吳凡，胡申華，高策

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院熱能動(dòng)力系，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

雙組分混合蒸氣在固體表面凝結(jié)時(shí)，當(dāng)高沸點(diǎn)組分的表面張力大于低沸點(diǎn)組分的表面張力時(shí),如果出現(xiàn)微小的擾動(dòng)，在凝結(jié)表面的凝結(jié)液會(huì)產(chǎn)生Marangoni對(duì)流.使得凝結(jié)表面液膜厚度不均勻，形成類似珠狀的凝結(jié)狀態(tài)，一般稱為Marangoni珠狀凝結(jié)或Marangoni凝結(jié).Mirkovich和Missen[1]于1961年首先拍攝到了相溶性雙組分混合蒸氣的這種非膜狀凝結(jié)現(xiàn)象.1968年，F(xiàn)ord和Missen[2]兩位學(xué)者用公式表示了出現(xiàn)“Marangoni現(xiàn)象”的條件.Fuji[3]測(cè)量了CFC12/CFC114和CFC114/CFC11混合物在水平管上凝結(jié)時(shí)的傳熱系數(shù)和空氣對(duì)熱傳遞的影響.Morrison[4]報(bào)道了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%～0.88%的氨水混合物，其傳熱系數(shù)能提高13%.Chris和Joe[5]研究了在水平管殼式冷凝器通過加入少量氨實(shí)現(xiàn)了水蒸氣換熱的增強(qiáng)，得出加入氨水濃度在0.2～0.9%，平均傳熱系數(shù)提高了14%.這種現(xiàn)象本質(zhì)上不同于疏水表面上形成的珠狀凝結(jié)，它發(fā)生在親水表面，且液滴形成的過程中有一層液膜存在于其表面上.Hijikata[6]指出在這種Marangoni凝結(jié)現(xiàn)象或“Pseudo-dr-opwise”發(fā)生時(shí)，液膜存在不穩(wěn)定性，液膜表面的任何擾動(dòng)會(huì)使液膜厚度出現(xiàn)差異，且表面張力的差值比其絕對(duì)值對(duì)Marangoni凝結(jié)現(xiàn)象的影響更大.Utaka和Terachi[7,8]進(jìn)行了水-酒精混合蒸氣的Marangoni凝結(jié)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為過冷度是凝結(jié)現(xiàn)象的主要影響因素.同時(shí)Ukata與他的同事也研究了傳熱系數(shù)與蒸氣濃度（Utaka和Wang[9]）、與蒸氣流速（Utaka和Kobayashi[10]）的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)在水蒸氣中加入非常少量的酒精（0.5%或更少）較純水蒸氣凝結(jié)換熱增強(qiáng)2～8倍.同時(shí)在對(duì)整體溫度梯度的研究中Utaka[11]和他的同事提出由于表面液膜的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了Marangoni現(xiàn)象的發(fā)生.應(yīng)用整體表面溫度梯度在失重或水平凝結(jié)表面的Marangoni冷凝區(qū)域，凝結(jié)液滴可不受任何外力而自發(fā)運(yùn)動(dòng).Murase[12]研究了水平管上Marangoni酒精蒸氣混合物的冷凝現(xiàn)象.這些結(jié)果呈現(xiàn)出與Ukata和Wang所做的豎直面凝結(jié)相同的趨勢(shì)，細(xì)微的差別可以解釋為幾何因素，而傳熱系數(shù)依賴于過冷度和蒸氣流速.Utaka和Nishikawa[13]利用激光吸收技術(shù)研究了水-酒精凝結(jié)液膜的厚度，確認(rèn)了“Pseudo-dropwise”中低層薄液膜的厚度一般為1 um.在穩(wěn)定的整體溫度梯度條件下Utaka和Kamiyama[14]對(duì)水平和相關(guān)的換熱表面整體表面張力梯度在冷凝液滴滴落過程中的影響進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)了凝結(jié)液滴從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在凝結(jié)表面液滴滴落速度隨表面張力梯度增加而增大，而且滴落速度與液滴大小無關(guān).嚴(yán)俊杰[15]等進(jìn)行了水-酒精混合蒸氣在豎直平板表面的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)，分析了蒸氣濃度與壓力對(duì)凝結(jié)換熱的影響.王進(jìn)仕[16]研究了具有溫度梯度的試驗(yàn)塊表面對(duì)傳熱系數(shù)的影響.而對(duì)于水和酒精混合工質(zhì)在水平管外的研究還比較少，尤其是對(duì)水平圓管橫截面的Marangoni現(xiàn)象的研究還未見報(bào)道，本文設(shè)計(jì)搭建了水平管外的Marangoni凝結(jié)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同酒精濃度下水平圓管的橫截面各點(diǎn)的傳熱系數(shù)的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及計(jì)算方法

