Abstract ：

桨叶式干燥机因其能耗低、结构简单等特点广泛应用于污泥干化领域，其主要工作原理是通过空心桨叶将高温蒸汽冷凝产生的热量传递给外侧的污泥，从而蒸发污泥中的水分，达到污泥干化的目的。高温蒸汽在叶片内表面的冷凝传热过程对污泥的干化效率具有很大的影响，而叶片的表面特性直接决定了蒸汽冷凝的形式，从而影响传热效果。本文采用VOF模型，研究了干燥机叶片内表面膜状冷凝和珠状冷凝的流动传热过程及相界面运动规律，结果表明，在实际干燥机运行参数下，改变叶片内表面润湿性实现珠状凝结后，蒸汽侧传热系数提升约125%,污泥侧蒸发速率提升约5%。本研究将为干燥机叶片结构改进提供理论支撑。

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VOF 桨叶式干燥机 膜状冷凝 珠状冷凝

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本发明公开了一种混合工质马兰戈尼凝结管内对流凝结实验系统及实验方法，该系统包括实验工质循环系统、辅助抽真空冷凝系统、实验段调节系统、回路冷却系统和数据测量采集系统；实验工质自储液罐进入蒸汽发生器，产生蒸汽进入实验段，在环形套管换热器的冷却下，在实验管道内部凝结后经过气液分离器，未完全凝结的混合工质经过凝汽器完全冷却最后再回到储液罐，形成闭式循环，本发明还提供了该系统的实验方法，能够用于混合工质管内马兰戈尼凝结流型可视化实验研究，用于获得管内凝结换热机理，适用于多种工质、不同工况研究，同时又能做到简便快速的调节系统参数。本发明可为珠状凝结工业应用和换热器优化设计提供可靠的实验数据和理论支持。

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Abstract ：

蒸汽冷凝传热在石油、化工、核能、制冷和海水淡化等行业非常重要，因为凝结传热可以获得很高的传热系数，但不凝气体的存在会对传热传质产生重要影响。烟气中含有大量水蒸气，当壁面温度低于烟气露点温度时，烟气中的水蒸汽冷凝并释放潜热，其热量可以被部分回收。同时，为了避免换热器表面的腐蚀，排烟温度需高于酸露点温度，因此烟气余热无法深度利用。所以研究冷凝换热性能好和耐腐蚀的换热器对于烟气余热回收有重要意义。本文针对湿烟气的对流冷凝传热问题，采用钢管和改性聚四氟乙烯垂直管束进行了可视化实验和数值模拟研究。本实验采用的改性聚四氟乙烯是通过在聚四氟乙烯中添加石墨制成的，目的是提高其导热系数。用水蒸汽和空气的混合气体代替湿烟气，通过改变空气和蒸汽的流量得到不同进口参数的湿空气。 通过拍摄的冷凝液流型可以发现，纯蒸汽冷凝时，在改性聚四氟乙烯管外形成珠状凝结，冷凝液脱落时会带走沿程的液滴，有效阻碍了液滴的生长；在钢管外形成了膜状凝结，液膜表面不断波动。湿空气冷凝时，在改性聚四氟乙烯管迎风面的冷凝液很少，侧面和背风侧的液滴较多，冷凝液脱落时，由于脱落过程中合并的冷凝液滴较少，所以在冷凝液向下流动中液滴会铺展开形成液膜；在钢管表面迎风侧形成很薄的液膜，在管壁侧面和背风侧冷凝液部分覆盖壁面，冷凝液向下流动时会形成细股状。 纯蒸汽冷凝时，在相近的蒸汽流量、壁面温度和管内冷却水流速条件下，钢管换热量高于改性聚四氟乙烯管。湿空气冷凝时，当空气流量相同时，随着蒸汽流量的增加，对于两种管束，换热量均增加，管外对流冷凝换热系数也增加。当蒸汽流量相同时，随着空气流量的增加，两种管束的换热量均略有降低，管外对流冷凝换热系数有增加趋势。本实验中不同工况的对流冷凝传热系数的主要影响因素为空气质量分数、进口湿空气雷诺数和壁面过冷度，通过考虑这三个主要影响因素得到了相应的经验关联式。考虑到进口湿空气流速和进口空气质量分数会对冷凝液的分布产生影响，本文对传热传质类比公式进行了修正，得到的关联式考虑的影响因素比第一个关联式更加全面。在本实验湿空气进口流速为8~15 m•s-1，进口空气质量分数为2%~7%的范围内，两种关系式的计算值与实验值的误差均在±20%的范围内。 数值模拟得到了管壁上的液膜厚度分布情况，液膜沿管壁周向分布不均匀且平均厚度很薄，在管壁侧面的液膜厚度最厚，迎风侧和背风侧的液膜厚度都非常薄。由于液膜很薄，所以冷凝液的热阻很低，则气液界面温度与壁面温度的温差很小。数值模拟结果与钢管实验结果进行了对比，两者符合较好。

