一种混合蒸气冷凝强化传热方法转让专利
申请号 : CN200710012021.5
文献号 : CN101082471B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 马学虎 , 周兴东 , 兰忠 , 白涛
申请人 : 大连理工大学
摘要 :
一种混合蒸气冷凝强化传热方法，属强化传热与节能技术领域，具体涉及换热表面的改性或处理过程，应用到含不凝气或混合蒸气冷凝换热设备中，实现冷凝传热特性的强化。改变冷凝液流动形态及动态与气相边界层相互作用，使常规稳态膜状流动方式的冷凝液变为以大液滴形态脱落，液滴可以在表面上脉动滑落或沿气相边界层脱落，可以减小冷凝液膜热阻，同时由于液滴脱落的扰动作用，有利于减薄传热和传质边界层，使混合蒸气冷凝总传热特性得到强化。本发明可广泛用于混合工质或含有不凝气的冷凝器中，其效果和益处是不需要任何附加功耗情况下，仅利用冷凝液自身的重力作用就能够使混合蒸气传热特性的到明显改善。
权利要求 :
1.一种混合蒸气冷凝强化传热方法，该方法所用换热表面是竖直圆管表面，冷凝发生在圆管外表面，或采用竖直板式换热表面；采用在不同方向加截流环和引流通道对换热表面进行处理，引流通道是竖直向下的引流丝或舌形引流片；所述引流通道的间距为6～10mm，在该混合蒸气冷凝强化传热方法中，冷凝液以液滴形态脉动脱落。
2.根据权利要求1所述的一种混合蒸气冷凝强化传热方法，其特征在于：沿竖直方向对换热表面采用涂覆低表面能有机涂层改性。
3.根据权利要求1所述的一种混合蒸气冷凝强化传热方法，其特征在于：截流环布置间距为30～40mm，并根据热通量进行调节截流环布置间距。
说明书 :
技术领域
本发明属于强化传热与节能技术领域，具体涉及一种强化传热表面的制备方法及其应用。具体地说是对换热表面进行处理，并将其应用到含不凝气或混合蒸气冷凝换热设备中。
背景技术
少量不凝气的存在就会对冷凝传热过程有很大影响。同样，相对于单组分工质的冷凝，非共沸混合工质冷凝传热特性将明显下降。但是，含不凝气或混合蒸气冷凝传热传质过程在石油、化工、制冷、电力等工业生产中有着广泛的应用背景。如混合气体中的腐蚀性组分的吸收；天然气锅炉烟道气中湿蒸气的低品位热焓利用；有机混合蒸气冷凝、非共沸组分的分离及核反应堆的冷却过程等，与单组分蒸汽相比其传热机理和特性都明显不同。通常影响传递过程的主要因素是气液相界面处集聚的不凝气层对气相扩散过程的阻碍作用，蒸汽分子的冷凝或吸收过程都必须克服不凝气层的扩散传质阻力。因此强化混合蒸气的冷凝机制可归结为：减薄传质边界层厚度和提高气相传质层内冷凝蒸汽的浓度梯度。实际应用中对混合蒸气冷凝过程的强化有多种方法，如增加混合蒸气的流速；安装折流板、扰流丝；外加电场、磁场以及对冷凝工质采用间歇紊流进料等方法，这些方法使传递得到强化的同时功耗也相应增加。在提高换热效率的同时应最大限度降低能耗，尤其对操作条件有严格限制的情况，对强化传热技术将提出更高的要求。过增元(1.GUO Zeng-yuan(过增元).Physicalmechanism and control of convection heat transfer：harmony of velocity field andheat flux field[J].Chinese Science Bulletin(in Chinese)(科学通报)，2000，45(19)：2118-2122.)提出的对流传热场协同机制在新的层面上审视了强化传热技术，在此基础上将场协同扩展到传质过程的强化，场协同机制与现有传热强化技术的不同就是强调利用小的能耗来实现传热的最大化。
