珠状凝结模型对比研究

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1、珠状凝结模型对比研究邵飞*（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，合肥市，230031）摘要珠状凝结与膜状凝结相比是一种高效的、有相变的换热方式，得到了广泛关注。本文介绍了前人关于珠状凝结换热在实验和理论模型方面的研究状况，并进行了对比。本文在前人研究的基础上，并且考虑了接触角、促进层以及裸露表面强制对流换热的影响，建立了新的计算珠状凝结换热特性的模型，新模型可以计算不同工况下的不同换热结果。将新模型的计算结果与实验数据进行对比，发现二者较为吻合。这为进一步研究珠状凝结换热提供了一定的理论依据

2、。关键词珠状凝结；换热；模型0引言凝结换热是一种重要的热量传递过程，其广泛存在于自然界以及石油、化工、制冷、电力、动力和航天等多个工业领域。凝结换热根据凝结形态的不同分为膜状凝结和珠状凝结。珠状凝结具有数倍于膜状凝结的表面传热系数，是一种高效的热量传递过程。珠状凝结过程中的初始液珠生成机制有三种机理：Jakob[1]首先提出的薄膜破裂理论和Tammann等[2]提出的固定成核中心理论以及宋永吉等[3]提出的吸附理论，即液珠与液膜共存。薄膜破裂理论认为：蒸汽在冷凝表面上首先形成一层冷凝液膜，随着蒸汽冷凝

3、的进行，液膜不断增厚，当达到临界厚度时，液膜将发生破裂，且在表面张力的作用下，冷凝液膜碎片收缩成小液滴。固定成核中心理论认为：在冷凝表面上存在着随机分布的固定成核中心。类似于核态沸腾，珠状凝结是一种成核现象。吸附理论则认为：由于吸附理论的原因，液珠之间存在连续的液膜。在综述了以前学者的珠状凝结实验数据以及凝结模型的基础上，本文基于固定成核中心理论，建立起新的珠状凝结换热模型，在计算整个凝结表面的换热特性时，认为液珠之间的裸露表面的换热看作是蒸汽掠过表面的强制对流换热。1研究概述LeFevre等[4]研

4、究了在不同表面涂层材料以及不同尺寸的铜板竖直表面的珠状凝结换热，发现：在实验工况范围内，铜板尺寸与珠状凝结换热特性没有必然关系。Tanner等[5]报道了涂层分别为褐煤蜡以及二硫化物的铜板表面的珠状凝结蒸汽侧换热系数。Aksan等[6]对不同材料凝结表面上的珠状凝结换热特性进行了研究，发现凝结表面材料的热物性对凝结换热特性没有明显的影响。Graham等[7]进行了针对促进层为二硫化物的光滑竖直铜板表面的珠状凝结换热实验。实验表明，常压下的液珠数目远高于低压下的液珠数目。分析认为：常压时，液珠导热是主要

5、的珠状凝结换热热阻；而在低压时，气液相界面热阻与液珠导热热阻对珠状凝结换热同等重要。Citakoglu与Rose[8]合作对影响换热系数测量的正确性进行了研究。Wilmshurst与Rose[9]合作针对不同工质，如苯胺、乙二醇、硝基苯的珠状凝结和膜状凝结进行了对比研究。Stylianou与Rose[10]则对于不同导热系数的竖直凝结表面进行了珠状凝结实验研究。Rose团队[11-15]对珠状凝结换热进行了实验以及理论方面的研究。LanZhong等[16,17]对于在不同促进层表面的珠状凝结换热进行了

6、实验研究。现在对于珠状凝结的理论研究一般在准稳态方式下进行。主要针对珠状凝结的两方面进行：给定液珠尺寸的换热特性的研究以及液珠尺寸分布的研究。Rose模型[11,14,15]在研究单个液珠换热时，考虑了表面曲率对相平衡温度的影响、相界面传热传质阻力以及液珠自身的导热热阻。Rose对于液珠尺寸的研究仅限于较大液珠，即由合并方式生长的液珠，而直接凝结生长的液珠对珠状凝结换热也有重要影响[7,15]。WU和JERRUMAA[20,21]提出了众数平衡理论，对直接凝结生长的液珠进行尺寸分布的研究。Mousa[

7、22]利用众数平衡理论推导出了直接冷凝长大的液珠的尺寸分布。且在计算单个液珠热阻时，增加了促进层热阻对换热的影响。另外Mousa还研究了忽略促进层热阻以及只考虑液珠自身导热这两种情况。Vemuri等[18,23]亦采用众数平衡理论对水平管外的珠状凝结换热模型进行了理论研究，其仅考虑了液珠自身的导热热阻以及气液相界面的传热热阻，而忽略了由于液珠表面曲率而产生的热阻和凝结表面所涂的促进层热阻。Kim[19]在分析水平圆管外的珠状凝结的液珠导热时的热阻，提出了一种新的分析思路：对相邻的等温层之间的温差进行积

8、分，得到液珠导热热阻。宋永吉等[3]从吸附观点出发，提出了液珠与液膜共存的珠状凝结物理模型。其认为，液珠之间存在连续的液膜，液膜与液珠可以看作出于动态平衡之中。通过整个凝结表面的换热量由通过所有液珠的换热量和通过所有液膜区的换热量加和得到。基于吸附理论以及众数平衡理论，并且考虑了液珠自身的对流效应，唐桂华等[24]建立了水平管外液珠和液膜共存的珠状凝结模型。杨春信等[25,26]]首次提出，珠状凝结是一种典型的分形生长过程，其应用随机分形模型建立了珠状凝