超疏水表面低压蒸汽冷凝液滴分布及传热强化

发布时间：2017-10-15 10:38

  本文关键词：超疏水表面低压蒸汽冷凝液滴分布及传热强化

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【摘要】：低压蒸汽冷凝过程在化工、发电、空调制冷、海水淡化、低压蒸馏和吸收式热泵等方面有着广泛的应用。滴状冷凝传热模式相比于传统的膜状冷凝具有更高的传热效率是节约资源和提高能源利用效率的重要手段。液滴作为蒸汽冷凝的传热通道,探究其弹跳现象对其尺寸分布及演化的影响规律,对于低压蒸汽冷凝传热强化具有重要的意义。实验考察了不同蒸汽压力下超疏水表面初始冷凝过程中液滴尺寸分布演化规律和稳态液滴尺寸分布特征,获得了液滴弹跳现象对液滴尺寸分布及演化的影响。结果表明,在低压、小过冷度下,液滴弹跳现象增大了小液滴密度,减小了液滴脱落尺寸,导致了超疏水表面上液滴平均尺寸的降低。弹跳现象对初始冷凝过程中的液滴尺寸分布的演化规律影响较小,液滴尺寸分布仍呈现出正态分布-双峰分布-指数分布的演化规律,与较高压力下液滴在重力作用下脱落时的演化规律相似。稳态条件下,存在液滴弹跳时,液滴分代分布规律明显,不同代的液滴表现出自相似特征,总体呈现出稳定的指数分布,液滴弹跳现象降低了液滴平均尺寸,优化了稳态液滴尺寸分布,缩短了液滴生命周期。结合理论分析的方法对低压条件下的蒸汽冷凝传热性能进行了理论计算和分析,获得了液滴弹跳现象对稳态蒸汽冷凝传热性能的影响和低压蒸汽冷凝传热强化的机理。结果表明,低压、小过冷度条件下,液滴弹跳现象导致了液滴脱落尺寸和液滴平均尺寸减小,小液滴密度增加,液滴生命周期缩短,液滴弹跳现象对液滴尺寸分布的优化增加了冷凝表面上的有效传热通道,同时,液滴合并时的脉动和弹跳现象对气液界面的扰动可以增强气液界面分子扩散。保持小过冷度促进液滴弹跳是强化低压蒸汽冷凝传热的重要策略。相同冷凝条件下液滴发生弹跳时的传热通量约为重力作用脱落时传热通量的3倍,甚至超过了常压下超疏水冷凝表面的传热通量。利用蒸汽在低压小过冷度条件下在超疏水表面冷凝时液滴弹跳现象对冷凝传热的强化作用,对日产淡水1.8吨的压汽蒸馏装置中的蒸发-冷凝器进行了设计和经济性能核算。对于蒸发-冷凝换热而言,冷凝侧传热系数的提高使总传热系数提高了约37%,压缩机能耗降低了约60%。通过经济性能核算,当纯水价格为30元／吨时,本设计使成本费由不可回收变为可以回收,回收期为12.8年；且在设备正常运行15年期间,本设计比原设计的能耗将节省9.3万元,从节能减排和设备长远运行的角度来看,本设计更加优越。
【关键词】：低压蒸汽冷凝 液滴弹跳 强化传热 蒸发-冷凝器设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O647
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-27
• 1.1 表面润湿性的基本理论10-12
• 1.1.1 Young方程10
• 1.1.2 润湿状态划分10-12
• 1.2 结构和化学性质对表面润湿性及液滴尺寸分布的影响12-18
• 1.3 操作条件对冷凝液滴尺寸分布及传热的影响18-22
• 1.4 滴状冷凝传热模型22-24
• 1.5 压汽蒸馏简介24-25
• 1.6 本文研究内容25-27
• 2 表面制备与实验方法27-35
• 2.1 表面制备与表征27-28
• 2.2 实验装置与流程28-30
• 2.3 实验数据处理30-31
• 2.4 实验误差分析31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 超疏水表面低压蒸汽冷凝液滴尺寸分布及演化35-46
• 3.1 液滴弹跳现象及弹跳液滴尺寸分布特征35-37
• 3.2 初始冷凝过程液滴瞬态尺寸分布与演化37-43
• 3.3 稳态液滴尺寸分布特征43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 超疏水表面低压蒸汽滴状冷凝传热计算分析46-53
• 4.1 蒸汽滴状冷凝传热模型46-48
• 4.2 低压蒸汽冷凝传热性能的模型计算结果与实验结果分析48-50
• 4.3 低压蒸汽冷凝传热强化机理50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 5 压汽蒸馏海水淡化装置蒸发-冷凝器设计53-57
• 5.1 蒸发-冷凝器设计方案的确定53-54
• 5.2 设计参数及物性确定54
• 5.3 传热面积计算54
• 5.4 艺结构尺寸54-55
• 5.5 经济性能核算55-56
• 5.6 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-62
• 附录A 主要符号表62-64
• 附录B 蒸发-冷凝器换热板片结构尺寸图64-65
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况65-66
• 致谢66-67

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本文编号：1036661