在设计换热器时，通常会考虑到冷凝液动态行为对换热效率的影响，合理排列冷凝管束来降低冷凝液和气相传质的热阻。而在含有不凝性气体的混合蒸气冷凝过程中，由于控制热阻的转移，对冷凝液热阻及其动态行为的关注则相对较少。Park等，Karapantsios和Karabelas在对竖直长冷凝表面上的降膜冷凝研究中发现冷凝液膜的波动对传热系数有促进作用，并且冷凝液膜波动雷诺数越大，蒸汽侧的冷凝传热系数越大。作者曾对滴状冷凝含有不凝气时的传热特性进行了实验研究，也发现液滴的运动对气相传质过程有明显的强化作用[11]。(2.Park S K，Kim M H，Yoo K J.Condensation of pure steam andsteam-air mixture with surface waves of condensate film on a verticalwall[J].Int J Multiphase Flow，1996，22(6)：893-908.3.Park S K，KimM H，Yoo K J.Effects of a wavy interface on steam-air condensation ona vertical surface[J].Int J Multiphase Flow，1997，23(6)：1031-1042.4.Karapantsios T D，Karabelas A J.Direct-contact condensables overfree-falling films with intermittent liquid feed[J].Int J Heat MassTransfer，1995，38(5)：795-805.5.ZHOU Xing-Dong(周兴东)，MA Xue-Hu(马学虎)，ZHANG Yu(张宇)et al.Experimental investigation of dropwisecondensation in the presence of non-condensable gas(含有不凝气体的蒸汽滴状冷凝实验研究)[J].J of Eng Thermophysics(工程热物理学报)，2004，25(6)：1001-1003.)
在设计换热器时，通常会考虑到冷凝液动态行为对换热效率的影响，合理排列冷凝管束来降低冷凝液和气相传质的热阻。而在含有不凝性气体的混合蒸气冷凝过程中，由于控制热阻的转移，对冷凝液热阻及其动态行为的关注则相对较少。Park等，Karapantsios和Karabelas在对竖直长冷凝表面上的降膜冷凝研究中发现冷凝液膜的波动对传热系数有促进作用，并且冷凝液膜波动雷诺数越大，蒸汽侧的冷凝传热系数越大。作者曾对滴状冷凝含有不凝气时的传热特性进行了实验研究，也发现液滴的运动对气相传质过程有明显的强化作用[11]。(2.Park S K，Kim M H，Yoo K J.Condensation of pure steam andsteam-air mixture with surface waves of condensate film on a verticalwall[J].Int J Multiphase Flow，1996，22(6)：893-908.3.Park S K，KimM H，Yoo K J.Effects of a wavy interface on steam-air condensation ona vertical surface[J].Int J Multiphase Flow，1997，23(6)：1031-1042.4.Karapantsios T D，Karabelas A J.Direct-contact condensables overfree-falling films with intermittent liquid feed[J].Int J Heat MassTransfer，1995，38(5)：795-805.5.ZHOU Xing-Dong(周兴东)，MA Xue-Hu(马学虎)，ZHANG Yu(张宇)et al.Experimental investigation of dropwisecondensation in the presence of non-condensable gas(含有不凝气体的蒸汽滴状冷凝实验研究)[J].J of Eng Thermophysics(工程热物理学报)，2004，25(6)：1001-1003.)
