流速对混合蒸汽Marangoni凝结换热影响的实验研究

本文在蒸汽压力为47.36 kPa的条件下,通过实验研究了不同蒸汽流速(u=2、4、5 m/s)下纯水和不同酒精浓度水-酒精混合蒸汽沿重力方向流过竖直紫铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时分析了不同蒸汽流速下造成Marangoni凝结换热特性差异的原因.实验及分析结果表明,在相同蒸汽浓度、蒸汽压力和表面过冷度条件下,高流速下的凝结换热系数比低流速的大。且蒸汽流速对凝结换热的影响因混合蒸汽酒精浓度的不同而不同,低浓度0.5%和高浓度50%时流速的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度2%时凝结换热强度随流速的增加明显.

Marangoni凝结液珠脱离半径分析

为研究宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响,设计了一个截面为梯形的试验块。在大范围的酒精气相浓度条件下(0%～50%),用实验的方法研究了宏观温度梯度对Marangoni凝结的影响。对于每个浓度都在不同蒸汽流速和压力下进行了实验并拍摄凝结图片。以凝结实验中所拍摄的实验图片为分析对象,分析不同质量分数、过冷度和流速下的凝结液珠脱离半径。凝结液珠的脱离半径与表面过冷度、凝结表面的横向温差、酒精质量分数、蒸汽流速等因素有关。以纯水的脱离半径公式为基础,考虑温差带来的Marangoni效应和蒸气流速后,拟合出Marangoni凝结凝结液珠的最大脱离半径公式,在大部分过冷度的情况下,计算值与实验数据一致性较好,最大误差为23%。

蒸气流速对存在温度梯度的竖直壁面Marangoni凝结换热的影响研究

本文以水-酒精混合蒸气为工质,对蒸气流速对存在温度梯度的竖直壁面Marangoni凝结换热特性的影响进行了实验研究。结果表明:混合蒸气凝结换热系数随蒸气流速的增加而增加,但换热系数对流速的敏感性随酒精蒸气浓度不同而有所区别,在酒精蒸气浓度较低时,流速使换热系数的增加较为明显。对比流速对溶质Marangoni凝结换热特性的的影响,流速对温度梯度和浓度梯度共同驱动的Marangoni凝结换热影响要弱一些。

Marangoni凝结形态的影响因素

用实验方法研究了宏观温度场对一定浓度范围内的水-酒精蒸气混合物的Marangoni凝结的影响。根据拍摄记录的图片,观察到了膜状、珠状、珠状带块状、波动条纹状、溪状和珠状带溪状6种凝结形态。发现并非所有的凝结形态都出现在每个工况中,而且有些凝结状态之间并没有严格的界限。凝结形态随过冷度、浓度、流速、压力和表面温差的不同会发生变化,尤其是过冷度和浓度对凝结形态的影响最大。凝结形态与其对应的凝结表面传热系数有紧密的联系:在相同的实验条件下,当凝结表面传热系数出现峰值时,其对应的凝结形态均为珠状凝结。当凝结表面传热系数较低时,其对应的凝结形态为膜状凝结或较大液块凝结。最后对平块和斜块的Marangoni凝结形态进行了对比分析:可以看出斜块凝结面上液珠比较混乱,凝结形态不能简单地归结为珠状、条状、环状、平膜状和带起伏的膜状中的一种,一般是各种凝结形态都有一部分,或者说居于各凝结形态的中间过渡态。

Marangoni凝结表面传热系数的影响因素分析

对水和酒精混合蒸气在竖直平板上的凝结传热进行了研究。利用液膜覆盖率,分别按考虑和忽略浓度边界层扩散热阻计算了凝结表面传热系数,并将计算结果与实验值进行了比较。结果发现同时考虑液膜导热热阻及浓度边界层扩散热阻的计算值在极小酒精质量分数时高于实验值,在较小酒精质量分数时和实验值接近,但是在高酒精质量分数时低于实验值。由此可见计算凝结表面传热系数时,在小酒精质量分数条件下扩散热阻可以忽略,但在高酒精质量分数条件下扩散热阻对整个热阻的贡献较大,必须考虑其对传热的影响。

两种温度场表面Marangoni凝结换热特性比较

本文对水和酒精混合蒸气在表面具有不均匀温度场的竖直平板上的凝结换热进行了实验研究,分别从凝结换热特性和凝结形态两个方面与具有均匀温度场的竖直平板凝结换热实验结果展开了比较。实验结果表明,本实验凝结面上的液珠明显要比均匀温度场的密集细小,液珠的冲刷速度也明显较快;在相同的工况下,本实验中的凝结换热系数在任何浓度下都比均匀温度场壁面的高。初步的理论分析也表明,本实验中凝结表面浓度梯度和温度梯度共同作用引起表面张力梯度增大,导致的Marangoni对流加强,凝结换热得到强化。

不同蒸气压力下的Marangoni凝结换热特性

在蒸气流速4m·s-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2·28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5·1%和9·8%时凝结换热系数随压力的增加明显.

