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表面润湿性与粘附性影响冷凝传热研究

表面润湿性与粘附性影响冷凝传热研究

作者：周儒鸿华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

冷凝是工业系统中常见的一种传热过程,在电站凝气器、空调制冷和电子散热等领域均有着广泛的应用,强化冷凝传热是推动工业技术快速发展的重要手段。冷凝传热效率与液滴的冷凝形态及其成核、生长和脱离速率息息相关,通过改变表面的润湿... 详细信息

冷凝是工业系统中常见的一种传热过程,在电站凝气器、空调制冷和电子散热等领域均有着广泛的应用,强化冷凝传热是推动工业技术快速发展的重要手段。冷凝传热效率与液滴的冷凝形态及其成核、生长和脱离速率息息相关,通过改变表面的润湿性和粘附性,可对液滴的生长及脱落行为进行调控,从而能进一步提高表面的冷凝传热效率。首先,本文通过不同方法在紫铜基底上制备了亲水、超疏水高粘附和超疏水低粘附3类表面,对各表面的接触角及滚动角进行了表征。结合表面微-纳结构特征和表面能差异分析了液滴在高/低粘附表面上的动力学特性,并通过蒸汽冲刷实验测试了表面的可靠性。其次,分析了蒸汽压力对超疏水表面粘附力、液滴脱离直径和表面传热热阻的影响。发现压力的升高会减弱液滴与表面间的粘附作用,使液滴脱离直径减小,从而能减小各表面的传热热阻。由于超疏水高粘附表面的液滴易成核但不易脱离,而超疏水低粘附表面的液滴极易脱离,超疏水高粘附表面上的液滴平均脱离直径要大于超疏水低粘附表面上的液滴平均脱离直径。在过冷度为4.0 K的常压条件下,超疏水低粘附的换热系数可达到超疏水高粘附表面换热系数的2.8倍。此外,还分析了由风冷功率引起的壁面过冷度变化对不同粘附性表面的换热性能影响。发现在低风冷功率下,各表面的过冷度普遍较小,小的过冷度一方面会减小超疏水高粘附表面的液滴脱离直径,另一方面会使超疏水低粘附表面液滴的成核难度增大,生长速率减小,导致超疏水高粘附表面的换热系数要大于超疏水低粘附表面的换热系数。当风冷功率增大后,各表面的过冷度增大,液滴脱离直径随之增大,由于超疏水低粘附表面的液滴极易脱离,其换热系数会逐渐大于超疏水高粘附表面的换热系数。最后,通过可视化方法对两类不同粘附性表面的液滴脱离过程进行了观测。发现液滴在超疏水高粘附表面上的脱落形式仅有单液滴生长脱离、相邻液滴合并脱离和被刷落脱离三种。液滴在超疏水低粘附表面上的脱落形式有弹跳脱离、单液滴生长脱离、相邻液滴合并脱离和被刷落脱离四种。由于液滴在超疏水高粘附表面上呈Wenzel态凝结,在超疏水低粘附表面上呈Cassie态凝结。液滴从Cassie态向Wenzel态转变的过程中需要克服由界面张力发生变化形成的能垒,因此超疏水高粘附表面的液滴更难脱离。

关键词：冷凝传热粘附性润湿性压力过冷度

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超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响

中南大学学报（自然科学版） 2020年第2期51卷 532-539页

作者：周儒鸿纪献兵孔庆盼郭浩徐进良华北电力大学多相流动与传热北京市重点实验室

表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。为进一步提高表面的冷凝传热系数,制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面,在不同蒸汽压力及风冷条件下,研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影... 详细信息

表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。为进一步提高表面的冷凝传热系数,制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面,在不同蒸汽压力及风冷条件下,研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影响。研究结果表明:由于超疏水高黏附表面的液滴易成核但不易脱离,而超疏水低黏附表面的液滴极易脱离,因此,在相同压力和过冷度下,超疏水低黏附表面的换热系数远大于超疏水高黏附表面的换热系数;在过冷度为4.0 K的常压条件下,超疏水低黏附和高黏附表面换热系数分别是亲水表面换热系数的4.99倍和1.77倍;在同一风冷功率和加热功率下,超疏水低黏附表面的过冷度明显小于超疏水高黏附表面的过冷度。

关键词：超疏水黏附性压力冷凝传热滴状冷凝

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液滴碰撞亲-疏水交界面的动力学特征

原子能科学技术 2020年第10期54卷 1801-1808页

作者：孔庆盼纪献兵尤天伢周儒鸿徐进良华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206

液滴碰撞不同润湿性表面将表现出不同的动态行为。为研究液滴碰撞亲-疏水交界面的动态行为,制备了超疏水-超亲水组合润湿性表面,控制液滴(初始直径D 0为1.80 mm)以不同速度碰撞超亲水-超疏水交界面。研究结果表明:液滴轻触交界面时,相... 详细信息

