试析液固表面自由能差效应强化冷凝传热的机理研究

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1、大连理工大学硕士学位论文液固表面自由能差效应强化冷凝传热的机理研究姓名：张宇申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：马学虎20040601液固表面自由能差效应强化冷凝传热的机理研究摘要本文主要研究液固表面自由能差效应对冷凝传热特性的影响。从实验和理论两方面研究接触角和液滴脱落直径等界面现象因素在滴状冷凝传热过程中的作用，揭示表面自由能差与冷凝形态、冷凝传热特性之间的作用机制。基于实验观测，提出了竖壁上液滴接触线形状为两个椭圆组合的新型物理模型，并推导了竖壁上液滴脱落直径的表达式。结果表明，前进、后退接触角和平衡接触角是决定液滴脱落直径的重要因素。实验研究了水和乙二醇在不同表面上的液滴脱落直

2、径，实验结果与模型预测结果吻合较好。滴状冷凝传热不仅与冷凝条件有关，也与液固界面的相互作用有密切的关系。本文综合考虑了冷凝条件、接触角和脱落直径等因素，建立了滴状冷凝传热模型。模拟计算结果表明液固自由能差越大，越有利于冷凝传热。同时解释了文献中滴状冷凝实验结果存在差异的原因可能是液固界面效应的影响。实验测定了水蒸气冷凝压力为常压、0．12MPa、0．14MPa和0．16MPa时9组表面的热通量和冷凝传热系数与表面过冷度的关系。表面过冷度小于10K冷凝传热系数比Nusselt理论值有所提高，不同表面的提高幅度不同，最大可提高2．4～4．6倍。相同冷凝压力和表面过冷度下，热通量和冷凝传热系数随液

3、固表面自由能差的增大而增大。实验结果与本文滴状冷凝传热模型计算结果相符。本实验在常压下以乙醇．水二元混合蒸汽为工质，测定低能复合涂层表面和紫铜表面上的冷凝传热特性。两种表面上冷凝形态随表面自由能差变化有相同的规律，冷凝形态呈现从膜状过渡到滴状的一系列形态。本文和文献的实验结果均表明：表面自由能差小于13～l5mJ／m2时为膜状冷凝。表面自由能差大于13～15mJ／m2后冷凝传热系数就随着表面自由能差的增大而急剧增加，此时冷i疑形态发生变化。表面自由能差在l8～22mJ／m2范围冷凝传热系数出现高峰，即达到滴状冷凝。本文首次引入表面自由能差概念来解释二元混合蒸汽冷凝现象，分析了二元混合蒸汽冷凝

4、过程表面自由能差的形成机理，揭示了冷凝传热特-陛随表面自由能差渐进变化的规律。关键词：表面自由能差滴状冷凝接触角液滴脱落直径二元混合蒸汽冷凝形态液周表面自由能差效应强化冷凝传热的机理研究MechanismoftheEffectofLiquid··Solid··Surface··Free·-Energy-·DifferenceonCondensationHeatTransferEnhancementAbstractThepaperstudiestheinfluenceofsurfacefreeenergydifferencebetweencondensateandsolidsurfaceonc

5、ondensationheattranst'erperformance．Experimentalandtheoreticajinvestigationshavebeenconductedtoanalyzetheimpactofinterracialphenomenasuchascontactangle，departurediameteroncondensationheattransferperformance，andattemptedtogetdeepinsightsinthemechanismofcondensationheattransferenhancementwiththeconce

6、ptofliquidsolidsurfacefreeenergydifference．Basedontheexperimentalobservation，anewphysicalmodelofthedeparturediameterofadropflowingdownalongaverticalsolidplateisproposedintermsoftheequilibrium，advancingandrecedingcontactangles．Theexperimentalresultsusingwaterandethyleneglycolasworkingfluidsagreevery

7、wellwiththevaluespredictedbythepresentmodel·Itiswellknownthatdropwisecondensationheattransferperformancedependsonnotonlythecondensingconditions，butalsotheinterfacialinteractionbetweenliquidandsolid．BasedonR