蒸汽流速对竖直管外Marangoni凝结换热特性影响的实验研究

本文在不同蒸汽流速下对水-酒精混合蒸汽在竖直管外Marangoni凝结换热特性进行了实验研究.结果表明:在相同蒸汽压力下,混合蒸汽在竖直管外凝结换热系数随蒸汽流速的增加而增加.当蒸汽酒精浓度较低时(1%、2%、5%),凝结换热系数随流速的增加而明显增加.当蒸汽酒精浓度较高时(20%、50%),流速的增加对凝结换热系数影响较小.这主要是由于蒸汽流速在低酒精浓度下对凝结扩散层热阻的影响大于在高酒精浓度下对扩散层热阻的影响.

蒸汽压力对Marangoni凝结换热特性的影响

本文研究了蒸汽压力对水-酒精混合蒸汽竖直平板表面凝结换热特性的影响．搭建了具有高气密性的Marangoni凝结换热实验台,分别针对不同压力(31．16 kPa,47．36 kPa,84．53 kPa)、不同表面过冷度(表面过冷度范围2-32℃)的纯水、水-酒精混合液(气相酒精质量百分比浓度为2．28％,5．1％,51％)和酒精进行了换热特性的实验研究,实验结果表明混合蒸汽在相同流速和浓度下凝结表面传热系数随压力的升高而升高,分析认为这是因为相平衡压力的提高会导致凝结液量增加和凝结液平均温度提高,而使凝结汽液界面的表面张力提高,进一步增强了Marangoni效应的影响,从而使凝结表面传热得到加强．

板式换热器Marangoni凝结实验台的研制和实验

为研究酒精与水混合蒸气在气-液型板式换热器里的Marangoni凝结对其传热和压降的影响,搭建了实验平台,并利用MCGS设计了数据采集监测系统。在70、90 k Pa压力下对气相酒精质量浓度为0、1%、10%及50%的混合蒸气进行了一系列实验,对采集得到的数据进行处理并计算出气侧传热系数和压降,利用Origin Pro 8软件绘出了传热压降特性图,并对实验结果进行了比较。实验结果显示混合蒸气浓度为1%时的传热系数比纯水蒸气的传热系数增加约7%左右,而随着浓度增大传热系数减小。

基于改进Otsu与四叉树法的Marangoni凝结液边缘检测方法

针对图像中Marangoni凝结液边缘由模糊性引起的不确定性问题,以及为后续计算凝结液面积和统计提供科学依据,提出了一种基于改进的Otsu法和四叉树结构相结合的新型边缘检测方法。先自动确定高低阈值分割图像、去噪,采用四叉树法定位凝结液的位置;再考虑到复杂纹理特征,通过逻辑运算进一步处理了噪声,完善了凝结液的完整性。最后用Canny算子获得了很好的凝结液边缘。实验结果表明,对凝结液提取具有较高的区分度且精确性高、鲁棒性较强,降低了计算凝结液半径、覆盖率、换热系数等的复杂性,提高了计算速度,在工业设计方面有着重要的意义。

存在温度梯度的竖直壁面Marangoni凝结换热特性研究

对水-酒精混合蒸气在表面存在温度梯度的竖直壁面上的Marangoni凝结换热特性进行了实验研究,并观测了混合蒸气的凝结形态.实验结果表明:凝结表面不同位置的换热系数不同,温度梯度大的位置凝结换热系数较大;当酒精蒸气的质量分数wv=0.5%,1%时,凝结换热系数随过冷度单调减小;当wv≥2%时,凝结换热系数与过冷度的关系为含有最大值的非线性特性关系;在相同条件下,wv=1%时的凝结换热系数最高,wv=0.5%时的次之,wv≥2%以后,凝结换热系数随酒精含量的升高而减小.与仅由浓度梯度引起的Marangoni凝结相比,本实验中由浓度梯度和温度梯度共同驱动的凝结换热更强.初步的理论分析也表明,凝结表面上的浓度梯度和温度梯度共同作用使水-酒精凝结液表面的表面张力梯度增大,Marangoni对流加强,凝结换热进一步强化.

圆管外Marangoni凝结特性实验系统的研究

设计搭建了圆管外凝结换热实验系统,并在此基础上进行了以水-酒精混合蒸汽为工质的凝结换热实验。分析了影响圆管外凝结换热特性的因素,对实验值与理论值进行了对比分析后,得到了较理想的实验数据。

非等温表面Marangoni凝结特性的研究

在带有温度梯度的凝结表面上进行了一系列质量分数酒精蒸气的Marangoni凝结试验,研究了酒精蒸气的传热系数.结果表明:与日本学者Utaka的试验数据相比,质量分数为99%的水和1%酒精混合蒸气在同样试验条件下(p=84.5 kPa、v=2 m/s)的传热系数提高了15%;在相似的试验条件下,带温度梯度试验块其传热系数的提升是由于液膜内部存在两种相反的运动,这两种相反运动扰乱了凝结液膜,从而减小了液膜的热阻;对传热系数随过冷度变化的规律进行了定性分析.