Marangoni凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1，分為混合工質(zhì)循環(huán)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng).混合工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)由蒸氣發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)管段、板式換熱器、回流管路等組成.輔助冷凝器是為了凝結(jié)在圓管內(nèi)未完全凝結(jié)的混合蒸氣.冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水循環(huán)水泵、冷卻水箱、變頻器和相應(yīng)的管路組成，通過變頻器可改變冷卻水流速，且與蒸氣流動(dòng)方向相反.抽真空系統(tǒng)用來排除系統(tǒng)中的不凝結(jié)氣體，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性.在實(shí)驗(yàn)管段設(shè)置了視窗，利用CCD攝像頭對(duì)凝結(jié)狀態(tài)進(jìn)行觀察和記錄.實(shí)驗(yàn)用厚度0.68 mm，有效長(zhǎng)度1 000 mm，外徑16.00 mm，內(nèi)徑13.33 mm的紫銅管作為實(shí)驗(yàn)管段.熱電偶沿銅管軸向布置，直接焊接在銅管表面，Djordjevic[17]驗(yàn)證了這種測(cè)溫方法是可行的.共布置5處，每處沿銅管外壁間隔90?布置3對(duì)熱電偶，一共15對(duì)熱電偶.實(shí)驗(yàn)管段及熱電偶的布置見圖2.熱電偶采用經(jīng)過標(biāo)定的銅-康銅T型熱電偶.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

根據(jù)能量守恒原理：蒸氣的熱流量Φ全部轉(zhuǎn)換為冷卻水的吸熱量Q.即

式中：c、qm、tfo和tfi分別為冷卻水比熱容（J/（kg·?C））、質(zhì)量流量（kg/s）、出口水溫（?C）和進(jìn)口水溫（?C）.

圖2 實(shí)驗(yàn)管段測(cè)溫區(qū)域熱電偶分布簡(jiǎn)圖

管外側(cè)壁面的實(shí)驗(yàn)傳熱系數(shù)hexp

式中：do、l、tfo和two分別為銅管外徑（m）、有效長(zhǎng)度(m)、飽和蒸氣溫度(?C)和管壁面溫度(?C).

管外側(cè)蒸氣層流膜狀凝結(jié)理論表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hth為

式中：r、λ、ρ和η分別為汽化潛熱(J/kg)、導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))、蒸氣密度(kg/m3)和動(dòng)力粘度(Pa·s).

在運(yùn)行過程中，管內(nèi)、外側(cè)常會(huì)積起各種污垢，由于本實(shí)驗(yàn)過程均采用的是新管材，故忽略其污垢熱阻項(xiàng).

利用文獻(xiàn)[18]的方法對(duì)h的不確定度進(jìn)行分析.導(dǎo)熱系數(shù)λ的不確定度取2%，溫度T的不確定度取0.1?C，d的不確定度取0.02 mm，傳熱系數(shù)h的不確定性為4%～19%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文獻(xiàn)[7～10]的研究表明，混合蒸氣酒精含量是Marangoni凝結(jié)換熱特性最重要的影響因素.本文在蒸氣壓力分別為50 Kpa、70 kPa，蒸氣流速為0.46 m/s的條件下進(jìn)行了酒精蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～20%的實(shí)驗(yàn)，觀察了不同工況下的凝結(jié)形態(tài)，得到了多個(gè)酒精含量下凝結(jié)表面上溫度梯度和濃度梯度耦合時(shí)的Marangoni凝結(jié)換熱特性.

