板式换热器Marangoni凝结实验台的研制和实验
混合蒸汽在板式换热器中凝结换热特征探析
林 涛混合蒸汽在板式换热器中凝结换热特征探析摘要：本文通过设计和搭建板式换热器试验台，选择具有马兰戈尼效应的混合蒸汽，对混合蒸汽在板式换热器中不同通道、不同浓度凝结换热系数以及流量和降压之间的关系进行探析，通过实验结果验证凝结特征表示参数的意义。
关键词：混合蒸汽；板式换热器；凝结换热特征板式换热器是由一系列具有波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器，具有传热性能强、结构紧凑、拆卸方便以及占地面积小的优点，被广泛应用在轻工业、食品加工等多个行业。
在纯水中加入其它物质，会对板式换热器凝结换热行为造成一定程度影响，由于马兰戈尼效应，在凝结面上会形成类似珠状的凝结形态，与膜状凝结形态相比换热系数能够提高2-8倍，接下来笔者将通过一组实验对混合蒸汽在板式换热器中凝结换热特征进行分析。
一、实验系统如图1所示，根据实验要求将搭建以下形式实验台，整个实验系统包括三个循环系统，混合蒸汽循环系统、冷却水循环系统以及辅助凝汽器冷却水循环系统，同时为了减少不凝结水对实验结果的影响，我们在设计中采用真空处理，保证整个系统的气密性处于良好工作状态。
实验中采用不同浓度的酒精作为混合蒸汽原材料。
图1板式换热器凝结换热实验台实验所需要蒸汽是由蒸汽发生器提供，从蒸汽出口管引出，进入板式换热器中凝结，在板式换热器片数较多的情况，蒸汽没有完全凝结，凝结液体和没有凝结的蒸汽沿着凝结箱体底部进入辅助冷却器，调节辅助冷却器系统压力，以保证实验过程中循环系统含有的空气量最少，进而提高实验质量和效率。
二、实验结果和分析（一）不同浓度混合蒸汽对换热系数大小的影响在实验过程中换热器的冷却水温是随着换热过程而逐渐发生变化的，其温度呈现逐渐升高的趋势，混合蒸汽在换热器板内的吸热量也在逐渐减少，在这种情况下研究不同浓度混合蒸汽对换热系数大小的影响，应该注重对水温的观察。
观察实验现象，我们会发现随着水温不断升高，混合蒸汽凝结量不断减少，出口干度逐渐增大，换热系数也是逐渐增大的，换热系数随着水温变化几乎是呈现线性变化发展，混合蒸汽浓度对换热系数的影响也比较大，具体情况如图2所示。
Marangoni凝结表面传热系数的影响因素分析
及 其转 化 条件 ， 液珠 的成长 过程 ， 混合 蒸 气质 量分 数 、 面过 冷 度 、 表 不凝 性 气 体 质量 分 数 、 混合 蒸 气
流速 以及 混合蒸 气压力 等 因素对 其凝 结 传热 特性 的影 响方 面 。 ｒ ｏ ｉ Ｍｉ ｖｃ ｋ ｈ等 ［ ４ 于 １ ６ ９ １年 首先 拍 摄 到 了相 溶 性 双 组 分 混 合 蒸 气 Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 现 ｒｎ ｏ ｉ 象 。 ｕｉ等 于 １ ８ 年发 表 了对水 一 Ｆｊ ｉ ９９ 酒精 混合 蒸
图 １ Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 传 热 特 性 曲线 ｒｎ ｏ ｉ
Ｆｉ ｇ．１ Ｈ ｅ ｔｔａ ｆ ｒｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃｃ ｖｅｏｆ ａ ｒ ｎｓ ｅ ｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｕｒ
Ｍａａ ｒ ｎｇｏ ｏ ｅｎ ａ ｉ ｎｉｃ ｎｄ ｓ ｔｏｎ
板表 面上 的凝 结传 热 特 性 的实 验结 果 ， 实 验 范 在
关键 词 ：Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 ； ｒｎ ｏ ｉ 液膜 覆 率 ； 液膜 厚度 ； 面传 热 系数 ； 面过 冷度 表 表
中图分 类 号 ： ＴＫ１ ４ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ
０ 引
言
围 内均 观察 到 了浓 度 差 Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 的存 在 。 ｒｎ ｏ ｉ 作 者将 凝结 表 面过 冷度 作为一 个基本 的影响 因素
度（ 混合 蒸 气 温 度 与凝 结 表 面 温 度 之 差 ）的 变化 整 理成 了凝 结传 热 特性 曲线 （ 图 １ ， 图 ｌ 以 见 ）从 可