发明内容
本发明的目的是在不引入附加能耗情况下，仅利用重力作用下冷凝液的运动行为，实现蒸汽流动与扩散传质的协同来强化混合蒸气冷凝传热传质过程。
本发明的技术方案是所用换热表面是竖直圆管表面，冷凝发生在外表面，或采用竖直板式换热表面，利用低表面能涂层对换热表面及导流通道进行改性或处理，在表面张力及导流通道的干预下使冷凝液的运动行为发生改变，改变常规膜状冷凝时液膜沿表面流动的形态，使冷凝液以液滴形态脉动脱落，利用冷凝液流动形态及动态与气相边界层相互作用，由此产生的气液界面效应来强化含不凝气或混合蒸气冷凝传热传质过程。
基于场协同机制设计了冷凝液脱落的不同模式换热表面，在冷凝液动态作用下使气相边界层内流场出现了平行扩散传质方向的径向流动，显著改善了浓度梯度场与速度场的协同程度，由液滴运动诱导产生二次流和涡流是本发明表面的主要特征，也是强化混合蒸气冷凝传热特性的本质原因。换热表面可以为竖直圆管，冷凝发生在外表面；也可以为竖直板式换热表面。在设计表面上的冷凝过程表现为滴状冷凝、特殊分割的滴膜共存冷凝及有定向诱导的膜状冷凝三种冷凝形态。在不增加附加功耗的情况下，利用重力场下冷凝液的脱落运动来实现：(1)减薄传质扩散边界层，增加水蒸汽传质扩散方向的速度分量；(2)使浓度梯度场与速度场协同，优化水蒸汽和不凝气传质方向。
以下结合附图1详细说明本发明的内容和主要思路，表面改性处理的制备过程如下：其中本发明主要在于图1中的(b)、(c)和(d)，而图1(a)为实际生产中普遍应用的膜状冷凝(FWC1)，是为了更好的理解本发明，用来作对照说明的。在图1(a)所示常规的冷凝表面上冷凝液膜没有明显的波动现象，尤其当不凝气含量(W∞)较大时，冷凝液流量降低，液膜厚度减小，液膜波动更不明显。(b)表面上冷凝同样是膜状冷凝(FWC2)，不同的是在冷凝管表面每间隔30～40mm设置一个用Teflon表面改性的金属截流环，并在截流环上引出多个舌形引流通道，通道间隔为6～10mm，冷凝液沿着低表面能截流环分别流向指定通道内作定向脱离表面。将该装置局部的截流环和突出的舌形引流通道的放大，如图1(e)所示，其中深色区域为低表面能的表面改性区，受表面张力的影响，冷凝液向表面张力较高的可浸润表面汇聚，在达到一定的体积后在重力作用下迅速从低表面能的尖端脱落。该表面上冷凝液的脱离一方面可以减小冷凝液的热阻，更重要的是冷凝液在气液相界面附近脱落速度较大，可以促进气相边界层与气相主体的掺混作用，同时给边界层内高浓度不凝气以向出口方向的剪切速度。(c)为完全的滴状冷凝(DWC)形态，涂层表面接触角控制在80°～120°，冷凝液在冷凝表面可以随机脱落，液滴的脱落过程合并和冲刷其下方的小液滴，使表面不断地被更新。大液滴的脱落和冲刷除了赋予类似(b)表面的作用外，由于表面冷凝液的瞬态脱离会产生与蒸气扩散方向相同的压力梯度，进而产生了与传质扩散运动协同的脉动速度分量。(d)为滴膜共存特殊形态(DFC)的冷凝表面，深色区为低表面能涂层改性的滴状冷凝部分，竖直方向涂层宽度为5～8mm；涂层在表面的上边缘图案为均匀分布的锯齿形，夹角为30°～45°；齿间距6～10mm。浅色区为膜状冷凝形态，由于表面对水的浸润性不同，冷凝液在重力和表面张力作用下会汇聚到空白区，当冷凝液的重力克服了表面张力的阻滞作用时液滴会沿壁面滑落，形成冷凝液的脉动脱落过程。由于冷凝液是在冷凝表面上的运动，其产生的效果类似长竖直表面上液膜波动对传热传质的影响。沿竖直方向涂层改性或截流环布置间距为30～40mm，并根据热通量可进行优化调节。
