超声波对微细通道内纳米制冷剂流动沸腾传热影响

为探究有无超声波作用下微细通道内纳米流体流动沸腾传热特性,该研究设计了一种可以放置超声波换能器的微细通道试验段,运用超声波振荡法制备了纳米颗粒质量分数为0.1%、0.2%、0.3%的均匀稳定TiO2/R141b纳米制冷剂。在设计系统压力为152 kPa,有效热流密度的范围为10.8～22.7 kW/m2,超声功率为50 W,超声频率为23 kHz,质量流率为121.1 kg/(m2·s),入口温度为35 ℃的工况下,在截面宽度为2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验。研究结果表明：纳米颗粒质量分数为0.2%时的传热系数较高,强化传热效果较好,超声波作用下仍是质量分数为0.2%的纳米流体强化传热效果较好,相对于无超声情况下R141b平均饱和沸腾传热系数最大提高了89.9%。热流密度对超声波强化传热效果有很大影响,不同热流密度下强化效果有明显差距,声场作用下纳米制冷剂的平均饱和沸腾传热系数随有效热流密度的增大呈先增后降的趋势。通过COMSOL软件对通道内汽液界面的声场进行了模拟,模拟结果表明超声波在汽泡中的传播较弱。对于质量分数为0.2%的纳米制冷剂,进出口超声作用下超声强化因子最大为1.46。该研究结果可为通过施加超声波提高微细通道换热性能提供新思路。     

SiO_2纳米流体在太阳能集热管中的传热特性

为研究SiO2-水纳米流体在太阳能集热管中的传热特性,该文采用数值模拟与试验结合的方法进行分析。通过高压微射流制备了稳定的SiO2纳米流体,并利用粒度分析表征了其悬浮稳定性,同时试验测试了质量分数为1%~5%的SiO2-水纳米流体的导热系数和透射率。针对纳米流体集热管换热特性,模拟计算了蒸馏水和不同质量分数的纳米流体的温度场和速度场分布,同时,对以SiO2纳米流体和蒸馏水为工质的集热管进行了闷晒试验研究,结果表明,纳米流体具有比蒸馏水高的换热特性且随着其质量分数的增加而增大。在此基础上,该文分析了放置时间对纳米流体换热特性的影响,结果表明,放置时间越长,纳米流体团聚越明显,导致其光热特性降低。该研究为纳米流体在太阳能光热及光伏冷却应用方面提供参考。     

换热器微细通道纳米流体沸腾混沌特征与强化传热的关系

为探究微细通道内纳米流体流动沸腾系统的传热性能、非线性特性及其相互关系,分别以质量分数为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.30%的Al2O3/R141b纳米流体和R141b纯制冷剂为试验工质,在2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验,计算得到了不同浓度纳米流体的沸腾传热系数,建立了试验段进出口压差时间序列,运用Hurst指数分析、关联维数、最大Lyapunov数和Kolmogorov熵研究了该时间序列的非线性特征,并比较其与传热系数之间的关系,结果表明:相比纯制冷剂,纳米流体流动沸腾系统的混沌程度更强,传热性能也更好;纳米流体的混沌程度随着浓度的升高先增强后减弱,其沸腾传热系数也随着浓度的升高先增加后减小,试验工况下质量分数为0.1%的纳米流体的各项非线性特征量均达到最大值,混沌程度最强,相应的沸腾传热系数也为最大,其平均沸腾传热系数可达4.25 k W/(m~2·K),而纯制冷剂仅为2.42 k W/(m~2·K)。该文采用非线性分析与试验相结合的方法,更能准确描述微细通道沸腾系统的动力学特征,可为进一步研究微细通道纳米流体相变强化传热机理提供参考。     

