滴状冷凝初始液滴形成机理的初探.pdfVIP

A025 滴状冷凝初始液滴形成机理的初探? * 刘天庆 ，孙相彧，李香琴 （大连理工大学化工学院化学工程系 大连 116012 ） 摘要 建立了一套测试蒸汽初始冷凝的实验设备, 制备了能与高温液态水反应的氧化钙和镁片两种 试验表面。初始冷凝实验通过控制冷流体冷却试件的接触时间和试件表面的过冷度而得以实现。用原 子力显微镜及X 射线衍射技术来检测冷凝表面上形成初始液相后所留下的“痕迹” ，即通过分析样品表 面化学成分的变化来推断蒸汽的初始冷凝状态。 实验研究发现机械抛光制备的纯净镁片及纯净的氧化钙固体片经过水蒸汽冷凝不同的时间后，表 面上的部分区域发生了变化，与水反应分别形成了氢氧化镁及氢氧化钙。这些反应只是在所制备样品 的部分区域形成的。说明滴状冷凝的初始液滴形成时，只在固体表面的部分区域产生纳米级微小的液 核，液核随着冷凝时间的增长慢慢长大，而不是在开始冷凝时在固体表面形成一层很薄的液膜。本实 验初步的研究结果表明，水蒸汽初始液滴形成是符合成核中心假说的。 关键词 原子力显微镜 滴状冷凝 初始液滴 纳米 机理 引 言 滴状冷凝具有很高的传热系数，可比常见的膜状冷凝传热系数高几十倍。冷凝传热在石 油化工和发电等工业生产中以及空调和制冷等过程中被大量采用，如果能在这些过程中均实 现滴状冷凝，则必定会大大减少换热设备的面积与尺寸，降低能源消耗，从而带来显著的社 会和经济效益。 要实现稳定的滴状冷凝，必须对初始液滴的形成机理有透彻的理解，才能有目的地对固 体表面进行有效改性。关于滴状冷凝初始液滴的生成机理，目前仍存在两种不同的假说，即 固定成核中心假说[1,2] [3] 和液膜破裂 假说。两种假说已经并存了几十年，一直未能有充分可 信的实验结果来验证到底哪种假说为正确。前人试图证明这两种假说的实验均是在微米数量 级上进行的[3-5] ，采用的方法主要是显微镜及高速摄影等技术。然而从形成新相的热力学计 算可知，若冷凝过程的初始状态为核状，则初始液核的尺度在纳米数量级。因此，若想证明 固定成核中心假说是对的，则应该检测到纳米尺度的初始液核，并且证实该尺度的液核长大 到微米再到最终脱落；若想证明液膜破裂假说为正确，则应该检测到初始厚度为纳米的液膜， 并且该液膜增厚至微米数量级的临界液膜厚度。膜破裂假说的临界液膜也可能来自尺度为纳 米的初始液核，这些液核在长大到微米的过程中合并而形成液膜。无论要证明哪种机理为正 确，都必须设法检测到纳米数量级的初始液相的状态。 在本项研究中，我们采用原子力显微镜（AFM ）及X 衍射分析技术，检测冷凝表面上 ? 国家自然科学基金资助项目（项目编号） 作者简介: 刘天庆，男，1959 年生，大连理工大学教授，主要从事生物反应器及微尺度传递问题研究。 电话：0411 Email: liutq@dlut.edu.cn 形成初始液相之后所留下的“痕迹” ，证明纳米尺度的初始冷凝液相的状态，从而证实滴状冷 凝初始液滴形成的机理到底哪种假说为正确。 1 实验装置及实验方法 本实验所用实验装置如图1 所示，分为空气加热、蒸汽发生及数据采集和控制系统几个 部分。 1.1 加热空气部分 室温空气经过气体泵和流量计后分两路被电加热器所加热，控制两组加热器的输入功率 可获得不同出口温度的空气。两组空气加热管路上各有一个三通电磁阀控制其流动。经加热 的空气进入冷凝室的后部，用于控制安装于冷凝室内的冷凝试件的表面温度，之后热空气从 冷凝室后部排入大气。 1.2 蒸汽发生部分 放在电加热套内的1 升三口烧瓶内加入适量水，控制电加热套的加热功率可产生一定量 的水蒸汽，蒸汽经汽液分离器后进入冷凝室前部，在冷凝试件上形成初始冷凝后经排气阀流 出冷凝室。 1.3 数据采集和控制部分 安装于冷凝试件上的热电偶及电磁阀均通过数据采集控制板连接到计算机内，由相关程 序控制电磁阀开启及温度采集。 实验方法：开启空气泵，使一路空气加热到102 度左右，另一路空气则根据需要加热到 60 至99 度，以获得冷凝试件表面不同的冷凝温度。实验开始时 102 度的空气流经冷凝室后 部，另一路空气则排入大气，暂不进