水平错列管束外乙醇-水蒸气混合物马兰戈尼冷凝传热实验研究

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Experimental study on Marangoni condensation heat transfer of ethanol-water vapor mixture outside a horizontal staggered tube bundle

　　

摘要

本文建立了一套实验可视化装置，用于研究乙醇-水蒸气混合物在四排错列管束外的冷凝过程。研究了乙醇蒸气浓度（0.25%、0.5%、1%、2%和5%）、蒸气速度（0.51 m/s、0.58 m/s和0.65 m/s）以及管内冷却水速度（1.2 m/s、1.5 m/s、1.8 m/s和2.1 m/s）对冷凝模式和管束平均传热系数（HTC）的影响。所获取的冷凝图像显示，在低乙醇蒸气浓度下，冷凝液更容易被撕裂成细小液滴，而在高浓度下，液滴则更大。实验结果表明，传热系数总体上随蒸气速度的增加而增大，峰值出现在0.25%和0.5%的低浓度下。此外，在浓度为0.25%时，传热系数随过冷度的增加而单调下降。相比之下，在浓度范围为0.5%至5%时，传热系数表现出非单调行为。研究还发现，冷却水速度对传热系数有显著影响。在较低的乙醇浓度下，传热系数随冷却水速度的增加而增大，而在较高浓度下，最大传热系数出现在中间的冷却水速度处。上述各因素对传热系数影响的极差分析（RWet = 47.5 kW/(m2·K)，RUw = 15.2 kW/(m2·K)，RUv = 4.2 kW/(m2·K)）表明，乙醇浓度对传热系数的影响最大，其次是冷却水速度，蒸气速度的影响最小。管束的淹没效应也显著影响传热系数。在低浓度和中浓度下，该效应降低了传热性能，而在5%浓度下，在某些冷却水流量条件下，该效应反而增强了传热。与膜状冷凝相比，增强比始终大于1，在浓度为0.25%时达到最大值7.9。

引言

冷凝传热是一种关键的相变过程。它释放大量潜热，非常适合紧凑型和大容量换热器。许多工业企业在发电、化工、制冷和海水淡化中广泛使用管束换热器，因其可靠性高、传热面积大以及优异的耐高压和耐腐蚀性能[1]。对于常规管束换热器，无论是错列排列还是顺列排列[2]，早期研究主要关注纯蒸汽在管壁上的膜状冷凝，管壁始终被连续的液膜覆盖[3]，这是冷凝传热中的主要热阻。1916年，Nusselt[4]提出了经典的层流膜状冷凝理论，该理论在分析平板和水平管上的冷凝过程中发挥了重要作用。然而，管束换热器中的冷凝过程十分复杂，受到管束几何结构、蒸气速度和管束淹没效应[5]等多种因素耦合的影响。在这些因素中，淹没效应是影响管束换热器传热的重要因素。上层管的冷凝液滴落到下层管上，降低了其传热能力[6]、[7]。因此，理解并增强管束外的冷凝过程对于高性能管束换热器的开发至关重要。

冷凝传热系数（HTC）强烈依赖于冷凝模式，因此研究人员试图通过改变液膜结构来提高传热效果。研究表明，管外壁的几何设计可以显著影响蒸汽和制冷剂的冷凝液膜行为[8]。学者们将研究扩展到几何增强管[9]，如低翅片管[10]、翅片管[11]和三维翅片管[12]。这些设计增加了可用表面积和冷凝液排放能力，从而提高了传热[13]、[14]。此外，微纳结构表面的制备[15]以及疏水和超疏水涂层的应用[16]旨在实现从膜状冷凝向珠状冷凝的转变。表面改性改变了接触角，减少了液膜热阻，从而显著提高了传热系数[17]、[18]。这些方法的有效性在很大程度上取决于冷凝液排放能力、抗淹没能力和冷凝过程中减小液膜热阻的能力。然而，微纳结构和疏水涂层等表面改性技术面临与稳定性和可靠性相关的挑战[15]、[19]，且制造成本相对较高。

为了克服这些局限，一种替代方法引起了越来越多的研究关注：通过改变工作流体组成在液膜中产生表面张力梯度，从而产生马兰戈尼效应，即表面张力差导致冷凝液膜破碎成液滴，形成所谓的类珠状冷凝或马兰戈尼冷凝。Mirkovich和Missen[20]、[21]是最早观察到二元混合物非膜状冷凝行为的先驱。Hijikata等[22]指出，二元混合物的类珠状冷凝可以在普通冷凝表面上发生，并阐明该现象是由表面张力的变化驱动的。此后，Philpott等[23]和Deans等[24]发现，氨和三甲基胺等添加剂可以增强蒸气冷凝。此外，Vemuri等[25]强调，适当的添加剂可以显著改变冷凝过程中的液膜形态和传热系数。这种由二元混合物表面张力差引起的马兰戈尼冷凝可以长时间持续。