热管式真空管太阳能聚光集热系统传热特性分析

该文设计了一套最高可提供473 K高温热水的热管式真空管太阳能聚光集热系统,为研究该系统的传热特性并为系统设计提供理论依据,建立了热管式真空管太阳能聚光集热系统传热过程的一维数学模型,计算并分析了该系统的传热性能。计算结果表明,该文设计的热管式真空管太阳能聚光集热系统的瞬时热效率均高于70%,且随太阳直射辐照强度和环境温度的升高逐渐升高,随传热流体温度和风速的升高逐渐降低。热管式真空管接收器内工质的工作温度和压力也随太阳直射辐照强度、传热流体温度、环境温度及风速的变化而变化。在该文计算条件下,热管的工作温度在327.6~503.2 K,工作压力在0.016~2.8 MPa,符合以水作为热管工质的最佳工作范围(293~523 K)。环形区域压力和渗入气体种类对集热系统传热性能也有明显影响。当环形区域压力P10~(–3) Pa时,接收器热损失较小且随压力变化基本保持不变;当P10~(–3) Pa时,随着环形区域压力升高,接收器热损失逐渐增大。另外,环形区域渗入气体的导热系数越大,接收器热损失越大。该研究对了解热管式真空管太阳能聚光集热系统传热特性、优化集热系统结构、指导系统设计具有一定的实用价值。     

电场作用下微细通道内纳米流体流动沸腾传热性能

为探究电场作用下微细通道内纳米流体流动沸腾传热特性,该研究在微细通道几何中心布置线状电极来产生0～800 V不均匀电场,采用两步法配置出不同质量分数的SiO2-R141b纳米流体,在截面为2 mm×2 mm微细通道内开展流动沸腾试验,研究不同质量分数纳米流体在不同电压电场作用下微细通道内平均饱和沸腾传热系数以及有效强化传热热流密度范围。通过可视化研究不同电压电场作用下微细通道中汽泡的脱离速率、受限汽泡运动速度以及长径比的变化,分析电场作用下纳米流体流动沸腾强化传热机理。利用传热综合性能评价方法研究不同强化技术对微细通道的强化传热综合性能的提升。研究结果表明,相较于纯制冷剂,单独电场强化、单独添加纳米颗粒强化、电场与添加纳米颗粒复合强化作用最大饱和沸腾传热系数分别提升44.9%、20.9%、58.0%。电场作用下纳米流体强化传热综合性能最高,平均传热综合性能评价因子为1.34。该研究结果可为微细通道内复合强化传热技术的应用提供参考。     

菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验

该文基于直通式微通道冷却的菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能的仿真和试验进行研究,结果表明,太阳辐照度、聚光元件间的装配距离、入射角及热对流等对系统热电性能的影响较大;太阳直接辐照度为226 W/m2时,菲涅尔透镜与聚光元件间距离增大2 mm后,功率和电效率分别下降0.98 W和7.4%,对于确定的菲涅尔高倍聚光PV/T系统,存在最佳聚光元件装配参数范围;当太阳直接辐照度一定时,冷却工质流量越大,电池表面温度下降越快,但在较高流量时,随着流量持续增大,电池表面温度下降趋势减小;当入射角由0°增大至1°后,系统得热量下降0.25 MJ,在太阳辐照度达到500 W/m2时,输出功率下降6.35 W;试验系统输出性能稳定,且适用于大型系统,该文研究为系统实际运行参数调控提供理论和试验依据。     

非聚光光伏-热电耦合系统表面换热影响分析及模型验证

目前光伏-热电耦合系统模型多是基于能量守恒原理建立的一维传热模型,忽略了系统表面自然对流及自然辐射换热的影响,对非聚光光伏-热电耦合系统能量分析影响较大。该研究通过ANSYS建立了光伏-热电耦合模型,分析考虑系统表面对流及辐射换热后的系统能量传递过程,研究不同冷却模式下3种不同光伏电池的光伏-热电耦合系统特性,并通过试验对比仿真效率与测量效率,分析仿真模型误差。研究发现系统表面换热对非聚光光伏-热电耦合系统热通量影响主要与环境温度与光伏温度有关,光伏温度越接近环境温度,系统表面对流及辐射换热影响越小。考虑系统表面对流及辐射换热后,3种光伏-热电耦合系统在不同冷却模式下,光伏背板热通量最多减少22.60%。系统表面对流及辐射换热对自然风冷散热模式的光伏-热电耦合系统精度影响最大,光伏背板热通量至少减少9.21%。当冷却效果较好时系统表面对流及辐射换热会导致光伏背板热通量增加,最多增加7.17%。非聚光模式下GaAs光伏-热电耦合系统受辐照度影响最小,600～1 400 W/m2辐照度范围内效率最多减少0.12%。该文所建模型仿真效率最大绝对误差为-0.299 5%,最大相对误差为-3.032 0%,较为适用于非聚光模式的光伏-热电耦合系统特性分析。     

