。圖5表示了實驗獲得的冷凝傳熱系數與理論模型計算值的比較結果,可以看出:親水光滑管的實驗測量值與Nusselt膜狀冷凝理論解[17]比較,偏差在12%之內;疏水光滑管與文獻[18]中理論模型相比,偏差在25%之內。因此,可以認為本文的實驗結果是可信的。

圖5 純水蒸氣冷凝傳熱系數結果比較

3.2 不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管表面的潤濕特性

圖6給出了大量不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管表面上的冷凝形式:親水光滑管、疏水光滑管和超疏水光滑管表面分別呈現出膜狀冷凝、珠狀冷凝和珠狀冷凝;親水翅片管、疏水翅片管和親水+疏水組合翅片管為膜狀冷凝,而超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表現為珠狀冷凝。從圖6中還可以看出,超疏水翅片管表面上分布的冷凝液滴尺寸比超疏水光滑管的小,而親水+超疏水組合翅片管表面上的冷凝液滴尺寸更小。

(a)親水光滑管 (b)疏水光滑管 (c)超疏水光滑管

(d)親水翅片管 (e)疏水翅片管 (f)超疏水翅片管

(g)親水+疏水組合翅片管 (h)親水+超疏水組合翅片管圖6 大量不凝性氣體存在時不同傳熱管表面的潤濕特性

如圖7與圖8所示,當水蒸氣體積分數小于65%時,在超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表面上表現為珠狀冷凝,當水蒸氣體積分數增加至65%～85%時,冷凝液會陷入翅片之間,在表面上逐漸形成液膜,珠狀冷凝向膜狀冷凝過渡。因此,當水蒸氣體積分數不同時,超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管的冷凝形式會發(fā)生變化。

(a)φv<40% (b) φv=40% (c) φv=55% (d) φv=65% ～55% ～65% ～85%圖7 不同水蒸氣體積分數時超疏水翅片管的冷凝形式

(a)φv<40% (b) φv=40% (c) φv=55% (d) φv=65% ～55% ～65% ～85%圖8 不同水蒸氣體積分數時親水+超疏水組合翅片管 的冷凝形式

3.3 不凝性氣體存在時水蒸氣冷凝傳熱特性分析

圖9表示不凝性氣體的體積分數為21.4%時不同潤濕性傳熱管的冷凝傳熱系數。光滑管的冷凝傳熱系數由高到低依次為:超疏水光滑管>疏水光滑管>親水光滑管;對于不同潤濕性的翅片管,冷凝傳熱系數由高到低依次為:親水+超疏水組合翅片管>超疏水翅片管>親水+疏水組合翅片管>疏水翅片管>親水翅片管。圖10表示不凝性氣體的體積分數為19.2%時不同潤濕性傳熱管的冷凝傳熱通量。與純水蒸氣冷凝時相比,大量不凝性氣體條件下的冷凝傳熱系數降低了1～2個數量級。這主要是由于在傳熱管壁附近形成了不凝性氣體層,成為起主導作用的熱阻,大大增加了傳熱與傳質阻力,使冷凝傳熱特性降低。

從圖10中可以得出,與親水光滑管相比,超疏水光滑管的傳熱通量大約提高了87%～115%。這主要是因為在超疏水光滑管表面形成了珠狀冷凝,且不凝性氣體會滯留在超疏水表面的納米粗糙結構中形成氣囊,在接觸面上與冷凝液共同形成液-氣-固復合界面,形成Cassie-Baxter[19]或sinkage潤濕形態(tài)[8],減小了冷凝液與固體壁面的接觸面積,使冷凝液滴從壁面上脫離速度加快,實現了強化冷凝傳熱效果。親水+超疏水組合翅片管表現出比超疏水翅片管更優(yōu)越的冷凝傳熱特性,與超疏水翅片管相比,親水+超疏水組合翅片管的傳熱通量提高了8%～12%。一方面,親水區(qū)的表面自由能比超疏水區(qū)大,水蒸氣優(yōu)先在吸附勢較大的親水區(qū)發(fā)生冷凝形成冷凝液,并且會合并聚合附近超疏水區(qū)的小液滴,冷凝液在親水區(qū)逐漸積聚增多;另一方面,由于親水性翅片尖部的細長結構,限制了親水區(qū)與冷凝液的接觸面積,減小了親水區(qū)對冷凝液的黏滯力,使液滴能夠快速地脫離壁面。因此,親水+超疏水組合翅片結構能夠有效地促進液滴積聚合并,并且提高液滴的更新頻率,同時由于液滴的脫落運動強化不凝性氣體層擾動,使不凝性氣體邊界層內的速度場發(fā)生變化,能夠有效地減小相際傳質阻力。