2.1 凝結(jié)狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了凝結(jié)形態(tài)的可視化，并拍攝了純水蒸氣、水-酒精混合物的凝結(jié)畫面.如圖3所示，從圖中可以看出，純水蒸氣的凝結(jié)狀態(tài)基本上一直為膜狀，但液膜并不平整，可看到明顯的波紋差異.這說明實(shí)驗(yàn)中凝結(jié)表面上的溫度梯度所引起的表面張力差異，雖然不足以使液膜撕裂，但卻對(duì)液膜起到了明顯的擾動(dòng)作用.混合蒸氣的凝結(jié)形態(tài)一般都為非膜狀，而具體形態(tài)與蒸氣中的酒精含量、過冷度有關(guān).細(xì)小液滴在銅管的底部匯集成較大的液滴后，最后由于重力的作用，跌落下來.

圖3 凝結(jié)形態(tài)

2.2 凝結(jié)傳熱特性

在實(shí)驗(yàn)中一共可以計(jì)算出15個(gè)不同局部的傳熱系數(shù).考慮實(shí)驗(yàn)試件形狀的對(duì)稱性及15個(gè)可計(jì)算的局部在實(shí)驗(yàn)試件上所處的位置特點(diǎn)，選擇了其中處于典型位置的3點(diǎn)：S3、S6、S15來分析凝結(jié)換熱規(guī)律.

圖4所示為S6點(diǎn)在不同酒精含量下混合蒸氣凝結(jié)傳熱特性曲線，從圖4可以看出，酒精濃度C=1%、2%和5%時(shí)，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化趨勢(shì)規(guī)律相似，在較小的過冷度區(qū)域凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的增加而下降；在過冷度大約為6～10 K時(shí)，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度變化的趨勢(shì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，凝結(jié)傳熱數(shù)隨過冷度的增加而增大，且增加趨勢(shì)逐漸變緩，然后開始下降，出現(xiàn)了一個(gè)小的波峰；當(dāng)C=10%、20%時(shí)，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化與低濃度時(shí)變化趨勢(shì)相似，表現(xiàn)為中小過冷度(T<12 K左右)時(shí)，凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的增加而變小，維持在一定的的數(shù)值范圍.達(dá)到某一過冷度時(shí)，凝結(jié)傳熱系數(shù)開始隨著過冷度的增加而緩慢增加，直至達(dá)到峰值，其后凝結(jié)傳熱系數(shù)隨著過冷度的增加開始下降.

圖4 不同酒精濃度下S6點(diǎn)凝結(jié)特性曲線

2.3 蒸氣壓力對(duì)凝結(jié)傳熱特性影響

圖5 所示為C=2%、20%，V=0.46 m/s流速下、不同壓力時(shí)三個(gè)測(cè)點(diǎn)凝結(jié)特性曲線，從圖中可以看出，凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)總體是在下降，但也如圖4一樣出現(xiàn)了波峰，且S3、S6和S15三個(gè)測(cè)點(diǎn)均是S3的傳熱系數(shù)在同過冷度條件下最大，S6和S15則排在其后.在C=2%時(shí)，蒸氣壓力對(duì)傳熱系數(shù)的影響較大，同一測(cè)點(diǎn)蒸氣壓力越大其傳熱系數(shù)越高，且S6測(cè)點(diǎn)的傳熱系數(shù)明顯大于S15測(cè)點(diǎn)；在C=20%時(shí)，蒸氣壓力對(duì)傳熱系數(shù)的影響并不明顯，只有S3測(cè)點(diǎn)可看出蒸氣壓力對(duì)其傳熱系數(shù)具有一定影響，而在S6和S15測(cè)點(diǎn)蒸氣壓力幾乎沒有影響，且S6測(cè)點(diǎn)的換熱特性曲線與S15測(cè)點(diǎn)線性基本一致.