液界 面上 液相 表面 张力梯 度使 得凝 结 液膜厚 度 呈
现 出不 均 匀 分 布 ， 而 产 生 类 似 于 珠 状 凝 结 的 从 “ ｒｎ ｏ ｉ Ｍａａ ｇ ｎ 凝结 ， Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 能够获 得 较 ， ［ 。 ｒｎ ｏ ｉ 高 的表面 传 热 系数 ， 于 Ｍａａ ｇ ｎ 凝 结 传 热 的 对 ｒｎ ｏ ｉ
不同蒸气压力下的Marangoni凝结换热特性
化 工 学 报 ｇ ｎ ｅ ｉｇ Ｃｈ ｎ ） Ｊ ｕ ｎ ｌ ｏ Ｃｈ ｍｉａ Ｉ ｄ ｓｒ ａ ｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ （ ｉ ａ ｏ ｒ ａ ｆ ｅ ｃ ｌ ｎ ｕ ｔｙ ｎ
ｃ ｎ ｅ ｓ ｔｏ ｏ ｄ ｎ ａ ｉ ｎ，ｐ ｅ ｄ — ｒ ｐ ｓ ｏ ｄ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ａ ｇ ｎ ｏ ｄ ｎ ａ ｉ ｎ Ｔｈ ｕ ｐ ｓ ｆｔ ｉ ｐ ｐ ｒｗａ ｏ ｓ ｕ ｏ ｄ ｏ ｗｉ ｅ ｃ ｎ ｅ ｓ ｔ ｒＭ ｒ ｎ ｏ ｉ ｎ ｅ ｓ ｔ ． ｅ ｐ ｒ ｏ ｅ ｏ ｈ ｓ ａ ｅ ｓ ｔ ｏ ｃ ｏ ｅ ｐ ｒ ｅ ｔ ｌ ｔ ｄ ｈ ｆｅ ｔ ｆｖ ｐ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｎ Ｍ ａ ａ ｇ ｎ ｃ ｎ ｅ ｓ ｔｏ ． ｈ ａ ｅ ｖ ｐ ｒｓ ｅ ｄ“＝ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ｕ ｙ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ａ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅｏ ｒ ｎ ｏ ｉ ｏ ｄ ｎ ａ ｉ ｎ Ａｔｔ ｅ ｓ ｍ ａ ｏ ｐ ｅ ｍ ｙ ｏ
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 ２ 和高浓 度 ２ 、５ ％时压力 的增加 对凝结换 热特性 的影响较 小 ，而在 中间浓 ．８ ２ １ 度 ５ １ 和 ９８ 时凝结换热 系数 随压 力的增加明显 ． ． ． 关键词 ：水一 精混 合蒸气 ；Ｍａａ ｇ ｎ；凝结换热 ；蒸气压力 酒 ｒｎ ｏ ｉ
４ ｍ ・ｓ 。 ｎ ｈ ｅ ｉ ｅｅ ｔｖ ｐ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｓ ｉｅ ＿ ａ ｄ ｔ ｒ ｅｄｆ ｒ ｎ ａ ｏ ｒｓ ｕ ｅ ， ． ．，３ ． ６ ｋ ，４ ． ６ ｋ ａ ａ ｄ ８ ． ３ ｋ ｅ ｐ ｃｉｅｙ ｆ １ １ Ｐａ ７ ３ Ｐ ｎ ４ ５ Ｐａｒ ｓ ｅ ｔｖ ｌ 。
800斜板型界面渐进冷冻浓缩实验装置研制及应用性能
800斜板型界面渐进冷冻浓缩实验装置研制及应用性能
程晋军、李全军、杨茜等参加了实验装置的研制和测试。
实验装置
实验装置基本流程。
图中的冷冻浓缩器为空心斜板，冷液流过空心斜板内，料液在斜板表面由上端向下端流动。
由于冷液使斜板表面温度低于料液冰点，料液在斜板上流动过程
中，其中的水分会在斜板表面结冰析出，实现料液的浓缩或淡化水制取（装置中其他各部件详细内容请参见“冷热平台”微信公众号第795篇）。
应用性能
采用10Brix的橙汁为原料液进行了性能测试（其他细节内容和其他方案简况请参见“冷热平台”微信公众号第795~799篇）。
与第795篇装置相比，料液中水分开始结冰所需的冷液温度要低-5℃左右，但本篇装置最大的收获是在斜板上部得到了一个结冰低夹带率区域（图中圆圈所示），可使融冰水中溶质浓度降至原料液的1/10~1/20，后续再进一步优化，可能使冰中夹带率更低（在小试实验中，斜板中下部的结冰夹带率还偏高，需要分析原因，改进现有装置，使整个斜板表面所结冰基本都为低夹带溶质状态）。
总体而言，基于斜板型界面渐进冷冻浓缩器的冷冻浓缩装置制作简单，操作方便，参数调控性好，易获得较低的结冰夹带率，值得进一步进行更系统深入的理论和实验研究。
散热器热工性能实验台改造及实验流程
散热器热工性能参数由实验给 出， 最初 由于各 国对散热器热工性能 的测试方法存在差异 ， 使得测 试结果有所差别 ， 这给产 品的使用和 比较带来 了困
