（工程热物理专业论文）表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究.pdf

摘要 摘要 能源紧缺和节能减排的急迫性要求尽可能提高沸腾传热设备的传热效率，沸 腾传热强化的基础研究因此具有重要的理论意义和应用价值。添加表面活性剂的 沸腾传热强化技术具有添加量少、强化效果显著和操作简单的特点而受到国内外 的普遍关注，并成为传热科学研究中的热点课题。 本文选定离子型表面活性剂s d s 和c t a b 水溶液、非离子型表面活性剂t r i t o n x 1 1 4 和t r i t o nx 1 0 0 水溶液为实验工质，对表面活性剂溶液物性、沸腾过程中蒸 汽携带表面活性剂特性、表面活性剂溶液池核沸腾传热强化特性、表面活性剂溶 液池核沸腾传热的影响参数识别体系构建、沸腾工况下表面活性剂溶液表面张力 及接触角的理论计算、表面活性剂溶液池核沸腾换热关联式的开发等方面开展了 系统的实验研究和理论研究，取得了一些具有学术意义和实用价值的研究成果： ( 1 ) 针对选定的表面活性剂及其水溶液，测定了与沸腾传热相关的溶液物性， 得出表面活性剂种类、溶液浓度和溶液温度等参数对热稳定性、浊点、表面张力、 动力粘度和接触角的影响规律；考虑到沸腾过程中的蒸汽携带表面活性剂效应对 表面活性剂溶液沸腾传热的影响，开展了沸腾过程中蒸汽携带表面活性剂的实验 研究，获得了蒸汽携带表面活性剂效应对表面活性剂溶液沸腾传热强化效果的作 用规律，为进一步研究表面活性剂溶液池核沸腾传热强化特性奠定基础。 ( 2 ) 对影响表面活性剂溶液池核沸腾传热的参数进行科学分类，分类考察并 获得了不可变参数、可变参数和外部参数及参数耦合对表面活性剂溶液池核沸腾 传热强化效果的作用机制，在此基础上构建了表面活性剂水溶液池核沸腾传热的 影响参数识别体系。就影响参数的主次关系而言，溶液浓度、热流密度、动态表 面张力和动力粘度是影响表面活性剂水溶液池核沸腾传热的关键影响参数；分子 量、接触角、聚氧乙烯基团数( e o 基团数) 、浊点是重要影响参数：蒸汽携带表 面活性剂效应、表面活性剂及其水溶液的热稳定性是不确定性影响参数。就影响 参数的作用权重而言，相同条件下关键影响参数、重要影响参数和不确定性影响 参数的影响权重依次降低。分析比较不同种类表面活性剂水溶液池核沸腾传热强 化特性时，在区分表面活性剂电离特性的前提下不仅要考虑影响参数的主次关系， 同时也要考虑影响参数的参数值变化方向及变化幅度。 ( 3 ) 鉴于溶液物性准确确定对传热定量分析的重要性和沸腾工况下表面活性 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 剂水溶液表面张力及接触角的现有测定手段的局限性，对沸腾工况下表面活性剂 水溶液的表面张力和接触角开展了理论计算研究。基于沸腾工况下表面活性剂的 界面吸附传质特征分析，建立了沸腾工况下表面活性剂的界面吸附模型，借助吉 布斯( g i b b s ) 吸附方程，确定了沸腾工况下表面活性剂水溶液表面张力的理论计 算式；同时根据固液界面的表面活性剂吸附位状态分析和固汽界面的吸附特征分 析，借助润湿方程，确定了沸腾工况下表面活性剂水溶液接触角的理论计算式。 根据沸腾工况下表面活性剂水溶液表面张力和接触角的理论计算式，对沸腾工况 下的s d s 、c t a b 、t r i t o nx 1 1 4 和t r i t o nx 一1 0 0 水溶液的表面张力和接触角进行了 理论计算，结果表明：和常温相比，沸腾工况下表面活性剂水溶液的表面张力显 著降低；s d s 、t r i t o nx 1 1 4 和t r i t o nx 1 0 0 水溶液的接触角均小于相同条件下水 的接触角，c t a b 水溶液则相反；沸腾工况下热流密度对表面张力和接触角的影响 体现在较高热流密度范围内。 ( 4 ) 用经典池核沸腾换热关联式对本文实验结果进行了预测，发现经典池核 沸腾换热关联式基于的换热模型的片面性使其不能很好地预测实验结果。为开发 准确度高、通用性好的表面活性剂溶液池核沸腾换热关联式，在实验研究的基础 上分析获取了影响表面活性剂溶液池核沸腾换热的无量纲数，开发了新的无量纲 数形式的表面活性剂溶液池核沸腾换热关联式，新建换热关联式计算结果与实验 结果吻合良好。 关键词：表面活性剂，池核沸腾，传热强化，参数识别，界面吸附，换热关联式 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu r g e n c yo fe n e r g ys h o r t a g e s ，e n e r g ys a v i n g sa n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s r e q u i r e si m p r o v i n gt h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yo fb o i l i n gh e a tt r a n s f e re q u i p m e n t sa s m u c ha sp o s s i b l e ，a n dt h eb a i s