液滴碰撞不同润湿性表面将表现出不同的动态行为。为研究液滴碰撞亲-疏水交界面的动态行为,制备了超疏水-超亲水组合润湿性表面,控制液滴(初始直径D 0为1.80 mm)以不同速度碰撞超亲水-超疏水交界面。研究结果表明:液滴轻触交界面时,相邻两极端润湿性表面将产生促使液滴铺展的驱动力,液滴在超亲水区域完全铺展,最大铺展直径可达5.51 mm,铺展系数β可达2.93。液滴以一定速度碰撞亲-疏水交界面时,液滴铺展和液滴弹跳同时发生。液滴铺展系数先增大后骤降,铺展系数曲线存在“尖峰”。最终铺展系数逐渐增大并趋于稳定。碰撞速度越大,铺展前期铺展系数越大。对液滴铺展过程中的能量分析表明,液滴动能和表面能的相互转换是液滴运动和铺展的关键。

关键词：液滴碰撞动力学特征润湿性表面能

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超亲水毛细芯环路热管启动及热性能分析

化工进展 2020年第4期39卷 1227-1234页

作者：郭浩纪献兵周儒鸿彭家略徐进良华北电力大学多相流与传热北京市重点实验室北京102206

为解决电子设备高热通量下的散热问题,采用H2O2氧化法对烧结毛细芯进行了超亲水改性,研究了毛细芯表面润湿性对吸液性能的影响。并将改性后的超亲水毛细芯应用到环路热管内,研究了倾斜角度及加热功率对超亲水毛细芯环路热管的换热特性... 详细信息

为解决电子设备高热通量下的散热问题,采用H2O2氧化法对烧结毛细芯进行了超亲水改性,研究了毛细芯表面润湿性对吸液性能的影响。并将改性后的超亲水毛细芯应用到环路热管内,研究了倾斜角度及加热功率对超亲水毛细芯环路热管的换热特性的影响。实验结果表明:超亲水毛细芯的吸液速度增加,吸液时间较亲水毛细芯减小了3.52ms;与普通亲水毛细芯环路热管相比,在加热功率Q=200W时,超亲水毛细芯环路热管蒸发器中心温度降低了约6.0℃,在Q=20W时启动时间与温度分别降低了33s与2.5℃。同时发现超亲水毛细芯环路热管在正重力状态时的运行温度更低,热阻较小,最低热阻仅为0.084℃/W。

关键词：环路热管毛细芯纳米结构超亲水启动相变传热

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亲-疏水两层结构表面强化蒸汽冷凝传热

浙江大学学报（工学版） 2020年第5期54卷 1022-1028,1038页

作者：孔庆盼纪献兵周儒鸿尤天伢徐进良华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206

为了研究蒸汽在不同润湿性结构表面上的冷凝传热性能,基于协同排液思想和仿生理念,利用化学刻蚀法制备超疏水-超亲水两层结构表面:一层为超疏水表面,另一层为经双氧水氧化的烧结乳突结构表面,2层之间为空腔.研究组合结构、过冷度和冷却... 详细信息

为了研究蒸汽在不同润湿性结构表面上的冷凝传热性能,基于协同排液思想和仿生理念,利用化学刻蚀法制备超疏水-超亲水两层结构表面:一层为超疏水表面,另一层为经双氧水氧化的烧结乳突结构表面,2层之间为空腔.研究组合结构、过冷度和冷却水体积流量对冷凝传热的影响.实验结果表明:亲-疏水组合结构表面的冷凝传热系数最高.当过冷度为5.0 K时,组合结构表面的冷凝传热系数分别为光滑铜表面和单一超疏水表面的4.8、1.8倍.冷凝形成的液滴在向乳突运动的过程中主要受到2个驱动力:接触乳突结构后受到的拉普拉斯压差作用力、乳突内部孔隙所产生的毛细吸力.组合表面的冷凝传热系数随冷却水体积流量的增大和过冷度的增大而逐渐减小.