难 。为 了统一测 试 方 法 ， 国际 标 准化 组 织 正 式发 布 了散热设 备 热 工 性 能 测 试 的 国 际 标 准 ＩＯ３４ Ｓ １７—
ｏ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｅ ｏ ｆｒｔｅｍｏ ｙ ａ ｃ ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｆｒｄａｏ ｓ ｉｔｏ ｕ ｅ ｆ ｍ ｎ ｅ ｏ ａ ｉｔｒｉ ｎｒｄ ｃ ｄ，ａ ｄ ｔｅ ｅ ｐ ｒ ｎａ ｏ ｆｔｅ ｏ ｙ ａ ｃ ｎ ｈ ｘ ｅｉ ｍｅ ｔｌｆ ｗ ｏ ｈ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｌ ｍ
文 献标 识码 ：Ｂ
文 章编 号 ：１０ ４ １ （０ ７ ０ ０７ ００— ４６ ２ ０ ）６— ０９—０ ３
Ｒｅ ｏ ｓ ｒ ｔｏ ｆＥｘ ｒ ｍ ｅ ｂ ｅ ｆ ｒ Ｔｈ ｒ ｏ ｙ ｍ ｉ ｒ ｏ ｍ ａ ｅ ｃ ｎ ｔ ｕｃ ｉ ｎ ｏ ｐｅ ｉ ｎｔＴａ ｌ ｏ ｅ ｍ ｄ ｎａ ｃ Ｐｅ ｆ ｒ ｎｃ ｏ ｄ ａ ｏ ｎｄ Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌＦｌ ｗ ｆ Ｒａ ｉ ｔ ｒ ａ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｏ
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维普资讯
第２ 卷 第６ ７ 期
煤 气 与 热 力
ｗ＾ ｗｔｇｓｅ ．ｏ 、 ａ ｒ ｈａ ｃｒ ． ｅ ａ ｔ ｎ
稳定 和流量 稳定 。这样 就要求 软件 系统要 有数 据采
表 １ 工况稳定后 ４种工况的水 、 风粗精加热器的加热温度
器、 浮子 流量计 、 电子 秤 、 水泵 、 滤器 等组 成 。冷 风 过 系统采 用水 冷式 冷水 机组 作为冷 源 。原有 的测试 小 室完全 按 照 国际标 准 （Ｓ １７—３５ ） 造 ， ＩＯ ３４ １０ 建 因此 未对其 进行 改造 。 在 自控 检测 系统 中 ， 、 水 风粗 精加 热器 均 由智 能 ＰＤ调 节器 加功 率 调 节 器 自动控 制 加 热 温度 （ 过 Ｉ 通 调 节热 功率 实现 ） 从 而 实 现对 水 温 和 风 温 的 自动 ，
1种板式换热器测试平台及应用
表 １ Ｂ ０３板式 换 热器改 变板 间流 速测试 得 为 Ｒ． 到 的不 同传热 系 数 和热 侧压 力 降 △ ｐ ｌ 、冷 侧 的压 力 降 △。 ｐ。 根据 表 １ 数据 可得 、 “方 程 。 Ｅ 热侧 Ｎ ｈ ｕ 方程 和 Ｅ ｈ ｕ 方程 ： ＮＵ＝ ． ５ ｅ ｒ ， ｈ０１ Ｒ 们 ｐｏ ２ ．
‘ ５・ ４
等 流速试 验法 。
用 等流速试 验 法测试 的板式换 热器 ， 果冷 、 如 热
Ａ ＝ （ｈＱ） ｌ０ （ ｈＱ） Ｑ ２Ｑ－ ｏ Ｏ ％／ ＋ ｃ ｘ Ｑ ；
总传 热面积 ：
流 体 的流 动 雷诺数 ｅ范 围相 同 ， 冷 、 流 体对 流 则 热 传 热努 塞 尔数 Ｎｕ方 程 、 阻力 降欧 拉数 Ｅ ｕ方 程 分别 传 热 系数 ：
换 热 器 、 量流 量 计 、 质 风机 冷 却 器 和温 度 、 力测 量 压
收 稿 日期 ：０ ２－３ ２ ２１． — ５ ０
２１ ０ ２年第 ｌ ９卷第 ３期
化 工生产 与技 术
Ｃ ｅ ｃｌ ｒｄ ｃ ｏ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｈｍｉ ｏｕ ｔ ｎａ ｄＴ ｃ ｎｌ ｙ ａＰ ｉ ｏ
才 能 比较不 同板式 换热 器换 热效 果优 劣 。表 ２数据
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３在 定 性 温度 分 别 为 ４ 、０ ８ ０ ６ 、０℃对应 的传 热 系数 和压力 降
１ ８８ ９ ．
［ 宫 锡 坤 ． 式换 热 器 准 数 关 联 式 的研 究 ［ ． 阳 化 工，９４ ４ ］ 板 Ｊ 沈 ］ １９
水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态