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改性PTFE管 钢管 冷凝 湿空气

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珠状凝结具有比膜状凝结更大的凝结表面传热系数，是一种高效的热量传递方式。传统纯蒸气珠状凝结一般通过表面改性与珠状促进剂实现，但这两种方法并不能保证珠状凝结形态长时间的稳定维持。具有正系统特性混合工质 Marangoni 凝结过程中出现的类珠状凝结形态是由工质自身物性所决定，可以长时间稳定维持且具有优良的传热特性，对珠状凝结的工业化应用具有重要指导意义。本文设计、搭建了水平表面上凝结换热实验系统，以水和酒精混合蒸气为实验工质，系统研究了仅由表面张力梯度引起的 Marangoni 凝结瞬态过程与准稳态过程中凝结形态与换热特性变化规律，为 Marangoni 凝结的机理研究与工业应用提供理论指导。 水和酒精混合工质凝结瞬态过程初始阶段主要有膜状、膜状伴随珠状以及珠状三种凝结形态。随着表面过冷度的减小，酒精蒸气浓度的增大，凝结形态逐渐由膜状形态向珠状形态转变，瞬态过程逐渐出现周期性变化，此后周期性逐渐减弱。蒸气流速与压力的增大，都会促进珠状凝结形态与周期性瞬态过程的出现。归纳、总结得到了成膜、凝结液珠周期运动、凝结液珠不规律运动以及凝结液珠缓慢生长四种瞬态过程类型，其中凝结液珠周期运动类型表明在该工况区间内凝结液具有自清洁功能，统计得到的液珠周期运动时间为 1.3 s 至 7.6 s ，并给出了经验计算公式。最后建立了瞬态过 程类型的三维分布图，并给出了凝结液珠周期运动瞬态过程的边界过冷度经验预测公式，为凝结液自清洁功能在换热器内的应用提供理论指导。 通过图像识别方法获得了凝结液珠的尺寸及数目，进而引入最大液珠半径与凝结液珠覆盖率对瞬态过程中液珠生长过程进行定量表征。凝结液珠在瞬态过程初期主要是直接凝结快速长大，此后主要出现合并长大，最大液珠半径可达 7.5 mm。液珠覆盖率在瞬态过程中先快速增大后缓慢增大直至稳定，最大值可达 0.8。随着酒精蒸气浓度的增大，最大液珠半径与液珠覆盖率逐渐减小。随着表面过冷度、蒸气流速与压力的增大，最大液珠半径与液珠覆盖率逐渐增大，而在凝结液珠快速运动时，液珠覆盖率则逐渐减小。最后拟合得到了瞬态过程中凝结液珠覆盖率的实验关联式，误差范围为 -19.5%到 30.0%。 实验发现水和酒精混合工质凝结瞬态过程中凝结液珠主要沿主蒸气反方向运动，运动速度最大值可达-81.7 mm·s-1。液珠逆向运动速度随表面过冷度与蒸气压力的增大而增大，随酒精蒸气浓度与蒸气流速的增大而减小。对液珠逆向运动速度展开无量纲分析发现，逆向运动速度随 Ma 数的增大而增大，随 Rev数的增大而减小，并在此基础上拟合得到了液珠逆向运动的实验关联式。研究发现液珠逆向运动主要源于蒸气流速作用导致的温度梯度所产生的表面张力梯度，对凝结液珠展开了进一步的受力分析以及运动速度的理论计算，液珠运动速度的计算值与实验值吻合较好。 瞬态过程中，凝结表面传热系数在成膜类型时快速下降后保持稳定；在凝结液珠周期运动类型时呈现周期性变化并保持在较高数值，表明通过凝结液自清洁功能实现了传热过程的强化；在凝结液珠不规律运动类型时呈现不规律波动变化；在凝结液珠缓慢生长类型时缓慢减小。随着瞬态过程进行，凝结表面传热系数随表面过冷度与凝结液珠覆盖率的增大而单调减小。拟合得到了瞬态过程换热特性无量纲实验关联式，误差范围为-43.5%至 37.5%。准稳态过程中，凝结表面传热系数随雨刷器刷扫频率的升高而增大；随表面过冷度的增大，呈现先增大后减小的非单调变化；随酒精蒸气浓度 的增大而明显减小；随蒸气流速与压力的增大而略有增大。凝结表面传热系数峰值对应的表面过冷度随酒精蒸气浓度的增大明显增大，随蒸气流速与压力的升高而略有增大。对比水平与竖直表面上准稳态过程换热特性发现，重力作用对 Marangoni 凝结过程的强化作用随酒精蒸气浓度的增大而减弱。最后拟合得到了准稳态过程换热特性无量纲实验关联式，误差范围为-28.2%至 18.0%。