圖9 大量不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管冷凝傳熱系數的變化規(guī)律

圖10 大量不凝性氣體存在時不同潤濕性傳熱管傳熱通量的變化規(guī)律

圖11給出了不同潤濕性傳熱管的冷凝傳熱系數隨水蒸氣體積分數的變化規(guī)律。隨著水蒸氣體積分數從11%增長至91%,冷凝傳熱系數逐漸增加。一方面,是由于水蒸氣含量增大,混合氣體中不凝性氣體的濃度降低,使不凝性氣體層的熱阻減小;另一方面,水蒸氣含量增大,提高了主流混合氣體中水蒸氣與管壁附近的濃度差,增加了傳質動力,使更多水蒸氣發(fā)生冷凝,同時釋放大量潛熱,提高了冷凝傳熱系數。從圖11中還可以得出,當水蒸氣體積分數大約小于70%時,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數最大,而隨著水蒸氣含量繼續(xù)增大,它的冷凝傳熱系數雖然增大,但是增大的趨勢變緩。這是由于在這個范圍內,親水+超疏水組合翅片管表面上冷凝形式發(fā)生了改變,由珠狀冷凝向膜狀冷凝過渡。當水蒸氣體積分數為89%左右時,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數低于親水+疏水組合翅片管、疏水翅片管和疏水光滑管。與親水光滑管相比,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數約提高了43%,與親水翅片管相比,親水+超疏水組合翅片管的冷凝傳熱系數約提高了22%。

圖11 水蒸氣體積分數對不同潤濕性傳熱管的冷凝傳熱系數的影響

4 結 論

本文通過化學刻蝕和自組裝方法對紫銅光滑管和翅片管進行了疏水和超疏水改性處理,并且根據仿生原理,制備了親水+疏水組合翅片管和親水+超疏水組合翅片管,實驗研究了氮氣-水蒸氣混合氣體在不同潤濕性光滑管和翅片管表面的潤濕特性和冷凝傳熱特性,獲得以下主要結論。

(1)當大量不凝性氣體存在時,冷凝液滴在具有納米粗糙結構的超疏水表面為Cassie-Baxter或sinkage潤濕形態(tài),更易從壁面脫落,且由于超疏水特性與組合翅片結構的協(xié)同影響,親水+超疏水組合翅片表現出最優(yōu)的冷凝傳熱特性。

(2)水蒸氣體積分數對不同潤濕性傳熱管的潤濕特性和冷凝傳熱特性影響顯著。隨著水蒸氣體積分數增大,超疏水翅片管和親水+超疏水組合翅片管表面的冷凝形式發(fā)生改變,由珠狀冷凝向膜狀冷凝過渡。

[1] KUMAR R, VARMA H K, MOHANTY B, et al. Prediction of heat transfer coefficient during condensation of water and R-134a on single horizontal integral-fin tube [J]. International Journal of Refrigeration, 2002, 25(1): 111-12.

[2] NAMASIVAYAM S, BRIGGS A. Effect of vapour velocity on condensation of atmospheric pressure steam on integral-fin tubes [J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(8/9): 1353-1364.

[3] VEMURI S, KIM K J. An experimental and theoretical study on the concept of dropwise condensation [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(3/4): 649-657.

[4] VEMURI S, KIM K J, WOOD B D, et al. Long term testing for dropwise condensation using self-assembled monolayer coatings of n-octadecyl mercaptan [J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(4): 421-429.

[5] 宋永吉, 任曉光, 任紹梅, 等. 水蒸氣在超疏水表面上的冷凝傳熱 [J]. 工程熱物理學報, 2007, 28(1): 95-97. SONG Yongji, REN Xiaoguang, REN Shaomei, et al. Condensation heat transfer of steam on super-hydrophobic surfaces [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(1): 95-97.

[6] 王四芳, 蘭忠, 王愛麗, 等. 超疏水表面蒸汽及含不凝氣蒸汽滴狀冷凝傳熱實驗分析 [J]. 化工學報, 2010, 61(3): 607-611. WANG Sifang, LAN Zhong, WANG Aili, et al. Dropwise condensation of steam and steam-air mixture on super-hydrophobic surfaces [J]. CIESC Journal, 2010, 61(3): 607-611.

[7] LAN Z, MA X H, WANG S F, et al. Effects of surface free energy and nanostructures on dropwise condensation [J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 156(3): 546-552.

[8] MA X H, WANG S F, LAN Z, et al. Wetting mode evolution of steam dropwise condensation on superhydrophobic surface in the presence of noncondensable gas [J]. ASME Journal of Heat Transfer, 2012, 134(2): 021501.