cr e s e a r c ho fb o i l i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t st h u sh a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t sw i t ht h ea d d i t i v e so fs u r f a c t a n t sh a v et h em e r i t ss u c ha ss m a l la d d i t o n s ， s i g i n i f i c a n th e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n te f f e c ta n ds i m p l eo p e r a t i o n ，s oh a v ea r o u s e d p u b l i cc o n c e r na r o u n dt h ew o r l da n da r eb e c o m i n go n eo ft h ef o c u s e si n t h eh e a t t r a n s f e rs c i e n t i f i cr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f r o m a n c e so fn u c l e a t ep o o lb o i l i n g w i t hd i f f e r e n ts u r f a c t a n ta d d i t i v e s ，t w oi o n i cs u r f a c t a n t s ，s o d i u md o d e c y ls u l f a t e ( s d s ) a n dc e t y l t r i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e ( c t a b ) ，a n dt w on o n i o n i cs u r f a c t a n t s ，t r i t o n x 一1 1 4a n dt r i t o nx 1 0 0 ，a r ep r e s e n t e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ：t h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so fp h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s t e a mc a r r y i n ge f f e c t sa n dn u c l e a t e p o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r , t h et h e o r e c t i c a lr e s e a r c h e so fs u r f a c et e n s i o n sa n dc o n t a c t a n g l e so fa q u e o u ss u r f a c t a n ts o l u t i o n su n d e rb o i l i n gc o n d i t i o n sa n d t h ee s t a b l i s h m e n to f h e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n so fn u c l e a t ep o o lb o i l i n go fa q u e o u ss u r f a c t a n ts o l u t i o n s b a s e d o ne x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s ，s o m ea c h i e v e m e n t sw i t hs c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c ea n d v a l u e sh a v eb e e na c q u i r e d ： ( 1 ) p h y s i c a lp r o p e r t i e sr e l a t e dt ob o i l i n gh e a tt r a n s f e ra r ei n v e s t i g a t e db a s e d o n t h es e l e c t e da q u e o u ss u r f a c t a n ts o l u t i o n s ，a n dt h ee f f e c tl a wo fs u f f a c t a n ts p e c i e s ， c o n c e n t r a t i o n sa n dt e m p e r a t u r eo fs u f f a c t