乙醇-水蒸气混合物的冷凝是研究马兰戈尼冷凝的经典二元混合物之一。近年来，大量研究证实了在其冷凝过程中会出现显著的马兰戈尼效应。Utaka等[26]、[27]、[28]广泛研究了平板上的冷凝，获得了宽范围乙醇质量浓度下的冷凝特征曲线和冷凝行为，为后续研究奠定了坚实基础。后续研究表明，温度梯度和浓度梯度共同影响冷凝模式，从而影响传热系数[29]、[30]、[31]。Yan等[32]和Yang等[33]观察到传热系数随压力增加而增大。研究发现，低质量浓度的蒸气混合物可以显著提高竖直管外的传热系数[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。最大增强可达九倍，且该增强取决于管径。Hu等[39]、[40]和Zhou等[41]进一步研究了其在板式换热器中的应用，发现低质量浓度可以改善传热系数，并建立了准确的预测关联模型。最近，Ma等[42]、[43]研究了倾斜管和水平管中的冷凝特性，发现传热系数高于纯水。值得注意的是，上述大多数研究表明，冷凝特征曲线随过冷度的变化呈非单调变化，这与Nusselt[4]的经典层流膜状冷凝理论不同。综上所述，混合物马兰戈尼冷凝的研究表明，该方法可以显著增强传热。这种方法为实现工业应用中珠状冷凝提供了一条极具前景的低成本路径，并显著提高了传热系数。

单根水平管最接近管束换热器的工况。Murase等[44]对光滑水平管进行了实验，发现即使少量添加乙醇也能显著促进类珠状冷凝。他们指出，传热系数取决于乙醇浓度和过冷度。Ali等[45]指出，蒸气速度不仅扰乱了气相扩散层，还影响冷凝液膜和液滴脱离过程，从而改变传热系数。Jivani等[46]测试了更宽的乙醇质量浓度范围并获得了类似结果。上述研究均发现，当冷凝发生在水平管上时，最大传热系数出现在低质量浓度下，且较高浓度下的冷凝特征曲线呈非单调变化，这与Utaka[26]、[28]的结果相似。Ali等[47]、[48]、[49]将研究扩展到水平翅片管，发现表面结构与马兰戈尼界面不稳定性之间存在耦合效应。Obeidat等[50]测试了缠绕管上的冷凝，发现在乙醇质量浓度为0.1%时增强比为9.9。上述基于水平光滑管或增强单管的研究结果表明，引入微量乙醇可以诱发马兰戈尼冷凝，从而增强传热。

在实际应用中，换热器通常设计为管束形式，这引入了更复杂的蒸气流动行为。由于管间和行间发生的相互作用，单根管上观察到的传热增强通常不能直接应用到管束中。这些相互作用连同淹没效应显著影响冷凝模式和传热系数。最近，Kühl等研究了管束排列和表面结构对丙烷[51]和正丁烷[52]冷凝的影响，指出冷凝传热系数受到淹没效应的影响。然而，对丙烷和正丁烷二元共沸混合物的实验[53]表明，淹没效应可以破坏扩散膜，从而将冷凝传热系数提高最多670%。Liu等[54]发现偏心滴落可以略微缓解管束效应带来的不利影响。尽管Ali等[55]进行了水平管束外冷凝的研究，但他们没有展示过冷度如何影响传热系数，没有提供整个管束的冷凝图像，也没有研究管束内的淹没效应。

因此，研究人员对乙醇浓度、冷却水速度、蒸气速度和管束淹没效应如何影响水平管束上乙醇-水蒸气混合物冷凝的认识仍然有限。因此，这些因素对马兰戈尼冷凝的影响需要系统研究。本文研究了在不同乙醇蒸气浓度（0.25%、0.5%、1%、2%和5%）、冷却水速度（1.2 m/s、1.5 m/s、1.8 m/s和2.1 m/s）和蒸气速度（0.51 m/s、0.58 m/s和0.65 m/s）下，冷凝传热系数随过冷度的变化。考察了这些多因素对管束传热性能的相互作用影响。在各种工况下获取了冷凝图像和实验数据，进一步阐明了马兰戈尼效应如何影响管束上的传热系数，为高效冷凝器的设计提供了理论支持。

各章节摘要

实验装置

图1展示了实验装置的示意图，包括蒸气发生段、管束测试段、冷凝段和两个独立的冷却水供应系统。图2展示了实际装置的照片。实验装置的暴露部分尽可能用隔热棉包裹以减少热损失。在开始实验之前，对整个装置进行了密封性检查，并且

冷凝模式

图5展示了实验中获得的部分冷凝图像。为了便于详细比较不同乙醇浓度下的冷凝模式，在每张原始图像下方直接提供了红色方框标记区域的放大图像。紫色圆圈和方框分别指示管下方积聚的冷凝液滴和滴落的冷凝液。原始图像中的标尺为液滴大小提供了参考

结论

本研究在水平错列铜管束上获得了乙醇-水蒸气混合物马兰戈尼冷凝的实验数据和冷凝图像。这些发现表明，错列管束上马兰戈尼冷凝的传热系数受多种因素相互作用的控制。主要结果总结如下：

(1) 在乙醇蒸气浓度为0.25%和0.5%时，观察到细小液滴和溪流状冷凝模式，伴随

CRediT作者贡献声明

马晓静：监督，软件。胡神华：撰写——初稿，软件，调查，经费获取，数据整理。范炳浩：撰写——初稿，软件，方法，调查，数据整理。孙明：数据整理，概念化。姬瑞峰：监督，项目管理。

Xiang Li：调查，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了新疆维吾尔自治区重点研发任务专项（编号：2022B03028-5）和新疆维吾尔自治区高校基本科研业务费项目（项目编号：XJEDU2025J003）的支持。
Binghao Fan|Shenhua Hu|Xiaojing Ma|Ming Sun|Xiang Li|Ruifeng Ji
新疆大学电气工程学院，中国乌鲁木齐 830017