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梯度表面能材料表面的凝结换热实验及理论模型

作　者: 顾扬彪
导　师: 廖强
学　校: 重庆大学
专　业: 热能工程
关键词: 可视化实验滴状凝结梯度表面能材料表面
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在提倡节能的今天,研究凝结换热强化技术,减少传递过程中的可用能损失,是提高综合能源利用率的一种途径;滴状凝结表面传热系数大,是强化冷凝传热的最高效的方式,如果把滴状凝结应用到实际换热设备中将会极大地提高换热效率,使冷凝设备几何尺寸缩小,重量减轻,同时也可减小换热温差,带来热量利用率的提高。本文提出了一种梯度表面能材料表面,该表面上液滴自迁移特性,提供了重力以外的排除凝结液滴方式,对于水平表面或者其它失重状态下的表面,能够及时排除凝结液滴,有效促进滴状凝结换热系数的提高。本文通过气相沉积的硅烷化方法制备梯度表面能材料表面,对饱和水蒸汽在梯度表面能材料表面上凝结的换热性能进行可视化的实验研究;首次得到了一维水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算式。主要研究成果如下:1采用化学气相沉积(CVD)的方法,分别采用了十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质,在厚度为0.5mm的矩形硅抛光片上沉积,制取了表面能一维梯度分布的矩形材料表面。2分别以十二烷基三氯硅烷制备的和以辛基三氯硅烷制备的梯度表面能材料表面作为水蒸汽凝结换热实验的实验表面,在实验表面与水平面倾角为0°、30°、60°和90°情况下,对水蒸汽在梯度表面能材料表面上的凝结换热性能进行了实验,并首次可视化研究了凝结液滴的长大、聚合、运动和脱落现象。实验结果表明:液滴能够在梯度表面能材料表面上实现从憎水侧向亲水侧的运动,水蒸汽凝结状态下的凝结液滴运动速度达到110mm/s,而空气中液滴在梯度表面能材料表面上的运动速度只有18mm/s;表面换热系数先随过冷度增大而增大,到达一个最大值后,反而随之减小;凝结表面倾角变大,表面换热系数也大,且过冷度对表面换热系数的影响越大;表面能梯度越大,表面换热系数也越大。3通过可视化实验观察到:当过冷度较小时,随着过冷度的增大,液滴长大-脱离的过程更迅速,液滴运动速度变快,扫除效应更加明显,导致表面换热系数随过冷度增大而增大;当过冷度处于较高值时,凝结成核、生长和聚合的加快,凝结表面小于脱离液滴尺寸的较大液滴数量将增大,较大液滴的凝结换热热阻大,造成随着过冷度的继续增大,表面换热系数反而减小的结果。4相同过冷度下,随着凝结表面的倾角增大,因为重力作用的增大使得脱离直径减小和液滴运动速度增加。同一过冷度和凝结表面倾角的情况下,十二烷基三氯硅烷制备的梯度表面能材料表面具有更大的表面能梯度,使得凝结液滴脱离

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-10
主要符号说明  10-11
1 绪论  11-24
  1.1 强化传热概述及意义  11-12
  1.2 滴状凝结研究现状  12-19
    1.2.1 滴状凝结的实现方法  12-14
    1.2.2 关于液滴生成机理的膜分裂假说和核化假说  14-15
    1.2.3 液滴的长大  15-16
    1.2.4 单个液滴的换热  16-17
    1.2.5 凝结液滴分布模型  17-18
    1.2.6 滴状凝结换热理论  18-19
  1.3 梯度表面能材料表面上的滴状凝结及其研究现状  19-23
    1.3.1 梯度表面能材料表面上的滴状凝结概述  19-20
    1.3.2 研究现状  20-22
    1.3.3 梯度表面能材料表面的应用前景  22-23
  1.4 本课题的研究内容及意义  23-24
2 实验表面制备及凝结换热实验装置与实验方法  24-39
  2.1 梯度表面能冷凝表面的制备  24-28
    2.1.1 硅烷化原理  24-25
    2.1.2 硅烷化装置  25-26
    2.1.3 沉积工艺流程  26
    2.1.4 硅烷化处理结果  26-28
  2.2 梯度表面能材料表面凝结换热可视化实验装置  28-34
    2.2.1 蒸汽系统  29-31
    2.2.2 冷却水系统  31
    2.2.3 数据采集系统  31-32
    2.2.4 可视化实验装置  32-34
  2.3 实验原理及方法  34-35
  2.4 实验数据处理  35-36
  2.5 接触热阻测量  36-37
  2.6 实验结果不确定度分析  37-39
3 梯度表面能材料表面上液滴运动及凝结换热实验结果与分析  39-51
  3.1 空气中水平梯度表面能材料上单个液滴运动及其运动机理  39-42
  3.2 凝结液滴的快速运动现象  42-44
  3.3 水平梯度表面能材料表面上凝结表面换热系数  44-47
  3.4 倾角对滴状凝结换热系数的影响  47-48
  3.5 表面能梯度对滴状凝结换热系数的影响  48-49
  3.6 本章小结  49-51
4 水平梯度表面能材料表面上的凝结换热理论模型  51-69
  4.1 液滴尺度分布及单个液滴换热计算  51-53
    4.1.1 液滴尺度分布分析  51-52
    4.1.2 单个液滴换热计算模型  52-53
  4.2 水平梯度表面能材料表面上的凝结换热模型及计算方法  53-57
    4.2.1 矩形一维梯度表面能材料表面上凝结换热模型及计算  53-55
    4.2.2 圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热模型及计算  55-56
    4.2.3 最大液滴半径的确定  56-57
  4.3 水平梯度表面能材料表面上凝结换热计算结果及分析  57-64
    4.3.1 模型计算结果与实验值的比较  57-58
    4.3.2 壁面过冷度、表面能分布对表面凝结换热性能的影响  58-60
    4.3.3 其他工质凝结换热预测和物性对凝结换热性能的影响  60-62
    4.3.4 圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热预测  62-64
  4.4 关于滴状凝结换热计算的几点思考  64-67
    4.4.1 单个液滴换热的微元算法  64-66
    4.4.2 液滴分布的随机分布理论  66-67
  4.5 本章小结  67-69
5 本文的主要结论  69-72
  5.1 主要结论  69-71
  5.2 进一步工作的建议  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
附录  77-78
独创性声明  78
学位论文版权使用授权书  78

梯度表面能材料表面的凝结换热实验及理论模型

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