圖5 不同壓力下S3、S6、S15凝結(jié)換熱特性

2.4 酒精濃度對(duì)凝結(jié)換熱特性影響的分析

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在酒精含量不同時(shí)，所有不同位置處的凝結(jié)傳熱系數(shù)隨過冷度的變化趨勢(shì)基本相同.對(duì)于不同酒精含量下的混合蒸氣，S3點(diǎn)處的凝結(jié)傳熱系數(shù)均為最大，S15點(diǎn)處的傳熱系數(shù)均為最小，S6點(diǎn)處的傳熱系數(shù)居中，但在不同的酒精含量下，不同位置之間的傳熱系數(shù)差值不盡相同，在C=2%時(shí)差值較大，而在C=20%時(shí)S6測(cè)點(diǎn)與S15測(cè)點(diǎn)換熱特性曲線基本一致.

圖6 不同酒精濃度下S3、S6、S15凝結(jié)換熱特性

凝結(jié)表面上不同局部(文中的S3、S6和S15三點(diǎn))具有不同的傳熱系數(shù)，初步分析是由于凝結(jié)表面不同局部的表面張力梯度不同，從而引起局部凝結(jié)熱阻有差異，最終使凝結(jié)表面各局部的Marangoni對(duì)流強(qiáng)弱有別，各局部換熱效果自然不同.而引起表面張力梯度的原因是由于冷卻水流向與蒸氣相反，且測(cè)點(diǎn)S3在蒸氣出口處，所以相較測(cè)點(diǎn)S6表面形成的凝結(jié)液珠在蒸氣的沖刷下更快的滴落.當(dāng)然對(duì)測(cè)點(diǎn)S15的影響更大，所以從圖6中可以看出：S15點(diǎn)處的傳熱系數(shù)會(huì)最小，S3點(diǎn)處的傳熱系數(shù)最大.

3 理論分析

對(duì)于圖5所表現(xiàn)出的壓力對(duì)換熱效果的影響可分析為水-酒精的凝結(jié)液為正極系統(tǒng)，其表面張力與濃度和溫度具有下列關(guān)系

當(dāng)c為揮發(fā)份的濃度時(shí)一定有

所以

其中σ為凝結(jié)液膜的表面張力.C為低沸點(diǎn)工質(zhì)的濃度，t為凝結(jié)液膜的表面溫度，sat指飽和狀態(tài).由式（6）可知表面張力隨溫度的升高而增大，在實(shí)驗(yàn)中可知，凝結(jié)液溫度隨相平衡壓力的升高而升高，因此在相同過冷度、相同濃度和流速條件下，凝結(jié)液的表面張力隨相平衡壓力的升高而增大，表面張力的增大會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)液膜內(nèi)的擾動(dòng)增強(qiáng)，從而使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)得到提高.對(duì)于液膜內(nèi)酒精濃度的影響，壓力的增加會(huì)使凝結(jié)液內(nèi)的酒精濃度增加而降低表面張力，但濃度增大的幅度遠(yuǎn)小于溫度增大的幅度，因此，此時(shí)可認(rèn)為壓力引起凝結(jié)液溫度提高從而對(duì)表面張力的提高起主導(dǎo)作用，所以圖5中低濃度時(shí)壓力對(duì)換熱效果的影響很明顯.

對(duì)二元混合蒸氣的凝結(jié)，氣側(cè)到凝結(jié)表面存在兩個(gè)熱阻，一個(gè)是蒸氣側(cè)到凝結(jié)液面的擴(kuò)散熱阻Rdiff，另一個(gè)是液膜的導(dǎo)熱熱阻Rl；2004年，Chris Philpott[5]進(jìn)行了氨水的實(shí)驗(yàn)，他指出在最低濃度的氨蒸氣中，Rl遠(yuǎn)大于Rdiff，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)；隨著濃度的增加，Rdiff逐漸增大，最終超過Rl而占據(jù)支配地位.從其實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以推斷出在低濃度時(shí)，擴(kuò)散熱阻相比導(dǎo)熱熱阻小很多，可不用考慮；但當(dāng)濃度增大后，就必須考慮擴(kuò)散熱阻的值，且考慮為主導(dǎo)因素.所以在圖5中高濃度時(shí)壓力對(duì)換熱效果的影響并不明顯.