a n ts o l u t i o n so nt h et h e r m a ls t a b i l i t y , c l o u d p o i n t ，s u r f a c et e n s i o n s ，d y n a m i cv i s c o s i t ya n dc o n t a c ta n g l e si sa c h i e v e d c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eo fs t e a mc a r r y i n ge f f e c t so nb o i n gh e a tt r a n s f e ro fs u r f a c t a n ts o l u t i o n s ， e x p e r i m e n t a ls t u d i e so fs t e a mc a r r y i n ge f f e c t sd u r i n gb o i l i n ga r ec o n d u c t e da n dt h e a c t i o nr u l e so fs t e a mc a r r y i n ge f f e c t so nb o i l i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fs u r f a c t a n t s o l u t i o n sa r eo b t a i n e d t h i sw o r kp r o v i d e sab a s i sf o rf u r t h e rs t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f b o i l i n gh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t so fs u r f a c t a n ts o l u t i o n s ( 2 ) b a s e do nt h es c i e n t i f i cc l a s s i f i c a t i o no ft h ei n f l u e n c ep a r a m e t e r so fs u r f a c t a n t s o l u t i o n sb o i l i n gh e a tt r a n f e r , t h em e c h a n i s m so fs i n g l ep a r a m e t e ra n dt h ei n t e r a c t i o n s o fa l lk i n d so fp a r a m e t e r so nb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fs u r f a c t a n ts o l u t i o n sa r e i n v e s t i g a t e da n dt h ep a r a m e t e r sr e c o g n i t i o ns y s t e mf o rn u c l e a tp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r i i i 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 o fs u r f a c t a n ts o l u t i o n si se s t a b l i s h e d a st ot h em a j o ra n dm i n o rr e l a t i o n s h i p so f i n f l u e n c ep a r a m e t e r s ，c o n c e n t r a t i o n s ，h e a tf l u x ，d y n a m i cs u r f a c et e n s i o n sa n dd y n a m i c v i s c o s i t ya r et h ek e yi n f l u e n c ep a r a m e t e r s ，m o l e c u l a rw e i g h t ，i o n i cn a t u r e ，c l o u dp o 缸 a n de t h y l e n eo x i d e ( e o ) g r o u pn u m b e ra r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，s t e a mc a r r y i n g e f f e c ta n dt h e r m a l s t a b i l i t y a r et h e u n c e r t a i n t yp a r a m e t e r s a st ot h ew e i g h t r e l a t i o n s h i p so fi n f l u e n c ep a