以上的冷凝表面设计旨在利用冷凝液与气相的相互作用强化含不凝气或混合蒸气冷凝的传热特性。
本发明的效果和益处是：
本发明所提供的对换热表面进行改性或处理方法，能够起到强化传热、传质的效果。根据混合蒸气冷凝传热特性是由气相边界层内的传质扩散过程所控制这一特点，直接针对边界层传质阻力控制区，施加小的扰动得到传热传质极大的强化。而且，经处理的换热表面能够改变冷凝液的形态和动态来实现边界层内扩散传质和对流传递的协同作用，是无需额外功耗的无源强化技术。
本发明的技术方案是所用换热表面是竖直圆管表面，冷凝发生在外表面，或采用竖直板式换热表面，利用低表面能涂层对换热表面及导流通道进行改性或处理，在表面张力及导流通道的干预下使冷凝液的运动行为发生改变，改变常规膜状冷凝时液膜沿表面流动的形态，使冷凝液以液滴形态脉动脱落，利用冷凝液流动形态及动态与气相边界层相互作用，由此产生的气液界面效应来强化含不凝气或混合蒸气冷凝传热传质过程。
基于场协同机制设计了冷凝液脱落的不同模式换热表面，在冷凝液动态作用下使气相边界层内流场出现了平行扩散传质方向的径向流动，显著改善了浓度梯度场与速度场的协同程度，由液滴运动诱导产生二次流和涡流是本发明表面的主要特征，也是强化混合蒸气冷凝传热特性的本质原因。换热表面可以为竖直圆管，冷凝发生在外表面；也可以为竖直板式换热表面。在设计表面上的冷凝过程表现为滴状冷凝、特殊分割的滴膜共存冷凝及有定向诱导的膜状冷凝三种冷凝形态。在不增加附加功耗的情况下，利用重力场下冷凝液的脱落运动来实现：(1)减薄传质扩散边界层，增加水蒸汽传质扩散方向的速度分量；(2)使浓度梯度场与速度场协同，优化水蒸汽和不凝气传质方向。
以下结合附图1详细说明本发明的内容和主要思路，表面改性处理的制备过程如下：其中本发明主要在于图1中的(b)、(c)和(d)，而图1(a)为实际生产中普遍应用的膜状冷凝(FWC1)，是为了更好的理解本发明，用来作对照说明的。在图1(a)所示常规的冷凝表面上冷凝液膜没有明显的波动现象，尤其当不凝气含量(W∞)较大时，冷凝液流量降低，液膜厚度减小，液膜波动更不明显。(b)表面上冷凝同样是膜状冷凝(FWC2)，不同的是在冷凝管表面每间隔30～40mm设置一个用Teflon表面改性的金属截流环，并在截流环上引出多个舌形引流通道，通道间隔为6～10mm，冷凝液沿着低表面能截流环分别流向指定通道内作定向脱离表面。将该装置局部的截流环和突出的舌形引流通道的放大，如图1(e)所示，其中深色区域为低表面能的表面改性区，受表面张力的影响，冷凝液向表面张力较高的可浸润表面汇聚，在达到一定的体积后在重力作用下迅速从低表面能的尖端脱落。该表面上冷凝液的脱离一方面可以减小冷凝液的热阻，更重要的是冷凝液在气液相界面附近脱落速度较大，可以促进气相边界层与气相主体的掺混作用，同时给边界层内高浓度不凝气以向出口方向的剪切速度。(c)为完全的滴状冷凝(DWC)形态，涂层表面接触角控制在80°～120°，冷凝液在冷凝表面可以随机脱落，液滴的脱落过程合并和冲刷其下方的小液滴，使表面不断地被更新。大液滴的脱落和冲刷除了赋予类似(b)表面的作用外，由于表面冷凝液的瞬态脱离会产生与蒸气扩散方向相同的压力梯度，进而产生了与传质扩散运动协同的脉动速度分量。(d)为滴膜共存特殊形态(DFC)的冷凝表面，深色区为低表面能涂层改性的滴状冷凝部分，竖直方向涂层宽度为5～8mm；涂层在表面的上边缘图案为均匀分布的锯齿形，夹角为30°～45°；齿间距6～10mm。浅色区为膜状冷凝形态，由于表面对水的浸润性不同，冷凝液在重力和表面张力作用下会汇聚到空白区，当冷凝液的重力克服了表面张力的阻滞作用时液滴会沿壁面滑落，形成冷凝液的脉动脱落过程。由于冷凝液是在冷凝表面上的运动，其产生的效果类似长竖直表面上液膜波动对传热传质的影响。沿竖直方向涂层改性或截流环布置间距为30～40mm，并根据热通量可进行优化调节。