关键词：冷凝传热润湿性组合结构多尺度协同排液

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表面润湿性影响池沸腾传热的研究进展

热能动力工程 2019年第2期34卷 1-8页

作者：周儒鸿纪献兵孔庆盼代超华北电力大学多相流动与传热北京市重点实验室北京102206

沸腾传热主要受汽泡产生、成长和脱离的控制,而这些汽泡行为与表面润湿性密切相关,通过改变加热面的润湿性,可在一定程度上调节汽泡在加热面上的发展过程,从而影响沸腾传热。介绍了不同润湿性表面及其对沸腾传热的强化机理和气泡动力学... 详细信息

沸腾传热主要受汽泡产生、成长和脱离的控制,而这些汽泡行为与表面润湿性密切相关,通过改变加热面的润湿性,可在一定程度上调节汽泡在加热面上的发展过程,从而影响沸腾传热。介绍了不同润湿性表面及其对沸腾传热的强化机理和气泡动力学,综述了近年来通过表面润湿改性影响沸腾传热的研究进展,并指明表面润湿性与多尺度结构相结合的沸腾传热的研究新动向,为未来利用润湿性强化沸腾传热提供了一个较为清晰、全面的理论基础。

关键词：池沸腾传热润湿性气泡动力学

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超亲水乳突对冷凝传热的影响

工程热物理学报 2020年第8期41卷 1947-1951页

作者：孔庆盼纪献兵尤天伢周儒鸿徐进良华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206

为强化冷凝传热,促使冷凝液快速脱离是重要途径。以微米级电解铜粉为材料,烧结制备了超亲水乳突结构,测试了超亲水乳突在不同角度下的吸液性能,并通过蒸汽冷凝实验,研究了超亲水乳突对冷凝传热的影响。实验结果表明,超亲水乳突表面的针... 详细信息

为强化冷凝传热,促使冷凝液快速脱离是重要途径。以微米级电解铜粉为材料,烧结制备了超亲水乳突结构,测试了超亲水乳突在不同角度下的吸液性能,并通过蒸汽冷凝实验,研究了超亲水乳突对冷凝传热的影响。实验结果表明,超亲水乳突表面的针状凸起增大了乳突的粗糙度,进而增大了超亲水乳突内的毛细吸力,吸液性能优越。因此应用超亲水乳突后,促进了冷凝表面冷凝液的脱离,从而强化了蒸汽冷凝传热。其中,应用超亲水乳突的超疏水表面表现出最高的传热系数。当过冷度ΔT=2.5 K时,传热系数是亲水铜表面的5.6倍。

关键词：冷凝传热超亲水乳突吸液毛细吸力

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润湿性表面强化冷凝传热的研究进展

化学通报 2018年第9期81卷 805-812页

作者：孔庆盼纪献兵周儒鸿徐进良华北电力大学多相流动与传热北京市重点实验室北京102206

固体表面的润湿特性对冷凝传热具有重要的影响。本文分析了冷凝传热的机理,介绍了现阶段对不同冷凝方式的判定方法,总结了不同润湿性表面的制备方法,概述了蒸汽在亲水表面、疏水表面和组合表面上的冷凝传热性能,总结了该领域目前存在的... 详细信息

固体表面的润湿特性对冷凝传热具有重要的影响。本文分析了冷凝传热的机理,介绍了现阶段对不同冷凝方式的判定方法,总结了不同润湿性表面的制备方法,概述了蒸汽在亲水表面、疏水表面和组合表面上的冷凝传热性能,总结了该领域目前存在的问题。本文为利用表面润湿性强化传热提供了较为系统的综述,为强化冷凝传热提供思路。

关键词：冷凝传热润湿性组合表面

“三改联动”背景下空冷机组灵活高效改造新思路

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东方汽轮机 2022年第2期 5-9页

作者：黄彪周儒鸿东方电气集团东方汽轮机有限公司四川德阳618000

为响应煤电机组“三改联动”政策,对某电厂亚临界330 MW空冷机组进行了综合节能提效、超高背压供热和提升灵活性的通流改造。改造后机组性能试验结果表明:机组纯凝工况经济性和低压缸效率得到了显著提升,并具备在供热期间维持54 kPa超... 详细信息

为响应煤电机组“三改联动”政策,对某电厂亚临界330 MW空冷机组进行了综合节能提效、超高背压供热和提升灵活性的通流改造。改造后机组性能试验结果表明:机组纯凝工况经济性和低压缸效率得到了显著提升,并具备在供热期间维持54 kPa超高背压长期安全运行的能力,同时机组能满足低压缸切缸运行要求,并已通过40%负荷调峰能力测试,达到了通过一次改造同时提高机组安全可靠性、经济性、供热灵活性和深度调峰能力的目的,为同类型乃至更高参数机组的改造方案提供了参考,具有重要指导意义。

关键词：空冷机组节能提效超高背压供热灵活性通流改造末级叶片