超低壓蒸汽滴狀冷凝傳熱及其強化機理的研究

低壓或超低壓蒸氣冷凝技術(shù)在分子精餾、材料加工、低溫多效海水淡化、吸收式熱泵和制冷、蒸汽透平機凝汽器、真空熱管、石油化工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用背景。而且，隨著技術(shù)的高新技術(shù)的快速發(fā)展及其高性能的需求，超低壓力操作是必然的選擇。文獻已有相關(guān)報導(dǎo)均為傳熱宏觀性能的實驗研究，對超低壓蒸汽滴狀冷凝的微觀機制的研究還很不透徹。因此，研究超低壓蒸汽滴狀冷傳熱及其強化機制是非常必要和有意義的。.本項目通過理論分析和實驗研究闡明超低壓蒸汽滴狀冷凝傳熱的微觀物理機制以及液滴的分布、生長和脫落的動態(tài)特性和冷凝傳熱性能與蒸汽壓力之間的內(nèi)在規(guī)律，研究蒸汽流速對滴狀冷凝傳熱的強化機制，為研究超低壓蒸汽冷凝傳熱機理，研發(fā)強化傳熱新方法提供理論參考。

(1)改變冷凝表面的物理性質(zhì)

通過加滴狀冷凝促進劑，冷凝表面鍍貴金屬(金、銀等)和涂高分子材料，冷凝液在表面張力的作用下使冷凝過程呈滴狀冷凝，加大傳熱系數(shù)，從而強化傳熱。

(2)使用低翅片管(或螺紋管等)

使用低翅片管可達到增加傳熱面積和改變冷凝液分布的效果，從而強化冷凝傳熱。

冷凝傳熱是指蒸氣與溫度低于其飽和溫度的壁面接觸時，將潛熱傳給壁面而自身冷凝的一種對流傳熱過程。工業(yè)上經(jīng)常見到加熱水蒸氣再冷凝；在很多單元操作（如蒸餾、蒸發(fā)和制冷）中也有各種組分蒸氣的冷凝。此外，化工生產(chǎn)中還有組分沸點差較大的混合蒸氣的冷凝，在冷凝的同時還伴有可凝蒸氣向冷凝壁面擴散的現(xiàn)象，故屬于熱質(zhì)傳遞過程。

強化冷凝傳熱冷凝類型

蒸氣在壁面上的冷凝有兩種類型：①膜狀冷凝。當(dāng)冷凝液能潤濕壁面時，在壁面上形成一層連續(xù)的液膜；蒸氣在液膜表面冷凝。冷凝放出的潛熱必須通過這層液膜才能傳給壁面，因此液膜是冷凝傳熱的熱阻所在。②滴狀冷凝。若冷凝液不能潤濕壁面，冷凝液以液滴形態(tài)附著在壁面上。當(dāng)液滴增長到一定尺寸后，沿壁面滾落或滴下，露出無液滴的壁面，供繼續(xù)冷凝。滴狀冷凝時的傳熱分系數(shù)比膜狀冷凝時大 5～10倍或更多。但在實際設(shè)備中，滴狀冷凝不穩(wěn)定,通常是膜狀冷凝,所以冷凝傳熱設(shè)備一般按膜狀冷凝設(shè)計。

強化冷凝傳熱影響因素

單一飽和蒸氣冷凝時，汽相熱阻（來自氣相邊界層）一般很小，往往忽略不考慮，傳熱系數(shù)取決于液膜厚度、液膜流動狀況和冷凝液的物性。凡有利于減薄液膜厚度的因素，都會增強冷凝傳熱。例如冷凝液密度大、粘度小以及液膜流向與蒸氣流向一致等，均能使液膜減薄，從而使傳熱分系數(shù)提高；而冷凝溫度差的增大，冷壁表面不光滑，則會使液膜加厚，導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降。

此外，影響冷凝傳熱的因素還有：①不凝性氣體。當(dāng)蒸氣中存在不凝性氣體時,即使只有1%，也會導(dǎo)致傳熱系數(shù)下降50%以上。蒸氣中通常含有少量不凝氣體，在冷凝過程中不凝性氣體會逐漸積累。因此，冷凝器上須備有不凝氣體的排放口，操作時定期排放，以保持良好的傳熱效果。②蒸氣過熱。當(dāng)過熱蒸氣與溫度低于飽和溫度的壁面接觸時，壁面上會有凝結(jié)液析出，形成一層液膜，液膜表面溫度一般認為近似等于飽和溫度，由于飽和溫度低于過熱蒸汽的主流溫度，因此對主流蒸汽產(chǎn)生冷卻作用，這部分熱交換稱為顯熱交換，可由常規(guī)對流換熱關(guān)聯(lián)式計算對流換熱系數(shù)，但顯熱換熱量相對于蒸汽凝結(jié)釋放的潛熱量一般很小，所以通常忽略之。過熱蒸汽在流動過程中，一邊降低溫度，一邊發(fā)生凝結(jié)，直到主流溫度降低到飽和溫度，此時溫度不再變化，從這個位置開始，就是常規(guī)的飽和蒸汽冷凝段。

在20世紀(jì)70年代初期采用的是光滑管，換熱管水平放置，制冷劑蒸汽走管內(nèi),管外走空氣，主要用于空調(diào)器中制冷劑蒸汽的冷凝。為了強化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對于光滑管內(nèi)的冷凝換熱的機理進行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，制冷劑為純質(zhì)制冷劑、近共沸混合物制冷劑及非共沸混合物制冷劑。

研究證實，冷凝換熱的強度與流動狀態(tài)密切相關(guān)，光滑管內(nèi)的冷凝過程一般可分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、團狀流和柱狀流，團狀流和柱狀流在冷凝過程的末端出現(xiàn)，不同的流動狀態(tài)，冷凝換熱系數(shù)的大小不同。而流動狀態(tài)是由蒸汽的剪切力和重力的大小決定的，當(dāng)蒸汽剪切力起主要作用時，流動表現(xiàn)為環(huán)狀流，當(dāng)重力起主要作用時，流動表現(xiàn)為分層流、波狀流和團狀流。