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浓度差驱动的混合蒸气Marangoni凝结传热特性研究

作　者: 董彬
导　师: 赵军
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: Marangoni效应凝结传热二元混合蒸气强化换热不凝性气体
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

蒸气的凝结现象在自然界和人类生活中普遍存在，蒸汽凝结传热也是核动力、蒸汽动力、石油化工和制冷空调等领域中所广泛遇到的相变传热过程。Marangoni凝结起因于混合蒸气凝结时液相的局部浓度差，这种凝结不同于膜状和珠状凝结，并在特定的工况条件下能获得数倍于纯水蒸气凝结传热系数的强化换热效果。本文以混合蒸气的Marangoni凝结传热过程作为研究对象，通过实验研究和理论分析，对Marangoni凝结传热特性曲线、凝结液膜形态特征及其不稳定性、液相气相热阻的变化特征以及不凝性气体对传热的影响规律等进行了研究。本文搭建了具有高气密性的凝结传热实验系统，可以实现在较大过冷度范围内凝结传热特性的测量和凝结过程的高速动态可视化观测与记录。对氨-水混合蒸气的凝结传热特性曲线的测定和分析表明：①凝结传热特性随表面过冷度显示出有峰值的非线性变化规律；②存在一个最优氨蒸气浓度（0.38%左右）使传热系数和热流密度达到峰值。这在以往的文献中未见报道；③在特定的过冷度范围内，非常微量的氨的添加可使水蒸气的凝结传热大大强化；④传热系数随蒸气流速的增大而增大，但其峰值点所对应的过冷度与蒸气流速无关。Marangoni凝结发生时，传热系数和凝结形态与混合蒸气浓度及凝结表面过冷度有紧密联系。对凝结形态图片的测量和统计结果显示液珠尺寸是一个不连续的变量，液珠的尺度分布与Rosim-Rammler分布函数符合较好。本文通过引入液膜覆盖率的概念，解释了Marangoni凝结传热特性随过冷度的非线性变化规律。实验表明，酒精-水二元体系的凝结传热系数要远远大于氨-水二元体系。本文通过对凝结液膜不稳定性及液相、气相热阻变化规律的研究发现，凝结液膜的不稳定性和气相扩散热阻共同决定了Marangoni凝结传热特性。通过定量计算，解释了不同二元体系的差异对浓度差Marangoni凝结传热效果的影响程度，结合可视化的实验结果，对浓度差Marangoni凝结传热的机理进行了分析。此外，还进行了不凝性气体对Marangoni凝结传热的影响规律和作用机制的实验研究和分析。结果表明，不凝气含量较低时，很少不凝性气体的增加就可造成凝结传热系数的大幅下降。在过冷度范围不同的区域，不凝性气体对凝结传热的影响规律不同，在传热系数的峰值点处，不凝性气体含量的增加，引起传热系数的下降最为明显。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-21
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 有关 Marangoni 凝结的研究现状  10-20
    1.2.1 Marangoni 效应  10-11
    1.2.2 Marangoni 对流  11-12
    1.2.3 浓度差 Marangoni 凝结  12-14
    1.2.4 浓度差 Marangoni 凝结的国内外研究进展  14-20
  1.3 本文的主要研究内容  20-21
第二章实验装置和实验方法  21-40
  2.1 混合蒸气 Marangoni 凝结传热实验装置  21-33
    2.1.1 实验装置概略  21-22
    2.1.2 实验管设计方案  22-24
    2.1.3 实验管外壁温度测量及传热系数、热流密度的计算方法  24-26
    2.1.4 混合蒸气浓度、流速及不凝性气体浓度测量装置  26-28
    2.1.5 混合蒸气循环  28-32
    2.1.6 其他装置  32-33
  2.2 参数测量方法及实验顺序  33-36
    2.2.1 氨水混合蒸气浓度的测量方法  33-34
    2.2.2 不凝性气体浓度的测量方法  34
    2.2.3 实验顺序  34-36
  2.3 实验装置性能  36-39
    2.3.1 气密性及不凝性气体浓度的测量误差分析  36-37
    2.3.2 混合蒸气浓度测量的误差分析  37
    2.3.3 实验再现性  37-38
    2.3.4 纯水蒸气实验结果及误差分析  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第三章氨-水混合蒸气 Marangoni 凝结传热特性实验研究  40-57
  3.1 实验工况  40-42
  3.2 实验结果及其分析  42-55
    3.2.1 凝结传热特性曲线  42-47
    3.2.2 混合蒸气流速对凝结传热特性的影响  47-51
    3.2.3 氨的添加引发的水蒸气凝结传热的促进  51-53
    3.2.4 实验结果与以往文献的比较  53-55
  3.3 本章小结  55-57
第四章酒精-水混合蒸气 Marangoni 凝结液膜特性研究  57-71
  4.1 酒精-水混合蒸气 Marangoni 凝结的液珠尺度分布研究  57-65
    4.1.1 凝结液珠图片  58
    4.1.2 Rosim-Rammler 模型  58-59
    4.1.3 液珠尺度分布  59-65
  4.2 酒精-水混合蒸气 Marangoni 凝结的液膜覆盖率研究  65-70
    4.2.1 计算模型  65-67
    4.2.2 液膜覆盖率和凝结传热系数的关系  67-68
    4.2.3 仅考虑液膜热阻和同时考虑液膜热阻与扩散热阻的传热系数计算结果与实验值的比较  68-70
  4.3 本章小结  70-71
第五章浓度差 Marangoni 凝结机理研究  71-87
  5.1 氨-水体系和酒精-水体系 Marangoni 凝结对比分析  71-81
    5.1.1 氨-水溶液的气液相平衡及表面张力计算  71
    5.1.2 酒精-水溶液的气液相平衡及表面张力计算  71-73
    5.1.3 两种体系的液膜不稳定性对比分析  73-76
    5.1.4 两种体系的热阻对比分析  76-78
    5.1.5 两种体系 Marangoni 凝结实验结果的对比分析  78-81
  5.2 Marangoni 凝结与珠状凝结形态的对比研究  81-85
  5.3 本章小结  85-87
第六章不凝性气体对浓度差 Marangoni 凝结传热特性的影响研究  87-100
  6.1 实验装置  87-88
  6.2 实验工况  88-89
  6.3 实验结果及分析  89-99
    6.3.1 不同氨蒸气浓度条件下的比较  89-94
    6.3.2 不同不凝气浓度水平下的比较  94-96
    6.3.3 与以往文献的比较  96-99
  6.4 本章小结  99-100
第七章结论  100-103
  7.1 论文的主要结论  100-101
  7.2 论文的创新点  101
  7.3 对今后工作的建议  101-103
参考文献  103-112
发表论文和参加科研情况说明  112-113
致谢  113

浓度差驱动的混合蒸气Marangoni凝结传热特性研究

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