以上的冷凝表面设计旨在利用冷凝液与气相的相互作用强化含不凝气或混合蒸气冷凝的传热特性。
本发明的效果和益处是：
本发明所提供的对换热表面进行改性或处理方法，能够起到强化传热、传质的效果。根据混合蒸气冷凝传热特性是由气相边界层内的传质扩散过程所控制这一特点，直接针对边界层传质阻力控制区，施加小的扰动得到传热传质极大的强化。而且，经处理的换热表面能够改变冷凝液的形态和动态来实现边界层内扩散传质和对流传递的协同作用，是无需额外功耗的无源强化技术。
附图说明
图1是本发明所提供的表面处理示意图。其中图1(a)是提供对照的未处理表面，膜状冷凝表面(FWC1)；图1(b)是冷凝液分离表面(FWC2)；图1(c)是完全滴状冷凝表面(DWC)；图1(d)是滴膜共存表面(DFC)；图1(e)是冷凝液膜分离表面(b)的局部放大。
图2是四种冷凝形态的热通量随不凝气含量变化的比较结果(管内冷却水Re＝20660)。
图3是四种冷凝形态的传热系数随不凝气含量变化的比较结果(管内冷却水Re＝20660)。
图2，图3中，FWC1是膜状冷凝表面；DWC为完全滴状冷凝表面；FWC2冷凝液分离表面；DFC为滴膜共存表面。
图2是四种冷凝形态的热通量随不凝气含量变化的比较结果(管内冷却水Re＝20660)。
图3是四种冷凝形态的传热系数随不凝气含量变化的比较结果(管内冷却水Re＝20660)。
图2，图3中，FWC1是膜状冷凝表面；DWC为完全滴状冷凝表面；FWC2冷凝液分离表面；DFC为滴膜共存表面。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例：
以一根铜管为例(长400mm，Φ19mm×1mm)，冷凝段的有效长度为265mm，将其表面进行改性处理，冷凝表面设计示意如图1所示，并分别对设计的表面进行冷凝传热特性实验对比。图1(a)为实际生产中普遍应用的膜状冷凝(FWC1)，在该形态下冷凝液膜没有明显的波动现象，尤其当不凝气含量较大时，冷凝液流量降低，液膜厚度减小，液膜波动更不明显，以此作对照组实验。图1(b)表面上冷凝同样是膜状冷凝(FWC2)，不同的是在冷凝管表面每间隔50mm安装一个用Teflon表面改性的金属截流环，并在对称的方向上引出两个舌形引流通道，冷凝表面竖直方向上平均分布有四个引流环的八个不同方向的引流通道，冷凝液沿着低表面能截流环分别流向两个指定通道内作定向脱离表面。图1(e)图为将该装置的局部的截流环和突出的舌形引流通道的放大，其中深色区域为低表面能的表面改性区，受表面张力的影响，冷凝液向没有改性的可浸润区汇聚，在达到一定的体积后在重力作用下迅速从低表面能的尖端脱落。该表面上冷凝液的脱离一方面可以减小冷凝液的热阻，更重要的是冷凝液在气液相界面附近脱落速度较大，可以促进气相边界层与气相主体的掺混作用，同时给边界层内高浓度不凝气以向出口方向的剪切速度。图1(c)为完全的滴状冷凝(DWC)形态，20℃的室温下采用Data physics OCA20H表面性能测定仪测得冷凝表面静态接触角为116.6°，冷凝液在冷凝表面随机脱落，液滴的脱落过程合并和冲刷其下方的小液滴，使表面不断地被更新。