r a m e t e r s ，t h ew e i g h ti sb e c o m i n gl o w e ri nt h eo r d e ro fk e y p a r a m e t e r s ，i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n du n c e r t a i n t yp a r a m e t e r sa tt h es a m ec o n d i t i o n s w h e nc o n s i d e r i n gt h e b o i l i n g h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t so fd i f f e r e n t s p e c i e s s u r f a c t a n t s ，i ts h o u l db en o t e dt h a tb o t ht h em a j o ra n dm i n o rr e l a t i o n s h i p so fp a r a m e t e r s a n dt h ec h a n g ed i r e c t i o n sa n da m p l i t u d eo fp a r a m e t e rv a l u ea r et ob ec o n s i d e r e do nt h e b a s i so ft h es a m ei o n i cn a t u r eo fs u r f a c t a n t s ( 3 ) i nv i e wo ft h ei m p o r t a n c eo fa c c u r a t ed e t e r m i n a t i o no fs u r f a c t a n ts o l u t i o n s p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt h el i m i t a t i o no fm e a s u r i n gm e t h o df o rs u r f a c et e n s i o n sa n d c o n t a c ta n g l e so fs u r f a c t a n ts o l u t i o n su n d e rb o i l i n gc o n d i t i o n s ，t h et h e o r e c t i c a ls t u d i e s o fs u r f a c et e n s i o n sa n dc o n t a c ta n g l e so fs u r f a c t a n ts o l u t i o n su n d e rb o i l i n gc o n d i t i o n s a r ec a r r i e do u t ap r e d i c t e dm o d e lo fi n t e r f a c i a la d s o r p t i o ni sd e v e l o p e db a s e do nt h e m a s st r a n s f e ra n a l y s i so fi n t e r r a c i a la d s o r p t i o nd u r i n gb o i l i n go fs u r f a c t a n ts o l u t i o n s t a k i n ga c c o u n to ft h eg i b b sa d s o r p t i o ne q u a t i o n ，a n a l y s i so fi n t e r f a c i a la d s o r p t i o no f s u r f a c t a n ts o l u t i o n so ns o l i d l i q u i da n ds o l i d v a p o ri n t e r f a c ea n dy o u n ge q u a t i o n ，t h e t h e o r e c t i c a lc o m p u t a t i o nf o r m u l a so fs u r f a c et e n s i o n sa n dc o n t a c ta n g l e su n d e rb o i l i n g c o n d i t i o n sa r ea c h i e v e da n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tt h ev a l u eo fs u r f a c e t e n s i o n su n d e rb o i l i n gc o n d i t i o n si sm u c hl o w e rw h e nc o m p a r i n gw i t ht h ev a l u eo f s u r f a c et e n s i o n su