疏水表面蒸汽滴狀冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)分析

齊雋楠，吳嘉峰，陳亞平

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇　南京　210096）

疏水表面蒸汽滴狀冷凝傳熱實(shí)驗(yàn)分析

齊雋楠*，吳嘉峰，陳亞平

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京210096）

為了深入考察豎直表面上滴狀冷凝強(qiáng)化蒸汽冷凝傳熱過程的作用機(jī)理，設(shè)計(jì)了滴狀冷凝（DWC）、膜狀冷凝（FWC）兩種冷凝形態(tài)的疏水和親水豎直圓柱形表面，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在30 kPa壓力和相同過冷度的情況下，滴狀冷凝傳熱量是膜狀冷凝傳熱量的2～4倍。其主要原因是滴狀冷凝時冷凝表面呈疏水性，使經(jīng)過合并后的大液滴在形成連續(xù)的液膜前就從表面上脫落下來，蒸汽能夠持續(xù)不斷地與冷表面直接接觸，其換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜狀冷凝。

疏水表面；親水表面；滴狀冷凝；膜狀冷凝；實(shí)驗(yàn)

0　引言

蒸汽在冷表面上凝結(jié)時，先是在冷表面上形成一些離散的凝結(jié)液滴。隨著時間的推移，由于蒸汽繼續(xù)在液滴表面上凝結(jié)而且與相鄰液滴相互合并而不斷長大。如果大液滴在形成連續(xù)的液膜之前就從表面上脫落滾下，表面上就會維持滴狀凝結(jié)。滴狀凝結(jié)由于能保持蒸汽不斷地與冷壁面接觸，其換熱強(qiáng)度要比膜狀凝結(jié)高得多［1］。通常，蒸汽在磨得很光的銅表面或經(jīng)過表面處理的金屬表面上凝結(jié)時可能發(fā)生滴狀凝結(jié)。此外，在蒸汽中加入少量添加劑（稱為滴狀冷凝促進(jìn)劑），也可實(shí)現(xiàn)滴狀凝結(jié)。這種促進(jìn)劑能優(yōu)先潤濕表面并形成一層不易被凝結(jié)液潤濕的表面附著層，蒸汽在其上實(shí)現(xiàn)滴狀凝結(jié)，但并不持久［2-5］。若能找到能維持滴狀冷凝的表面并將其應(yīng)用到空調(diào)冷凝器內(nèi)部盤管表面上［6］，將會極大地提高空調(diào)冷凝器效率，節(jié)約能源。本文采用表面處理方法，在搭建的可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，研究接觸角大、水滴極易滾落的疏水表面上的蒸汽凝結(jié)傳熱過程。通過光滑疏水表面與光滑親水表面的蒸汽冷凝傳熱性能的對比，實(shí)驗(yàn)考察了在蒸汽壓力為30 kPa的條件下，兩種表面上的冷凝傳熱特性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1表面的制備

本文采用的紫銅基表面親水層和疏水層的構(gòu)造參考文獻(xiàn)［7］和［8］。光滑親水表面記為SAM-0，做法如下：在實(shí)驗(yàn)表面用2，000目砂紙打磨光滑的基礎(chǔ)上，經(jīng)過去離子水、稀硫酸、酒精、丙酮、酒精、稀硫酸的清洗，最后用去離子水沖洗，然后置于高溫蒸汽中10 h，至表面生成一層極薄的親水性氧化銅膜，使得表面達(dá)到親水效果。光滑疏水表面記為SAM-1，做法如下：對實(shí)驗(yàn)表面用2，000目砂紙進(jìn)行打磨至光滑如鏡，經(jīng)去離子水、稀硫酸、酒精、丙酮、異丙醇、酒精、稀硫酸的清洗，再用去離子水沖洗，然后將試驗(yàn)件置于70 ℃、2.5 mmol/l的十八烷基硫醇的乙醇溶液中，恒溫8 h以上至表面形成一層以十八烷基硫醇為襯底的疏水性薄膜，達(dá)到疏水效果。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置及流程

本實(shí)驗(yàn)為可視化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖及實(shí)驗(yàn)流程圖分別如圖1和圖2所示；實(shí)驗(yàn)裝置由冷凝室、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、水浴冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。

冷凝塊的實(shí)驗(yàn)表面在Φ40的端面上，另一端Φ90的端面與外徑為Φ145的冷卻盤之光表面接觸。為了很好地測量冷凝塊壁面溫度，如圖3所示，在冷凝塊與冷卻水盤接觸的表面上沿直徑開有一條細(xì)槽，然后在不同的半徑上分布3個Φ2 mm孔，孔深距實(shí)驗(yàn)表面2 mm，3個熱電偶分別插入孔中，引線嵌入槽中引出。冷卻盤有6圈帶交叉缺口的圓壁，形成多層環(huán)形同心圓流道。上述冷凝塊、冷卻盤通過端蓋板與冷凝室緊固連接；冷卻水從端蓋板上設(shè)置的進(jìn)出口由外圍進(jìn)入流至中心流出。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2　實(shí)驗(yàn)流程圖

圖3　冷凝實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與部件實(shí)物圖

由于不凝性氣體對實(shí)驗(yàn)過程的穩(wěn)定性影響較大，實(shí)驗(yàn)開始之前，要對系統(tǒng)進(jìn)行抽真空處理，并對其進(jìn)行保壓實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)外視窗選用燒結(jié)一體的視鏡法蘭，以防漏氣。其他連接部位均涂膠密封。

