混合工质Marangoni凝结瞬态过程特性及其管内流动凝结换热机理研究

Marangoni condensation of mixture vapors suggests a new way to achieve dropwise condensation in industrial applications. In the present project, the transient process characteristics of Marangoni condensation of mixture vapors and heat transfer mechanics of flow condensation inside tubes will be investigated by employing both experimental and theoretical analysis methods. With the research thought of realizing the phenomena, obtaining the characteristics, revealing the mechanism, modeling and optimizing the parameters, the representative working mediums in positive system will be chosen, and the transient process of Marangoni condensation will be conducted experimentally. The variation rules of the parameters for the condensation modes and droplets movement behaviors and the relationship with heat transfer characteristics during the transient process will be obtained, and the condensation heat transfer mechanics will be revealed. For the purpose of optimizing the quasi-steady process characteristics, the droplets control strategy will be proposed based on the transient process characteristics. In addition, the flow pattern map and the heat transfer and pressure drop performance will be obtained experimentally under different vapor parameters and geometry parameters of the flow channel. The theoretical analysis will be carried out to understand the condensation heat transfer mechanism inside tubes. The optimal ranges for the parameters will be suggested considering both the heat transfer and pressure drop characteristic. The project will provide new ways to achieve the active regulation and heat transfer enhancement for condensation of mixture vapors inside tubes, and also supply the groundwork for the application of Marangoni condensation.

混合工质Marangoni凝结为在工业条件下实现珠状凝结提供了新的思路。本项目采用实验与理论相结合的方法对混合工质Marangoni凝结瞬态过程特性及其管内流动凝结换热机理开展研究，按照认清现象、掌握规律、揭示机理、建立模型、优化参数的研究思路，选取代表性的正系统工质，开展瞬态过程凝结实验，获得瞬态过程凝结形态、液珠运动行为等定量表征参数的变化规律及与换热特性的对应量化关系，揭示瞬态过程凝结换热机理，以准稳态过程特性优化为目的，提出基于瞬态过程特性的液珠调控策略；在以上研究基础上，开展不同蒸气参数以及流道几何参数条件下的管内流动凝结实验，获得管内Marangoni凝结流型图、凝结换热与阻力特性，揭示管内Marangoni凝结换热机理，优化得到综合考虑换热与流动性能的工质参数区间。本项目为混合工质凝结主动调控及管内凝结强化换热提供新的途径，为Marangoni凝结应用奠定基础。

由Marangoni效应驱动所形成的Marangoni凝结是一种新的实现珠状凝结的方法，所形成的非膜状凝结形态可以长时间维持。本项目以水-酒精混合蒸气作为代表性工质，采用理论与实验相结合的方法对水平表面Marangoni凝结瞬态过程及管内流动凝结过程开展了系统研究。针对水平表面混合工质Marangoni凝结瞬态过程，提出了一种基于红外测温技术的凝结液珠图像边缘提取方法，得到了液珠表面温度、表面张力、表面温度梯度和表面张力梯度的变化规律，并得到了瞬态过程中液珠的生长合并规律和移动特性。结果表明，液珠表面温度梯度和表面张力梯度随液珠尺寸增加先升高后降低，在液珠半径约为0.2~0.4 mm时达到最大值；当液珠表面温度梯度大于5℃·mm-1时，液珠快速生长，当整体凝结液表面温度梯度高于3℃·mm-1时，液珠覆盖率迅速增大；瞬态过程中液珠移动速度范围为-33.6~43.4 mm·s-1，建立了液珠移动速度计算模型，计算值与实验值的误差范围为-30%~+35%；建立了水-酒精混合蒸气Marangoni凝结换热实验关联式，计算误差在-28.2%~18.0%。从宏观的角度来看，管内凝结可以认为是初始条件连续变化的外部凝结过程，其本质上也是一段距离内连续的瞬态过程的宏观平均。因此，在水平表面混合工质Marangoni凝结瞬态过程研究基础上，设计并搭建了混合工质管内Marangoni凝结实验系统，开展了不同混合蒸气浓度、蒸气质量流量、干度、蒸气入口饱和压力、流道倾斜角度等参数下的流动凝结实验，得到了不同工况下的凝结流型、换热特性和阻力特性。实验结果显示，管内凝结存在膜状、膜状+珠状、珠状、波状分层流、波状环状流等多种流型；管内压降随着蒸气质量流率和蒸气干度的增加逐渐增大，随酒精蒸气浓度的增加而降低；随着混合蒸气浓度的增加，传热强化的效果先增大后减小，在混合蒸气浓度为1%时，传热的效果最好；随着过冷度的增加，管内平均传热系数逐渐降低。基于实验结果，建立了混合工质管内 Marangoni凝结换热与阻力特性的计算模型，计算误差在±10%以内。本项目丰富了混合工质凝结领域的研究，为非膜状主动调控及管内凝结强化换热提供了新的途径，对推动Marangoni凝结的工业应用提供了理论支撑，具有重要的学术意义和工程实用价值。