n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s t h ec o n t a c ta n g l e so fs d s t r i t o nx 一1 1 4a n d t r i t o nx 1 0 0s o l u t i o n sa r el o w e rt h a nw a t e ra tt h es a m ec o n d i t i o n s ，a n dt h ec t a b s o l u t i o n sd ot h ec o n t r a s t t h ei n f l u e n c e so fh e a tf l u xo ns u r f a c et e n s i o n sa n dc o n t a c t a n g l e se x i s ta th i g hh e a tf l u xr a n g e ( 4 ) t y p i c a lh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sf o rn u c l e a t ep o o lb o i l i n ga r eu s e dt op r e d i c t e x p e r i m e n t a ld a t ao ft h i sp a p e r , b u tt h eo n e - s i d e d n e s so fh e a tt r a n s f e rm o d e l si nt y p i c a l c o r r e l a t i o n sl e a d st ot h ep r e d i c t e dv a l u eq u i t ed i f f e r e n tt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e n ，a n e wh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sw i t hd i m e n s i o n l e s sn u m b e r sf o r mf o rn u c l e a t ep o o l b o i l i n go fa q u e o u ss u r f a c t a n ts o l u t i o n si s e s t a b i s h e db yt h er e g r e s s i o no fn u c l e a t e b o i l i n gh e a t t r a n s f e re x p e r i m e n t sd a t a ，a n dt h en e wh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sa r e c o m p a r e dw i t hc u r r e n ta v a i l a b l ed a t aa n de x p e r i m e n t a ld a t aw i t hg o o dc o s i s t e n c y i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：s u r f a c t a n m ，n u c l e a t ep o o lb o i l i n g ，h e mt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，p a r a m e t e r r e c o g n i t i o n ，i n t e f f a c i ma d s o r p t i o n ，h e mu a n s f e rc 0 n e l a t i o 璐 v 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 v i 基本符号表 基本符号表 a 加热表面内壁表面积，m 2 ；表面活性剂溶液沸腾时沸腾表面上汽泡占据面积， m 2 ；固体试样的表面积，m 2 a 辨单位物质的量表面活性剂吸附单体占固体表面面积，m z m o l 觚沸腾阿基米德准则数 a w 叫沸腾时沸腾表面上汽泡占据面积，m 2 b o 沸腾准则数 6 比例常数 c 溶液浓度，p p m ，m o l d ，r e t o o l l ；经验常数 c m c 一临界胶束浓度，p p m ，m o l d ，m m o l 1 c p 诎点， 经验常数 c a ，c p l 饱和液体定压比热容，j ( k g k ) d 质量扩散系数，m 2 s 现汽泡脱离直径，m d 。