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Marangoni凝结* 水平表面 瞬态过程 准稳态过程

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Abstract ：

Marangoni凝结具有类珠状凝结形态，相比膜状凝结具有更高的传热效率。开展Marangoni凝结生长与移动过程的研究对进一步对揭示Marangoni凝结机理、解释换热特性等具有重要意义。本文设计搭建了水平表面Marangoni凝结实验系统，以水-酒精混合蒸气为工质，进行了不同初始过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气流速下的Marangoni凝结实验，通过高速摄像机记录了凝结形态，改进了凝结图像识别算法，统计了凝结液珠生长与移动过程变化情况，获得了不同工况参数对液珠覆盖率、最大液珠半径和液珠移动速度等表征参数的影响规律。 研究结果表明，在凝结瞬态过程中，随着凝结进行，液珠覆盖率先快速增长，之后增长速度逐渐减小，最后基本保持不变。初始过冷度对液珠覆盖率的影响规律如下：在较低酒精蒸气浓度下，液珠覆盖率随初始过冷度降低而增大；在较高酒精蒸气浓度下，液珠覆盖率随初始过冷度降低而减小。液珠覆盖率随酒精蒸气浓度增大而减小，且在低初始过冷度时更为明显。在高初始过冷度下，液珠覆盖率随着蒸气流速的升高而增大；而在低初始过冷度下，液珠覆盖率反而随着蒸气流速的升高而减小。在所研究的工况范围内凝结后期液珠覆盖率的范围大概为0.4 - 0.9。最大液珠半径在凝结初始阶段线性增大，随凝结进一步进行出现波动变化。初始过冷度和酒精蒸气浓度对最大液珠半径的影响不明显。最大液珠半径随蒸气流速的增大而增大的趋势在高初始过冷度和低酒精蒸气浓度下更为明显；随初始过冷度降低，最大液珠半径反而随蒸气流速的增大而减小。在所研究的工况范围内凝结后期最大液珠半径的范围大致为2 - 8 mm。 在凝结瞬态过程中，随着凝结进行，液珠移动速度总体上呈现逐渐减小的趋势。随着初始过冷度的减小，凝结液珠移动平均速度逐渐减小，移动方向由逆着蒸气来流向顺着蒸气来流转变。随酒精蒸气浓度的增大，液珠移动停滞点所对应的初始过冷度增大。随着蒸气流速的增大，液珠逆着蒸气来流方向的移动速度明显减小，液珠移动停滞点所对应的初始过冷度增大。在所研究的工况范围内，液珠移动速度处于-0.06 - 0.02 m•s-1之间。

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Marangoni凝结 水-酒精混合蒸气 液珠生长 液珠移动