水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态陈娜娜;王进仕;李勇;夏凯;严俊杰【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2016(067)009【摘要】设计搭建了水平表面上凝结实验系统，利用高速摄像机对水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态进行观察记录，获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对凝结形态的影响规律。
采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理，统计得到了作为定量表征Marangoni凝结形态参数之一的最大液珠半径的变化规律。
研究结果表明：凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈，液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程，最终凝结形态基本保持不变，液珠成长时间数量级约为10 s。
在凝结的初始阶段，当过冷度较大时，膜状凝结与珠状凝结同时存在于凝结表面；随着过冷度降低，小液珠数目增多；过冷度继续降低，凝结面全部被大量小液珠所覆盖。
随着初始过冷度降低、酒精蒸气浓度增高，凝结液珠成长时间增长，液珠的生长速度变慢。
蒸气流速对液珠的成长过程影响相对不明显。
随着凝结进行，最大液珠半径从2 mm增大到10 mm的数量级；同一凝结时刻，随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低，最大液珠半径逐渐增大。
%An experimental system was designed and built for condensation on a horizontal surface. Using the high-speed camera, the characteristics of Marangoni dynamic condensation modes for water-ethanol mixture vapors was investigated. The influence of initial vapor-to-surface temperature, ethanol vapor concentration and vapor velocity on thecondensation modes was obtained. Using the method of edge detection to process the condensation pictures, the variation of maximum droplet radius, which was considered as an important parameter for quantitatively expressing Marangoni condensation modes, was obtained. The results showed that the condensation modes altered dramatically as condensation started. Then, the generation, merging and growing process of droplets could be observed until the condensation modes nearly kept constant. The order of magnitudes for the droplets growth time was about 10 s. On the beginning of condensation, when the initial vapor-to-surface temperature was high, filmwise and dropwise condensations were all on the surface. The number of droplets increased with the decrease of initial vapor-to-surface temperature. With the initial vapor-to-surface temperature kept decreasing, the surface would be covered by many small droplets. When