表面活性剂界面吸附扩散速度，m s 如，保温层内径、外径，m f 自然对流增强因子 产_ 汽泡脱离频率，h z g q 力加速度，m s 2 g l 液相比自由焓，j k g 毋汽相比自由焓，j k g | l l 沸腾换热系数，w ( m 2 k ) ，k w ( m 2 k ) 砷化潜热，j k g ，k j k g h l 一相对流传热系数，w ( m 2 k ) 核态沸腾传热系数，w ( m 2 k ) 流动沸腾传热系数，w ( m 2 k ) j i l w 水的沸腾换热系数，w ( m 2 k ) x i 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 ，屯流，a ，f 常数 卜呻离，m 厶保温层高度，m m 分子量，k g k m o l ，g m o l ：固体试样质量，g ，k g 历加热表面特征参数；经验常数 汽化核心数，个m 2 m 何伏加德罗常数 o 叫穴密度，个m 2 从表面活性剂界面吸附的绝对传质通量，k g ( m 2 s ) ，k m o l ( m 2 - s ) w 水在相界面上的绝对传质通量，k g ( m 2 s ) ，k m o l ( m 2 s ) 甩常数；表面活性剂分子数，个 表面活化穴密度，个m 2 p r 普朗特准则数 既_ 对比压力 p _ 压力差，p a q c a l 计算加热量，w q 万有效加热量，w q 妇一撒热损失，w q k 缸厂1 总加热量，w 留热流密度，w m 2 ，k w m 2 只通用气体常数，j ( k m 0 1 ) r e 6 沸腾雷诺准则数 ，汽泡半径，m ，c 汽泡临界半径，m n 最小成核半径，m ，l 毛细测量管半径，m 厂2 液面调节毛细管半径，m s 核态沸腾抑制因子 x i l 基本符号表 s 经验指数 lf 硼度，k ， 瓦，岛液体饱和温度，k ， “沸腾表面温度， 锄，保温层内、外壁平均温度， 钿加热表面内壁面温度， f w d 加热表面外壁面积分平均温度， f 壁面过热度， u 吨压，v 汽泡生成速度，m s 溶液中表面活性剂分子到达相界面的速度，m s y 溶液体积，m 3 弱界面吸附的表面活性剂物质的量占溶液总物质的量的百分数， 卜_ 界面吸附量，m o l m 2 ，l u n o l m 2 平衡吸附量，m o l m 2 ，g m o l m 2 乃周液界面吸附量，m o l m 2 ，g m o l m 2 咖修正系数 a t p r 液体中的固体加热表面上形成半径为，的汽泡所需能量，j j 壁厚，m ；微液层厚度，m ；相对误差， 乒_ 力日热表面特征参数；吸附速度系数，1 s 口接触角，0 ，r a d a 紫铜导热系数，w ( m k ) ；加热表面特征参数 厶保温材料导热系数，w ( m 翰 丑_ 体导热系数，w ( m k ) f 动力粘度，k g ( m s ) v 1 吨动粘度，m 2 s 万膜压，m n m ；圆周率 p t 、p v 饱和液体、饱和蒸汽密度，k g m 3 ： 盯表面张力，n m ，m n m 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 劬动态表面张力，n m ，m n m 静态表面张力，平衡表面张力，n m ，m n m a l s ，溶液与表面活性剂单体形成的表面张力、吸附空位处溶剂与固体表面 形成的界面张力，n m ，m n m ，甜和伺气，固液和气液界面张力，n m ，m n m 水的表面张力，n m ，m n m _ r 一耐间，m s ，s ，m i n ，h 0 3 6 汽泡成长率，m s x l v 1 绪论 1 1选题背景及意义 1 绪论 近年来，能源紧缺和节能减排的急迫性要求尽可能提高换热设备的传热效率， 沸腾传热强化也因此成为传热科学研究中的热点课题【圳。另一方面，池核沸腾换 热不仅是工业中广泛应用的换热形式，而且便于对其换热机理开展研究【5 - 8 1 。因此， 池核沸腾传热强化的研究在实际应用和理论研究中都具有重要意义。 添加表面活性剂强化沸腾换热是众多传热强化技术中的一种，它通过改变溶 液物性，影响沸腾过程中的汽泡行为而实现沸腾传热强化，这种传热强化技术因 具有添加量少、传热强化效果显著和操作简单的特点而受到众多传热研究者的关 注【2 - 3 , 9 - 1 0 。但是，溶液中添加少量表面活性剂后，表面活性剂会在气、液、固三相 组成的各种界面上产生吸附1 1 。1 3 1 ，从而导致溶液物理化学性质和界面特性发生改 变，加上沸腾换热本身的复杂性、多样性和随机性，添加表面活性剂的沸腾传热 强化机理至今尚未认识清楚，远远不能满足实际应用中日臻迫切的需求。 由上可见，对添加表面活性剂强化池核沸腾换热开展基础性研究，不仅在当 今节能减排的世界热点问题上具有很好的实际意义，而且在揭示沸腾换热这一复 杂物理现象的机理方面也有着重要的理论价值。为此，本文将首先对沸腾换热背 景下的表面活性剂溶液物性、添加表面活性剂的沸腾传热强化的国内外研究现状 和发展动向进行总结，以明确本课题的具体研究内容。 1 2 表面活性剂溶液物性研究进展 1 2 1表面活性剂概述 表面活性剂一词来自英文“s u r f a c t a n t ”，它是“s u r f a c ea c t i v ea g e n t 的缩写 词。表面活性剂的定义目前尚无统一描述，普遍认为表面活性剂是一大类功能性 有机化合物，其分子结构一般包括非极性的碳氢链( 也称亲油基或疏水尾端) 和 极性基团( 也称亲水基或亲水头端) 两部分构成，所以也称双亲化合物。图1 1 给 出了表面活性剂的分子结构示意。 