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Abstract ：

具有正系统特性的混合蒸气凝结时形成类珠状的凝结形态（称为Marangoni凝结），其凝结表面传热系数数倍于膜状凝结，具有显著的强化换热效应。本文在自行设计搭建的凝结换热实验系统上，以水-酒精混合蒸气为工质，系统研究了非均匀温度梯度竖直表面上的Marangoni凝结换热特性，分析了过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气流速、蒸气压力等参数对其的影响规律；对比了3种具有不同温度梯度的凝结面凝结换热特性，分析了温度梯度对Marangoni凝结换热特性的影响。采用无量纲数表征Marangoni凝结换热影响因素及换热特性，在实验数据的基础上，拟合得到了Marangoni凝结换热实验关联式。考虑Marangoni凝结的特点，将其视为混合蒸气的珠状凝结，建立了包含考虑过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气压力和流速等参数影响的混合蒸气Marangoni凝结凝结换热的实验结果表明，在凝结面不同位置存在不同大小的温度梯度，因而呈现出不同的局部凝结表面传热系数，局部温度梯度较大处的局部传热系数较大。凝结面测量截面处的平均凝结表面传热系数随过冷度的变化趋势受酒精蒸气浓度影响：在0.5%和1%浓度时，平均传热系数随过冷度增加呈现持续下降趋势，下降速率在某一过冷度后会趋缓；当浓度大于等于2%时，平均传热系数随过冷度增加呈现出先维持不变再增加直至峰值然后又下降的非单调变化规律。混合蒸气最大的平均凝结表面传热系数出现在1%浓度时，0.5%浓度的结果次之，而当酒精蒸气浓度大于等于2%时，随着浓度增加，平均传热系数单调减小。随着蒸气流速与压力的增加，平均凝结表面传热系数均逐渐增加，且在低酒精浓度区域增幅较大。Marangoni凝结中的珠状凝结过程是个动态的周期性过程，液珠的循环周期主要受过冷度、酒精蒸气浓度和蒸气压力影响。实验中观察到的珠状凝结循环周期范围为0.2-2.0 s。凝结形态同时受过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气流速和压力影响，但后两者的影响程度低于前两者。随着酒精蒸气浓度减小、蒸气流速与压力增加，凝结面上的液珠均有变小变密集的趋势。在当前的实验中，分别观察到了珠状、带条纹的珠状、带起伏的膜状以及平膜状等4种凝结形态。温度梯度的存在，使得凝结液通常不是某种单一的凝结形态，而是包含多种单一凝结形态的混合体。论文对比分析了矩形肋凝结面、三角肋凝结面和平板凝结面这3个具有不同大小温度梯度的凝结面上的凝结换热特性，发现具有最大温度梯度的矩形肋凝结面上的混合蒸气凝结表面传热系数，是不存在温度梯度的平板凝结面上传热系数的1-2.5倍，是具有较小温度梯度的三角肋凝结面上传热系数的0.98-1.35倍。温度梯度越大，在凝结面上强化换热的程度越大，但其强化程度为非线性变化，随着温度梯度增大，强化增幅逐渐减小。此外，温度梯度可使出现显著强化换热效果的过冷度向小过冷度区域移动，且温度梯度越大，偏移的幅度越大。在存在温度梯度的情况下，蒸气流速与压力对凝结传热的影响被削弱，且削弱程度随温度梯度增大而加强。根据各影响因素对Marangoni凝结换热过程的影响特点，提出采用无量纲数表征过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气压力和流速等影响因素以及凝结换热特性，基于实验数据运用多元线性回归方法获得了水-酒精混合蒸气Marangoni凝结换热的实验关联式，拟合值和实验值的误差范围为-30%至45%。考虑Marangoni凝结的特点，将其视为混合蒸气的珠状凝结，从空间中分为凝结液层和蒸气扩散层2部分，分别采用珠状凝结计算模型和求解控制方程的方法得到各部分换热特性，再通过共同的边界——气液相界面耦合确定整个凝结过程的换热特性，从而建立了混合蒸气Marangoni凝结换热特性计算模型。计算得到的凝结表面传热系数随过冷度、蒸气流速与压力的变化趋势与实验规律基本一致，在凝结表面传热系数峰值附近的区域，计算值和实验值的偏差基本在 25%以内。

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温度梯度Marangoni凝结凝结表面传热系数实验关联式计算模型

