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[学位]

水平表面低浓度酒精混合蒸气 Marangoni 凝结特性实验研究

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Author:

李勇 (李勇.)

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Abstract:

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%。

Keyword:

Marangoni凝结* 水平表面 瞬态过程 准稳态过程

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 博士

Mentor: 严俊杰

Year: 2018

Language: Other

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30 Days PV: 4

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