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 亲水头端 图1 1 表面活性剂分子结构示意图 f i g 1 1s k e t c ho fs u f f a c t a n tm o l e c u l a rs t r u c t u r e s 表面活性剂种类繁多，分类方法亦不一样，目前公认的分类方法是据表面活 性剂溶于水时是否电离将其分为非离子型和离子型两大类，其中离子型表面活性 ，剂按其在水中生成的离子种类又分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。表1 1 给 出了四种类型表面活性剂的一些基本信息【1 4 1 。 表1 1 表面活性剂基本信息 1 隐b l e1 1b a s i ci n f o r m a t i o no fs u r f a c t a n t s 表面活活性离子或 常用亲水基主要应用 世界产 性剂类型 分子电荷类型量排名 含有氧化乙烯单元的聚润湿剂、乳化剂和发泡 非离子型不电离 2 醚 剂等 羧酸盐、磺酸盐、硫酸盐洗涤剂、润湿剂、发泡 阴离子型阴离子 1 和磷酸盐剂和乳化荆等 杀菌剂、矿物浮选剂和 阳离子型阳离子氨基和季铵基 3 抗静电剂等 两性 阴离子、阳离子 碱性基主要是胺基或季 香波组分、杀菌剂、抗 胺基，酸性基主要是羧基 4 离子型或两性离子静电剂和纤维柔软剂等 和磺酸基 表面活性剂的双亲分子结构使得其具有一部分可溶于水而另一部分易自水中 逃离的双重性质，从而使得表面活性剂分子在水溶液体系中存在一些独特性质。 表面活性剂的典型性质之一是它在界面上有聚集趋势，即水溶液中加入表面 活性剂后其分子能定向地聚集于两相界面上，从而改变两相界面的性质。表面活 性剂的另一典型性质是它往往会在溶液中形成胶束或胶团，即极性基形成一与水 接触的外壳并包非极性基于其内，使极性基团不与水相接触。溶液中开始形成胶 束的最低表面活性剂浓度称临界胶束浓度( c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n ，简写为 c m c ) 。c m c 是表面活性剂的重要特性参数，表面活性剂溶液的许多物理化学性 质在此浓度下往往会发生突变。表面活性剂在水中的溶解度对温度的依赖性是其 又一重要性质，对离子型表面活性剂，其在水中的溶解度在较低温度范围内随溶 液温度上升而缓慢增大，当溶液温度上升到某一定值时其溶解度随溶液温度上升 2 1 绪论 而迅速增大，这个特定的温度叫做克拉夫点( i q a f f tp o i n t ，简写为k p ) ；对非离子 型表面活性剂，其在水中的溶解度先随温度的升高而减小，当温度升高到一定值 时，表面活性剂开始从溶液中析出，使原来透明的溶液变得浑浊，这时的温度叫 浊点( c l o u dp o i n t ，简写为c p ) ，绝大多数非离子型表面活性剂都存在浊点【件1 5 】。 1 2 2 溶液物性研究进展 溶液中加入表面活性剂后，溶液物理特性的改变会影响沸腾溶液中汽泡的形 成、生长和运动规律，从而影响溶液的沸腾换热特性。因此，认知表面活性剂溶 液物理特性是探索表面活性剂强化沸腾换热机理的基础。 国内外众多课题组，如国外的h e t s r o n i 课题组【1 6 。矧、m a n # i n k 课题组【2 7 。3 3 】、 i n o u e 课题组 3 4 1 和j e o n g 课题组【3 5 】等，国内的y a n g 课题组【3 6 删和郭烈锦课题组【4 1 1 等都对表面活性剂溶液的物理特性进行了研究，发现表面活性剂溶液物理特性受 到表面活性剂种类、溶液浓度、溶液温度和沸腾工况等众多因素影响。下面基于 表面活性剂强化沸腾换热的应用背景，对与沸腾换热相关的表面活性剂溶液的表 面张力、粘度、润湿性能和溶解特性等物理特性的研究进展进行阐述。 ( 1 ) 静态表面张力 溶液表面张力的降低是表面活性剂强化沸腾换热的重要原因之一，表面活性 剂溶液静态表面张力也因此得到了最广泛和最深入的研究。图1 2 【3 7 l 给出了已有研 究的典型实验结果。从图1 2 可看出，2 5 下不同种类表面活性剂溶液的静态表 面张力都随溶液浓度的增加而降低，但降低幅度与表面活性剂种类和溶液浓度有 关，文献 1 5 ，1 7 ，1 9 2 0 ，2 6 ，3 0 3 1 ，3 9 也得到了类似结论。但值得注意的是， 图1 2 中溶液的最高浓度仅为4 0 0p p m ( p p m 为质量浓度单位：百万分之一，下同) 。 g o 一 7 0 6 0 暑 重5 0 b 4 0 3 0 2 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 c p p m 图1 2 静态表面张力随溶液浓度的变化关系旧 f i g 1 2v a r i a t i o no fe q u i l i b r i u ms u r f a c et e n s i o n sw i t hc o n c e n t r a t i o n so fs u r f a c t a n ts o l u t i o n s 3 7 】 3 一潞一一一一 江苏大学博士学位论文：表面活性剂水溶液池核沸腾传热强化的研究 表面活性剂溶液静态表面张力除与表面活性剂种类和溶液浓度有关外，温度 对其亦有一定影响。