開啟實(shí)驗(yàn)后，采用LabView軟件編制操作測控程序，實(shí)時監(jiān)測冷凝室壓力、溫度、不凝氣含量等數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量采集數(shù)據(jù)的記錄。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1表面的表征

采用躺滴法對冷凝表面的接觸角進(jìn)行取樣，用編制好的VB程序進(jìn)行測量，在不同位置選取9個點(diǎn)進(jìn)行多次測量，取平均值，實(shí)驗(yàn)前SAM-0與SAM-1表面的接觸角分別為48.7°和97.1°。如圖4所示。

圖4　SAM-0與SAM-1表征接觸角

2.2數(shù)據(jù)處理

每個測量點(diǎn)在系統(tǒng)穩(wěn)定后，取20個測量值，求其平均值。由式（1）計(jì)算得其傳熱量q。

式中：

G——冷卻水流量；

c——水的比熱；

Ti——冷卻水進(jìn)口溫度；

To——冷卻水出口溫度。

由冷凝塊上3枚熱電偶測量出的平均值根據(jù)式（2）修正，可用于獲得壁面溫度Tw。

式中：

Tm——插入冷凝塊內(nèi)三個熱電偶的平均溫度；

δ——熱電偶頂端距離冷凝表面的距離；

λCu——紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)。

凝結(jié)換熱系數(shù)h由式（3）計(jì)算。

式中：

Ts——蒸汽飽和溫度；

A——冷凝塊面積，A = π·R2，R = 20 mm。

2.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證

首先采用SAM-0表面進(jìn)行膜狀冷凝實(shí)驗(yàn)來確定系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)修正的Nusselt理論［9］，圓形冷凝表面上的平均膜狀冷凝傳熱系數(shù)h如式（4）所示。

式中：

ρl——凝結(jié)液的密度；

λl——凝結(jié)液的導(dǎo)熱系數(shù)；

μl——凝結(jié)液的動力粘度；

γ——汽化潛熱。

圖5顯示本系統(tǒng)膜狀冷凝的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值偏差在15%以內(nèi)，可認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)測量及數(shù)據(jù)處理方法是可靠的。

圖5　膜狀冷凝實(shí)驗(yàn)值與Nusselt理論值的比較

2.4滴狀冷凝傳熱數(shù)據(jù)分析

圖6為純蒸汽條件下兩種表面熱通量隨過冷度變化的曲線。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，SAM-0實(shí)現(xiàn)膜狀冷凝，SAM-1實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝?？梢钥闯鲈谙嗤倪^冷度下，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，疏水表面的SAM-1的換熱系數(shù)約為親水表面SAM-0的換熱系數(shù)或Nusselt膜狀冷凝理論值2～4倍。圖7顯示了在小過冷度下，滴狀冷凝強(qiáng)化傳熱的效果更加明顯。在過冷度很小的時候，SAM-1的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)甚至可比Nusselt膜狀冷凝理論值大1個數(shù)量級。

2.5可視化結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)裝置，不僅能對蒸汽凝結(jié)傳熱進(jìn)行傳熱性能參數(shù)測量，還可以通過高速攝像儀搭配顯微鏡對凝結(jié)過程中凝結(jié)表面情況進(jìn)行觀察記錄。為防止在實(shí)驗(yàn)過程中蒸汽在視鏡上凝結(jié)導(dǎo)致拍攝不清晰，在視鏡外表面布置貼片式加熱器（OMEGALUX KHLV-0505/10-P），通過直流電源調(diào)節(jié)貼片式加熱器功率保證拍攝清晰且不至于使視鏡過熱。圖8是蒸汽壓力為40 kPa時，滴狀凝結(jié)液滴合并的過程（虛線框內(nèi)）。可見在某個小液滴向大液滴合并過程中會產(chǎn)生擾動，帶動周圍若干個液滴的合并，合并后大液滴周圍的小液滴都一掃而凈。這說明經(jīng)過處理后，表面能較低，接觸角大，水滴極易滾落的疏水表面對強(qiáng)化凝結(jié)傳熱有較大的影響。

圖6　滴狀冷凝實(shí)驗(yàn)值與膜狀冷凝實(shí)驗(yàn)值的比較

圖7　小過冷度下滴狀冷凝實(shí)驗(yàn)值與Nusselt理論值比較

圖8　滴狀凝結(jié)液滴合并過程（幀間隔50 ms）

3　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)分別考察了具有疏水和親水性能的紫銅基表面上純蒸汽的滴狀冷凝和膜狀冷凝傳熱特性，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論。

1）純蒸汽滴狀冷凝條件下，在光滑疏水表面上，由于凝結(jié)作用形成的液滴能夠快速連續(xù)地滾落下來，蒸汽能保持不斷地和冷壁面接觸，使換熱強(qiáng)度達(dá)同等條件下膜狀凝結(jié)的2～4倍。

2）在純蒸汽及實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的蒸汽冷凝過程中，在過冷度較小的情況下，表面能較低，接觸角大、水滴極易滾落的疏水表面對強(qiáng)化冷凝傳熱的作用更加明顯。

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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

*齊雋楠（1989-），女，河南周口人，碩士。研究方向：強(qiáng)化傳熱。聯(lián)系地址：江蘇省南京市玄武區(qū)四牌樓2號東南大學(xué)，郵編：210096。聯(lián)系電話：18795856920。E-mail：qijuanjuan414@163.com；聯(lián)系人：陳亞平，ypgchen@sina.com。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51276035，51206022）