混合工质在换热器中的凝结及凝结特性的研究

本项目以具有正系统(Positive System)特征的双组分混合工质凝结换热特性为研究对象，在换热器中采用实验和数值模拟方法对Marangoni凝结换热进行研究。在实验中通过改变双组分的浓度、换热器内部压力和蒸汽流速，系统研究换热器的换热系数与上述因素的关系。并通过观测其凝结换热状态变化，分析各种凝结状态之间的转换规律，同时，详细测量浓度、温度、压力对双组分混合工质表面张力的影响，为研究双组分溶液的强化机理及理论计算提供必要的实验基础，最终建立Marangoni凝结在换热器中的物理数学模型和一套实用的包含浓度、压力、表面张力等因素的混合工质在换热器中凝结换热表面传热系数的计算方法，进而为设计使用混合工质蒸气凝结的换热器提供计算依据。本项目将对探索混合工质在换热器中的应用，对拓展Marangoni凝结换热的研究和换热器的优化设计具有重要学术意义和应用价值。

利用搭建的Marangoni凝结换热实验系统，以水-酒精混合蒸气为工质，在不同蒸气流速(2m•s-1、4m•s-1、6m•s-1)和压力(31.2kPa、47.4kPa、84.5kPa)条件下，进行了不同酒精浓度(0%、0.5%、1%、2%、5%、20%、50%)的混合蒸气在紫铜圆管（外径16.00mm，内径13.33mm，长度1000mm）外的凝结换热实验，分析了过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气流速、蒸气压力等参数对换热系数的影响规律；为建立换热计算模型，设计搭建了真空腔，完成了对不同浓度、温度、压力下的混合工质的表面张力的测量。考虑Marangoni凝结的特点，将其视为混合蒸气的珠状凝结，建立了包含考虑过冷度、酒精蒸气浓度、蒸气压力和流速等参数影响的混合蒸气Marangoni凝结换热特性计算模型。.凝结面测量截面处的平均凝结表面传热系数随过冷度的变化趋势受酒精蒸气浓度影响：在0.5%和1%浓度时，平均传热系数随过冷度增加呈现持续下降趋势；当浓度大于等于2%时，平均传热系数随过冷度增加呈现出先增加直至峰值然后又下降的非单调变化规律。混合蒸气最大的平均凝结表面传热系数出现在1%浓度时，0.5%浓度的结果次之，而当酒精蒸气浓度大于等于2%时，随着浓度增加，平均传热系数单调减小。随着蒸气流速与压力的增加，平均凝结表面传热系数均逐渐增加，且在低酒精浓度区域增幅较大。.采用全自动表面张力仪，运用铂金环法，在不同温度下对不同浓度的酒精溶液的表面张力进行了测量，并进一步探索负压下不同浓度的酒精溶液的表面张力。通过实验，绘出了不同浓度、温度及压力下的酒精溶液的表面张力曲线图，总结出了浓度、温度和压力对酒精溶液表面张力的影响；酒精溶液的表面张力随浓度和温度的升高而逐渐降低，随压力的升高而微略升高。.考虑Marangoni凝结的特点，将其视为混合蒸气的珠状凝结，从空间中分为凝结液层和蒸气扩散层两部分，分别采用珠状凝结计算模型和求解控制方程的方法得到各部分换热特性，再通过共同的边界——气液相界面耦合确定整个凝结过程的换热特性，从而建立了混合蒸气Marangoni凝结换热特性计算模型。计算得到的凝结表面传热系数随过冷度、蒸气流速与压力的变化趋势与实验规律基本一致，在凝结表面传热系数峰值附近的区域，计算值和实验值的偏差基本在 53%以内。