圖6所表現(xiàn)的酒精蒸氣含量對(duì)凝結(jié)傳熱系數(shù)的影響可分析為：低濃度時(shí)，在液膜內(nèi)部存在由濃度差引起的Marangoni對(duì)流，Marangoni對(duì)流表面張力的差異增大了液膜的擾動(dòng)，最終使得凝結(jié)液膜被撕裂，成珠狀凝結(jié)，傳熱系數(shù)增大.高濃度時(shí)，導(dǎo)熱熱阻Rl跟擴(kuò)散熱阻比較起來，處于從屬地位，也就是Marangoni效應(yīng)對(duì)整個(gè)熱阻的影響幾乎可以不用考慮.所以，在濃度較高時(shí)，傳熱系數(shù)反倒下降.所以對(duì)于蒸氣沖刷效果在低濃度時(shí)可以明顯影響三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的傳熱系數(shù)，而在高濃度時(shí)由于加入擴(kuò)散熱阻因素的考慮，三點(diǎn)之間的傳熱系數(shù)差值反而逐步接近.但實(shí)驗(yàn)中C=1%時(shí)傳熱系數(shù)最大還是可以確定的.

圖5、6中出現(xiàn)的換熱特性曲線波峰可由圖7來解釋.在表面過冷度較小的情況下(A-B)，酒精凝結(jié)量較少，凝結(jié)形態(tài)一般為膜狀或溪狀，酒精蒸氣在氣液界面處堆積，造成很大的氣相質(zhì)量擴(kuò)散熱阻.擴(kuò)散熱阻在B點(diǎn)開始降低，因?yàn)槟Y(jié)液膜的溫度開始降低到氣液相平衡圖上該濃度下的液相溫度，即酒精開始大量凝結(jié)，導(dǎo)致擴(kuò)散熱阻大為降低，凝結(jié)側(cè)總的熱阻隨酒精的凝結(jié)也逐漸的減小，于是BC上升區(qū)傳熱系數(shù)急劇增大，凝結(jié)形態(tài)逐漸過渡到穩(wěn)定的珠狀凝結(jié)，達(dá)到傳熱系數(shù)的峰值后(C)，傳熱系數(shù)開始下降，凝結(jié)形態(tài)也逐漸過渡到膜狀(D).

圖7 Marangoni凝結(jié)傳熱特性曲線

4 結(jié)論

對(duì)純水蒸氣而言，蒸氣流速對(duì)凝結(jié)換熱特性影響較小.對(duì)水-酒精二元混合蒸氣而言，傳熱系數(shù)隨蒸氣流速增加而增加，增值幅值與酒精濃度相關(guān).酒精濃度在1%時(shí)傳熱系數(shù)達(dá)到最大值.此后，隨著濃度的增大，傳熱系數(shù)逐漸下降，高濃度下的傳熱系數(shù)甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純工質(zhì)凝結(jié).壓強(qiáng)的增大能增強(qiáng)換熱效果，但在高濃度時(shí)影響并不明顯.且不同區(qū)域傳熱系數(shù)有差異，靠近蒸氣入口的測(cè)點(diǎn)其換熱效果大于遠(yuǎn)離入口的，在高濃度時(shí)橫截面上各測(cè)點(diǎn)換熱效果差異不大.這歸因于二元混合蒸氣的凝結(jié)存在擴(kuò)散熱阻Rdiff和液膜的導(dǎo)熱熱阻Rl；低濃度時(shí)，Rl遠(yuǎn)大于Rdiff，由于Marangoni效應(yīng)，濃度差引起的表面張力差使得凝結(jié)形態(tài)呈現(xiàn)出珠狀凝結(jié)，傳熱系數(shù)大為增強(qiáng).而隨著濃度的增大，Rdiff占據(jù)支配地位，盡管凝結(jié)形態(tài)仍然是珠狀，但總的熱阻是增大的，傳熱系數(shù)減小.