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Abstract ：

具有正系统特征的混合蒸气(如酒精-水混合蒸气等)在冷壁面凝结时，由于凝结液层局部浓度和温度分布不均匀会引发凝结液表面张力产生梯度，在凝结壁面上产生Marangoni对流，使得凝结形态出现非膜状凝结，这就是Marangoni凝结。与膜状凝结比较，Marangoni凝结换热效果较强。本文以酒精-水混合蒸气为工质利用搭建好的Marangoni凝结换热实验系统，在不同蒸气压力（31.16kPa、47.38kPa、84.53kPa）和不同蒸气流速（2m&#8226s-1、4 m&#8226s-1、6 m&#8226s-1）条件下，进行了不同酒精质量浓度（0.5%、1%、2%、5%、10%、20%、50%）的混合蒸气在竖直微细管外（内外径分别为0.571mm、0.793mm）的凝结换热实验，获得了传热系数随过冷度变化的特性曲线，获知了过冷度、蒸气流速、压力和浓度等对传热特性的影响规律。实验结果表明：微细管外酒精-水混合蒸气表面凝结传热系数随过冷度增加呈现出具有峰值的非线性变化关系。浓度 时，表面凝结传热系数随过冷度增加先快速增长，到某一过冷度增长速度下降，到达峰值后，随着过冷度的继续增加而略有降低。浓度 凝结传热系数快速增加阶段不明显。高浓度下混合蒸气的传热系数相较于水蒸气提升不大，浓度为 时传热系数低于纯水。蒸气流速和压力的提高均有利于换热的强化，并且随着浓度的提高，流速和压力对传热系数的影响减弱。传热系数峰值最大值出现在2%浓度，可达39kW&#8226m-2&#8226K-1，是相同条件下纯水蒸气凝结的3~4倍。1%浓度的传热系数峰值次之，其余浓度混合蒸气的传热系数峰值随浓度的增加而下降。实验中观察到的凝结形态有膜状凝结、珠状凝结以及膜状向珠状转化的过渡形态，当出现珠状凝结时传热系数较大。此外，采用无量纲分析的方法，利用多元回归对实验数据拟合获得了微细管外酒精-水混合蒸气Marangoni凝结换热的无量纲实验关联式，拟合值和实验值的偏差范围在±20%内。

Keyword ：

Marangoni效应酒精-水混合蒸气微细管凝结换热实验关联式

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为研究宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响,设计了一个截面为梯形的试验块。在大范围的酒精气相浓度条件下（0%～50%）,用实验的方法研究了宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响。对于每个浓度都在不同蒸汽流速和压力下进行了实验并拍摄凝结图片。以凝结实验中所拍摄的实验图片为分析对象,分析不同质量分数、过冷度和流速下的凝结液珠脱离半径。凝结液珠的脱离半径与表面过冷度、凝结表面的横向温差、酒精质量分数、蒸汽流速等因素有关。以纯水的脱离半径公式为基础,考虑温差带来的Marangoni效应和蒸气流速后,拟合出Marangoni凝结凝结液珠的最大脱离半径公式,在大部分过冷度的情况下,计算值与实验数据一致性较好,最大误差为23%。

Keyword ：

Marangoni凝结 水–酒精混合蒸气 脱离半径 珠状凝结

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在竖直的非均匀温度场凝结表面上进行了二元混合蒸气的Marangoni凝结实验.实验结果表明表面传热系数与表面过冷度呈现具有峰值的非线性特性,气相质量浓度为1%的混合蒸气传热系数最高.为进行传热系数的理论计算,利用二元混合蒸气膜状凝结理论,计算了界面温度.结果表明:界面温度在过冷度为零时等于该浓度下的气相温度,随着过冷度的增大,界面温度逐渐下降,直至达到该浓度下的液相温度之后就不再随过冷度变化.对同一浓度而言,流速越大,达到液相温度所对应的过冷度也越大;达到液相温度所对应的过冷度随着压力的增大而减小.界面温度的计算为传热系数的理论计算提供了可能.

Keyword ：

Marangoni凝结 二元混合蒸气 界面温度 珠状凝结

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通过将膜状凝结和珠状凝结理论相结合建立了一个新的模型,用于计算酒精-水混和蒸气Marangoni凝结换热系数,该模型引入一个特性系数将膜状凝结和珠状凝结理论相结合,并考虑了酒精浓度、蒸气压力和流速的影响.在不同的压力和流速下,模型计算的结果与实验和相关文献进行了比较,最大误差为±30%.

Keyword ：

Marangoni凝结 计算模型 酒精-水混合物 热传递 珠状凝结

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