[9] MILJKOVIC N, ENRIGHT R, WANG E N. Effect of droplet morphology on growth dynamics and heat transfer during condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces [J]. Acs Nano, 2012, 6(2): 1776-1785.

[10]MILJKOVIC N, ENRIGHT R, NAM Y, et al. Jumping-droplet-enhanced condensation on scalable superhydrophobic nanostructured surfaces [J]. Nano Letters, 2012, 13(1): 179-187.

[11]XIAO R, MILJKOVIC N, ENRIGHT R, et al. Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer [J]. Scientific Reports, 2013, 3: 1-6.

[12]KRISHNASWAMY S, WANG H S, ROSE J W. Condensation from gas-vapour mixtures in small non-circular tubes [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(9): 1731-1737.

[13]GNIELINSKI V. New equations for heat and mass-transfer in turbulent pipe and channel flow [J]. International Chemical Engineering, 1976, 16(2): 359-368.

[14]BEVINGTON P R, ROBINSON D K. Data reduction and error analysis for the physical sciences [M]. New York, USA: McGraw-Hill, 1969.

[15]QIAN B T, SHEN Z Q. Super-hydrophobic CuO nanoflowers by controlled surface oxidation on copper [J]. Journal of Inorganic Materials, 2006, 21(3): 747-752.

[16]PARKER A R, LAWRENCE C R. Water capture by a desert beetle [J]. Nature, 2001, 414(6859): 33-34.

[17]NUSSELT W. Die oberflachencondensation des wasserdampfes [J]. Zetrschr Ver Deutch Ing, 1916, 60: 541-546.

[18]HU H W, TANG G H. Theoretical investigation of stable dropwise condensation heat transfer on a horizontal tube [J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(2): 671-679.

[19]CASSIE A B D, BAXTER S. Wettability of porous surfaces [J]. Transactions of the Faraday Society, 1944, 40: 546-551.

[本刊相關文獻鏈接]

張凡,李兆輝,李曉宇,等.不同材料翅片管換熱器特性的實驗研究.2015,49(5):62-67.[doi:10.7652/xjtuxb201505010]

文鍵,楊輝著,杜冬冬,等.螺旋折流板換熱器換熱強化的數值研究.2014,48(9):43-48.[doi:10.7652/xjtuxb201409008]

王學會,袁曉蓉,鄭豪策,等.3 mm閉式脈動熱管傳熱性能的實驗研究.2014,48(9):101-106.[doi:10.7652/xjtuxb2014 09017]

劉華,沈勝強,龔路遠,等.水平管降膜蒸發(fā)器溫度損失的計算與分析.2014,48(4):90-94.[doi:10.7652/xjtuxb201404 016]

韓輝,何雅玲,唐桂華.硫酸蒸氣在換熱器表面沉積特性的數值研究.2013,47(11):7-13.[doi:10.7652/xjtuxb201311002]

龍延,魏進家,呂虓.不同傾角下平板型環(huán)路熱管的實驗研究.2013,47(5):38-43.[doi:10.7652/xjtuxb201305007]

(編輯 荊樹蓉)

Condensation Heat Transfer Performance of Heat Transfer Tubes with Different Wettabilities in Presence of a Large Amount of Noncondensable Gas

HU Haowei,NIU Dong,TANG Shangchao,TANG Guihua

(Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To improve the condensation heat transfer performance of water vapor in the presence of a large amount of noncondensable gas and realize the high-efficiency recovery of industrial residual heat in electricity, chemical engineering, refrigeration and other fields, the outside condensation heat transfer performances of horizontal plain and finned tubes with different surface wettabilities were experimentally studied. The self-assembled monolayer coatings of n-octadecyl mercaptan using oxidation and etching treatments were employed to create the hydrophobic or superhydrophobic surfaces with nanostructures. The hydrophilic-hydrophobic and hydrophilic-superhydrophobic hybrid surfaces based on finned tubes were prepared. The experimental results showed that the hydrophilic-superhydrophobic hybrid finned tube achieved the highest condensation heat transfer performance in the presence of a large amount of noncondensable gases. The volume fraction of water vapor in the nitrogen-vapor mixture has important influence on the heat transfer characteristics. And as the vapor volume fraction increased, the dropwise condensation was transformed gradually to the film condensation on both superhydrophobic and hydrophilic-superhydrophobic hybrid finned tubes.

finned tube; condensation heat transfer; superhydrophobic; noncondensable gas

2014-12-05。

胡浩威(1986—),男,博士生;唐桂華(通信作者),男,教授,博士生導師。

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2011CB710702);國家自然科學基金資助項目(51222604)。

時間:2015-04-21

10.7652/xjtuxb201507006

TK124

A

0253-987X(2015)07-0030-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150421.1711.001.html