水和酒精Marangoni凝结换热特性研究

本文首先构造了一个在常温水冷却时,纯水蒸汽凝结时表面温度差可以达到11℃的黄铜试件。利用该试件在蒸汽流速为0.3m/s时,进行了不同浓度水-酒精混合蒸汽以及纯水蒸汽的凝结换热特性和凝结状态的实验研究。实验结果表明:由于凝结表面存在温度差,水-酒精混合蒸汽出现珠状凝结,凝结换热系数最大可以达到纯水蒸汽凝结的2.8倍;混合蒸汽凝结换热系数随表面过冷度减小而增加,并在较小过冷度时出现陡增;凝结换热量随表面过冷度增加存在最大值;观察得出了不同表面过冷度下不同酒精浓度时的凝结状态。

不同压力下竖直管外Marangoni凝结换热特性研究

本文在不同压力状态下对水与酒精混合蒸汽在竖直管外Marangoni凝结换热特性进行了可视化实验研究,观测到不同过冷度下的凝结状态．实验结果表明,在相同流速和浓度条件下,酒精浓度较低时凝结换热系数随蒸汽压力的升高而升高．但在高酒精浓度下,凝结液表面张力梯度减小,扩散热阻的影响增大,蒸汽压力对于凝结换热系数的影响并不明显．

基于超音速膨胀凝结的油田伴生气脱二氧化碳研究

油田伴生气通常含有大量的二氧化碳等酸性气体,为了提升油田伴生气质量,必须对天然气进行脱二氧化碳处理;将超音速旋流分离技术用于伴生气脱除二氧化碳是一条全新路径,但二氧化碳在超音速流动条件下的冷凝特性有待进一步明晰。建立二氧化碳在喷管中的相变过程数学模型,讨论二氧化碳超音速凝结流动特性,分析入口温度和压力对二氧化碳超音速凝结特性的影响规律。结果表明:二氧化碳在喷管喉部之后的扩张段发生凝结,生成大量的二氧化碳液滴;随着喷管入口温度增加,尽管凝结的二氧化碳液滴数量增加,但喷管出口和中轴线上的液相质量分数减小,凝结位置越靠近喷管出口;随着喷管入口压力增加,混合气体在喷管出口的压力和温度升高、速度减小,二氧化碳在喷管内凝结产生的液滴数量减少,喷管出口和中心轴线上的液相质量分数越大。

自然对流下蒸汽凝结表面传热系数测定实验装置研制

自然对流下蒸汽凝结表面传热系数测定实验是将蒸汽通过一组表面状态各不相同的管道,测定管道在大空间空气介质中自然冷却过程中的蒸汽凝结表面传热系数。由于管道的材质、几何形状、接触方式及管外空气流动状况都会不同程度地影响换热效果,因此测定每根管道的表面传热系数值,可条理性和系统性地分析影响传热过程的各因素。该文设计了自然对流下蒸汽凝结表面传热系数测定实验装置,可开展管道材质、肋片结构、管道横截面几何形状、管道保温材料对传热系数的影响实验研究。应用实践表明,实验项目内容全面,提高了学生的课堂积极性,具有良好的教学效果。

不同压力下氢气超声速膨胀凝结特性

氢气液化所需温度远低于天然气,需要设置更繁琐的深冷环节,液化流程复杂、占地面积大、投资成本高。超声速膨胀液化是一种新兴的气体液化分离技术,具有流程密闭、节能环保、成本低等优势。因此,提出将超声速膨胀液化技术引入氢气液化领域,并且为探究其可行性,基于流体力学计算软件FLUENT中的SIMPLE算法和k-ω湍流模型,采用Gyarmathy液滴生长模型,研究了氢气在不同入口压力(1.05 MPa、1.10 MPa、1.15 MPa)条件下的超声速流动与凝结特性。结果表明,氢气高速膨胀引起的低温效应将使氢气自发凝结,导致在短距离内快速形成液滴,证实了超声速氢气液化技术的可行性;氢气入口压力的提高,可有效增加氢气在Laval喷管入口的过冷度,从而使得气体凝结起始位置前移,增大液滴粒径,提高Laval喷管液化效率。

高温蒸汽凝结法相对湿度测量

为实现露点温度100℃以上高温压力蒸汽相对湿度的精确测量,设计了以凝结称重装置、不凝气体含湿量测量装置、数据处理系统为核心部件的凝结法相对湿度测量系统。测量系统依据蒸汽相对湿度与含湿量对应关系,采用蒸汽快速凝结,实时监测冷凝液质量与不凝气流含湿量的方式实现了目标蒸汽所处温度、压力条件下相对湿度的在线测量。凝结法测量工艺能实现露点温度-40℃~130℃条件下气体相对湿度0.15%~100%范围内的有效测量。在露点温度128℃、相对湿度95%条件下,测量不确定度0.59%,测量偏差小于0.4%,具有测量精度高、测量速率快的特点。该系统能开展瞬态条件下蒸汽相对湿度测量,湿度测量值能溯源到国际单位制基本单位。