薄膜液滴冷凝实验

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1、薄膜冷凝/液滴冷凝實驗一、實驗目的1、認識液膜的熱傳係數2、比較薄膜冷凝/滴狀冷凝之熱傳送效率3、探討薄膜冷凝/滴狀冷凝之熱傳送效率和熱流量之間的關係二、相關知識如下圖所示，蒸氣與低溫固體表面接觸時會形成一層液膜，此一液膜為一熱傳阻力導致溫度降的現象，當液膜越厚，熱傳阻力越大(亦即液膜越厚，熱傳係數h越小)。薄膜TwTs凝蒸氣的組成可能為:單一物質、可凝和不可凝物質的混合物，或由兩種或更多種的可凝蒸氣所混合而成。在正常的情況下，冷凝器中的摩擦損失是小的，所以冷凝在本質上是個恆壓過程。而單一純物質的凝結溫度只是壓力的變數，所以純物質的冷凝過程是恆溫的。且冷凝液也是純液體。在

2、恆壓下，混合蒸氣在某個溫度範圍下冷凝，並生成不同組成的冷凝液，一直到所有的蒸氣都被冷凝為止，而此時冷凝液的組成。等於最初冷凝的蒸氣組成指一種可凝的成分從它和另一種不可凝物的混合物中冷凝出來一個普遍的例子，就是水蒸氣從水蒸氣和空氣的混合物中冷凝出來。滴狀或膜狀冷凝蒸氣是以所謂的滴狀或膜狀的方法凝結在冷表面上的。膜狀冷凝較滴狀冷凝更為普遍，在膜狀冷凝中，液態冷凝液形成一液體的薄膜或連續液層，在重力的作用下沿著管整個6表面流下。這一層液體介於蒸氣和管壁之間，而產生了熱流阻力，所以它決定了熱傳係數的大小。在滴狀冷凝中，冷凝液首先是在凝核位置上形成，典型的凝核位置是在有微凹、刮痕或

3、塵粒的地方。這些微滴逐漸變大，並和鄰近微滴結合，形成可見的小滴，就像在潮濕的室中冷水瓶外側所見到的情形。接著這些小滴就形成一股小水流，在重力作用下沿著管子流下，帶走了冷凝液，並清理表面以便更多的小點冷凝之用。在滴狀冷凝期間，冷管的廣大面積都是暴露在蒸氣中的。因為沒有液膜存在，所以在暴露面積上的熱流阻力非常小，而熱傳係數就相對的變高。滴狀冷凝的平均係數大約是膜狀冷凝的5至8倍。在長管子上，一部分的表面可能是膜狀冷凝，其餘的表面是滴狀冷凝。對於滴狀冷凝最重要且最廣泛的觀察是對水蒸氣做的，但對乙二醇、甘油、硝基苯、異庚烷、和其他的有機蒸氣等也曾有過觀察。液態金屬通常都是以滴狀凝

4、結的。滴狀冷凝的現象在於液體能否沾濕表面，所以，就基本上而言，這種現象是屬於表面化學的範疇。水蒸氣冷凝現象，其實驗結果可歸納如下:1、當冷卻器表面屬於親水性時，界面能較低，易形成薄膜冷凝，若冷卻器表面作平滑面處理亦較易形成液滴冷凝。2、當冷卻器表面屬於疏水性時，界面能較高，減少接觸面積可降低界面能，故易形成滴狀冷凝，若冷卻器表面作粗面處理更可促進凝核。3、促使滴狀冷凝所需要的表面處理劑只需極微量，只要一層單分子的薄層即可。4、在完全滴狀冷凝裡，所能得到的熱傳係數可高達1.25×10J/s-m2-℃。雖然也有利用人為方法造成滴狀冷凝以獲得較大熱傳係數的利益，但因此種冷凝甚不

5、穩定，且不易保持，故並未廣泛採用。滴狀冷凝不十分穩定，固其熱傳送係數至今尚無法推算。在實際情況裡，薄膜冷凝遠較滴狀冷凝普遍，因此在正常設計裡，都假定是薄膜的冷凝，以計算滴狀冷凝之熱傳係數。膜狀冷凝的熱傳係數是6膜狀冷凝中熱傳送速率之基本方程式，首先是由Nuseelt導出的。Nuseelt方程式的基本假設是在液體邊界層外，蒸氣和液體是達到熱力學平衡的。所以，熱流唯一的阻力是由冷凝所造成的。而這冷凝亦受重力的作用以層流向下流。又假設：液體在壁上的速度為零；在薄膜外側的液體速度不受蒸氣速度的影響；壁溫度和蒸氣溫度是恆定的。並假設蒸氣沒有過熱，且假設冷凝液是在凝結溫度離開管子；液

6、體的物理特性則採用平均薄膜溫度時的數值。直立管子在膜狀冷凝中，Nuseelt定理指出冷凝液的薄膜，在管子的頂端開始形成，且冷凝膜的厚度在頂端最初的數吋內迅速的增加，而在其餘的管長中，其增加速度就越來越慢。假定通過冷凝液薄膜的熱流，完全是由傳導的作用，所以局部係數可由下式表之，h=kf/δ(1)式中δ是局部薄膜厚度所以局部係數隨著薄膜厚度成反比增加。hx與δ隨著與管子頂端之距離而變化，如圖一所示的是一個典型的例子。薄膜厚度δ可由下式求得。δ=(3μfΓ/ρf2gcosβ)1/3(2)因為在薄膜內有溫度梯度，所以液體的特性是以平均薄膜溫度Tf計算之，Tf由式(13)求得對直立

7、表面上的冷凝而言，因其cosβ=1，所以(2)式可改為δ=(3μfΓ/ρf2g)1/3(3)帶入式(1)中的δ項，則得距直立表面頂端的距離為L時之冷凝液負荷Γ，其局部熱傳係數可由下式表之hx＝kf(ρf2g/3Γμf)1/3(4)圖一.下降冷凝薄膜的厚度及局部係數由上圖知，薄膜越厚，熱傳係數越小，熱傳阻力越大。對直立管外側的冷凝其局部係數又可用下列關係式表示hf＝dq/(△ΤodΑo)＝(λdm)/(△ΤoπDodL)(5)式中λ：汽化熱m：冷凝液的局部質量流率6因為m/(πDo)=Γhx＝(λdΓ)/(△ΤodL)(6)對整