大液滴的脱落和冲刷除了赋予类似(b)表面的作用外，由于表面冷凝液的瞬态脱离会产生与蒸气扩散方向相同的压力梯度，进而产生了与传质扩散运动协同的脉动速度分量。图1(d)为滴膜共存特殊形态(DFC)的冷凝表面，深色区为低表面能的滴状冷凝部分，浅色区为膜状冷凝形态，由于表面对水的浸润性不同，冷凝液在重力和表面张力作用下会汇聚到空白区，当冷凝液的重力克服了表面张力的阻滞作用时液滴会沿壁面滑落，形成冷凝液的脉动脱落过程。由于冷凝液还是在冷凝表面上的运动，其产生的效果类似长竖直表面上液膜波动对传热传质的影响。
对以上设计的冷凝表面进行含不凝气的混合蒸气冷凝实验，考察冷凝液与气相的相互作用对混合蒸气冷凝的影响，结果如图2和图3所示，本发明提供的表面处理技术能够使冷凝液以液滴方式脉动脱落，并对气相边界层的扩散传质进行扰动，与常规的膜状冷凝相比，不但减小了冷凝液热阻，而且强化了气相传热传质特性，使含不凝气的混合蒸气冷凝总传热特性得到明显提高。
实施例：
以一根铜管为例(长400mm，Φ19mm×1mm)，冷凝段的有效长度为265mm，将其表面进行改性处理，冷凝表面设计示意如图1所示，并分别对设计的表面进行冷凝传热特性实验对比。图1(a)为实际生产中普遍应用的膜状冷凝(FWC1)，在该形态下冷凝液膜没有明显的波动现象，尤其当不凝气含量较大时，冷凝液流量降低，液膜厚度减小，液膜波动更不明显，以此作对照组实验。图1(b)表面上冷凝同样是膜状冷凝(FWC2)，不同的是在冷凝管表面每间隔50mm安装一个用Teflon表面改性的金属截流环，并在对称的方向上引出两个舌形引流通道，冷凝表面竖直方向上平均分布有四个引流环的八个不同方向的引流通道，冷凝液沿着低表面能截流环分别流向两个指定通道内作定向脱离表面。图1(e)图为将该装置的局部的截流环和突出的舌形引流通道的放大，其中深色区域为低表面能的表面改性区，受表面张力的影响，冷凝液向没有改性的可浸润区汇聚，在达到一定的体积后在重力作用下迅速从低表面能的尖端脱落。该表面上冷凝液的脱离一方面可以减小冷凝液的热阻，更重要的是冷凝液在气液相界面附近脱落速度较大，可以促进气相边界层与气相主体的掺混作用，同时给边界层内高浓度不凝气以向出口方向的剪切速度。图1(c)为完全的滴状冷凝(DWC)形态，20℃的室温下采用Data physics OCA20H表面性能测定仪测得冷凝表面静态接触角为116.6°，冷凝液在冷凝表面随机脱落，液滴的脱落过程合并和冲刷其下方的小液滴，使表面不断地被更新。大液滴的脱落和冲刷除了赋予类似(b)表面的作用外，由于表面冷凝液的瞬态脱离会产生与蒸气扩散方向相同的压力梯度，进而产生了与传质扩散运动协同的脉动速度分量。图1(d)为滴膜共存特殊形态(DFC)的冷凝表面，深色区为低表面能的滴状冷凝部分，浅色区为膜状冷凝形态，由于表面对水的浸润性不同，冷凝液在重力和表面张力作用下会汇聚到空白区，当冷凝液的重力克服了表面张力的阻滞作用时液滴会沿壁面滑落，形成冷凝液的脉动脱落过程。由于冷凝液还是在冷凝表面上的运动，其产生的效果类似长竖直表面上液膜波动对传热传质的影响。
对以上设计的冷凝表面进行含不凝气的混合蒸气冷凝实验，考察冷凝液与气相的相互作用对混合蒸气冷凝的影响，结果如图2和图3所示，本发明提供的表面处理技术能够使冷凝液以液滴方式脉动脱落，并对气相边界层的扩散传质进行扰动，与常规的膜状冷凝相比，不但减小了冷凝液热阻，而且强化了气相传热传质特性，使含不凝气的混合蒸气冷凝总传热特性得到明显提高。