the initial vapor-to-surface temperature decreased and ethanol vapor concentration increased, the droplets growth time would be longer,the droplets would grow slower. By contrast, the growth of droplets was slightly affected by vapor velocity. The maximum droplet radius increased during the condensation process and it would increase from 2 mm to more than 10 mm. At the same condensation time, the maximum droplet radius increased with the increase of initial vapor-to-surface temperature and decrease of ethanol vapor concentration.【总页数】9页(P3574-3582)【作者】陈娜娜;王进仕;李勇;夏凯;严俊杰【作者单位】西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TK124【相关文献】1.酒精-水混合蒸气在水平管外凝结换热的实验研究 [J], 乔宏斌;王顺;胡申华2.水-酒精混合蒸气在竖直管外凝结特性的研究 [J], 严俊杰;李杨;乔磊;胡申华;刘继平3.水-酒精混合蒸气的管外凝结 [J], 李杨;严俊杰;乔磊;刘继平;胡申华4.酒精-水混合蒸气凝结换热系数的计算模型 [J], 胡申华;王进仕;严俊杰;杨豫森5.凝结表面温差对水-酒精混合蒸气换热特性的影响 [J], 胡申华;严俊杰;王进仕;李杨因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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繁
加
熟
２ ０ １ ５年 第 ４ ４卷 第 ３期
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板 式 换 热器 Ｍａ ｒ ａ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ 凝 结 实验 台的研 制 和 实验
木黑提 ・ 吾肯 ， 胡 申华 ， 彭建军 ， 米 拉
（ 新疆大学 电气工程学 院 ， 新疆 乌鲁木齐 ８ ４ ０ ０ ４ ７ ）
摘要 ： 为研究酒精与水混合蒸气在气一 液型板式换热器里 的 Ｍａ ｒ ａ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ 凝 结对 其传 热和压降的影响 ， 搭建 了实验平 台 ， 并利用 ＭＣ ＧＳ 设计 了数据采集监测系统 。 在７ ０ 、 ９ ０ ｋ Ｐ ａ 压力下对气 相酒精质量浓度为 ０ 、 １ ％、 １ ０ ％及 ５ ０ ％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 Ｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ Ｐ ｒ ｏ 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 。
关键 词 ： Ｍａ ｒ ａ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ 凝结 ； 实验研究 ； 数据采集系统 ； ＭＣ ＧＳ
中图分类 号： Ｐ ４ １ ４ ． ８
文献标志码 ： Ａ
文章编 号：１ ０ ０ ２ — １ ６ ３ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３ — ０ ０ ０ ４ — ０ ４
Ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｆ ｏ ｒ Ｍａ ｒ ａ ｎ ｇ ｏ ｎ ｉ Ｃｏ ｎ ｄ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ Ｐ ｌ ａ ｔ ｅ Ｈｅ ａ ｔ Ｅｘ ｃ ｈａ ｎ ｇ ｅ ｒ