h e t s r o n i 等【1 9 】和r o z e n b l i t 等【4 2 】测定了不同温度下表面活性剂 a l k y l ( 8 1 6 ) 溶液的静态表面张力，发现溶液浓度一定时，静态表面张力随溶液温度 的升高而降低，但降低幅度较小。z h a n g 4 3 】亦发现表面活性剂e t h o q u a d1 8 2 5 溶液 静态表面张力随溶液温度升高而小幅降低且呈线性关系，其测定的溶液最高温度 为8 0 。文献 1 8 ，2 1 ，4 4 4 5 也研究了温度对表面活性剂溶液静态表面张力的影 响，所得结论与前类似。但是，温度对表面活性剂溶液静态表面张力的影响可能 还与温度作用时间长短和周期性有关，但目前这方面研究还很少。w a n g 等1 4 4 】和 m o r g a n 等【删实验发现表面活性剂溶液静态表面张力在沸腾前后基本一致，但未说 明持续沸腾时间长短。 ( 2 ) 动态表面张力 表面活性剂在汽液界面的吸附是一动态过程，汽液界面更新过程中溶液表面 张力会随时间而发生变化，溶液达到静态表面张力前表面张力随时间的变化称动 态表面张力【”】。沸腾过程中，汽泡行为会导致汽液界面不断更新，因此，研究表 面活性剂溶液的动态表面张力非常重要。w u 等【3 9 1 较早用最大气泡压力法测定了表 面活性剂水溶液的动态表面张力，测定的汽泡表面寿命最短为1 0 0m s ，其主要结 论是：对一定浓度的表面活性剂溶液，气泡生成频率越高，动态表面张力越高， 高浓度下这种变化规律更为明显，且其变化规律与表面活性剂种类有关。m a n g l i k 课题组 3 1 , 4 3 , 4 7 1 采用最大气泡压力法系统研究了不同种类表面活性剂溶液的动态表 面张力，测定了2 3 和8 0 两种溶液温度下表面活性剂溶液的动态表面张力，发 现对一定浓度的表面活性剂溶液，溶液温度越高，动态表面张力越低：气泡生成 频率越高，动态表面张力越高；动态表面张力除与溶液温度和溶液浓度有关，还 与表面活性剂电离特性、分子量和e o 基团数等密切相关。图1 3 示出了m a n g l i k 课题组的部分实验结果，图1 3 中比较了8 0 下表面活性剂溶液静态和动态表面 张力，测定动态表面张力的气泡表面寿命为5 0m s 。此外，l l i e v 和d u s h k i n 4 8 1 也对 动态表面张力进行了研究，所得结论与m a n g l i k 课题组类似。值得指出的是，动态 表面张力实验测定数值的准确性与其测定方法密切相关，相同条件下不同测定方 法所获得的动态表面张力可能存在很大差别【3 1 】。 4 1 绪论 6 5 5 5 。口 重4 5 t 3 5 2 5 0l 咖2 0 0 03 咖4 0 0 05 0 0 0 c p p m 图1 3 动态表面张力和静态表面张力与溶液浓度的变化关系m f i g 1 3v a r i a t i o no fe q u i l i b r i u ma n dd y n a m i c es u r f a c et e n s i o n sw i t hc o n c e n t r a t i o n s 3 1 1 ( 3 ) 粘度 ， 溶液中加入表面活性剂后溶液粘度可能会发生变化而影响溶液流动性能，从 而改变溶液的沸腾换热特性。c h e n 等【1 5 】测定了2 0 、4 0 和6 0 下溶液浓度为1 0 3 5 p p m 的表面活性剂9 5 s d s 溶液( 溶液浓度小于其c m c ) 和1 2 0 3p p m 的t r i t o n x 1 0 0 溶液( 溶液浓度远大于其c m c ) 的动力粘度，发现相同温度下两种表面活 性剂溶液动力粘度都与水基本一致，溶液表现出牛顿流体特性，即使表面活性剂 t r i t o nx 1 0 0 溶液的浓度远大于其c m c ，但应注意其测定溶液温度最高为6 0 。 h e t s r o n i 等【2 3 】的研究结论则有些不同，他们系统研究了表面活性剂a l k y l ( 8 1 6 ) 溶液 运动粘度和动力粘度与溶液浓度、溶液温度及剪切速率的关系，发现溶液温度为 2 5 时溶液表现出剪切增稠现象，而6 0 时刚好相反，表现出剪切变稀现象，可 见表面活性剂a l k y l ( 8 1 6 ) 溶液表现出非牛顿流体行为，值得说明的是，实验中表 面活性剂舢k y l ( 8 - 1 6 ) 溶液浓度都大于其c m c ( a l k y l ( 8 1 6 ) 的c m c 约为3 0 0p p m ) 。 此外，h e m a n d e z l 4 9 亦得出当表面活性剂溶液浓度高于c m c 时溶液表现出粘弹性 的非牛顿流体特性。由上可知，表面活性剂溶液粘度受到表面活性剂种类、溶液 温度、溶液浓度和剪切速率的影响，当表面活性剂溶液浓度低于c m c 时，大多数 表面活性剂溶液表现出牛顿流体行为；而当溶液浓度高于c m c 时，溶液既可能表 现出非牛顿流体行为，也可能表现出牛顿流体行为，这可能与所用表面活性剂种 类有关。实际上，当表面活性剂溶液浓度高于其c m c 时，溶液中存在胶束，胶束 形状以及胶束与胶束之间的相互作用可能是导致溶液流变特性改变的重要原