矩形微通道热沉内变物性工质的流动与换热特性

为了研究不同雷诺数下,工质的热物理性质对矩形微通道热沉内工质流动与换热的影响,该文建立了三维共轭传热模型,对微通道内单相层流的换热和流动特性进行了数值模拟研究,分析结果表明：当雷诺数为16时,与常物性工质相比,变物性工质具有较佳的换热性能以及更低的摩阻系数,此时基于工质常物性的数值假设会与实际情况偏离,而当雷诺数增加至333时,常物性工质与变物性工质的流动和换热性能具有较好的吻合,这在一定程度上解释了现有研究成果中矩形微通道热沉内工质流动与换热特性方面的试验结果与数值模拟之间存在偏差的现象。该研究为进一步改进数值模型精度提供了参考。     

日光温室冷凝除湿系统用蒸发器强化传热数值分析

为提高日光温室冷凝除湿系统中蒸发器的综合换热性能,将三角翼型涡发生器强化传热技术引入到蒸发器中。该文针对平直肋片管翅式蒸发器和加装三角翼型涡发生器肋片管翅式蒸发器的热质传递与阻力性能,建立了这2种蒸发器的三维传热模型,运用平均努塞尔数、阻力系数、析湿量、肋片效率及强化传热因子等评价参数,对不同除湿工况下2种蒸发器的传热传质及阻力特性进行了对比分析。结果表明,涡发生器下游的空气通道两侧肋片表面凝结液主要分布于纵向涡流边界以外,边界形状分别呈条带状和椭球状;涡发生器降低凝结液尺寸和脱落直径的同时使蒸发器的析湿量平均增长了50.79%,增强了蒸发器排液能力和除湿能力;涡发生器使蒸发器肋片效率平均提高了2.00%,并将蒸发器空气侧平均努塞尔数平均提升了25.45%,强化传热因子平均提升了9.61%,但阻力系数平均增长了51.70%;在空气相对湿度高于70%的除湿工况下,蒸发器的入口空气流速推荐值取2 m/s。该研究可为日光温室冷凝除湿系统蒸发器的结构优化设计提供参考。     

换热设备螺旋和直细通道内扇形凹穴对流体流动和传热的影响

为探究结构表面(如凹穴)对换热设备螺旋和直细通道内流体流动和传热影响的差异,在这2种通道的两侧面加入扇形凹穴,并采用数值方法研究其在不同雷诺数下流动、传热、熵产以及综合性能的影响。结果表明:凹穴对螺旋细通道内流体的流动影响明显,摩阻系数最大提高23%,而对传热和综合性能几乎没有影响;低雷诺数时凹穴对直细通道内流体的流动、传热和综合性能的影响不明显,而高雷诺数时影响显著,摩阻系数和努塞尔数最大分别提高50%和45%,最大传热强化因子达1.27;凹穴可减少螺旋和直细通道内流体流动和传热过程的熵产,但在高雷诺数时才比较明显地减少,且对直细通道的影响大于螺旋细通道,熵产增大数的最小值分别为0.34和0.73。研究结果可为微细通道换热设备的性能改善提供参考。     

4种用于温室除湿的亲水翅片管蒸发器热湿传递性能分析

温室冬季高效除湿需求已经成为制约中国温室产业高质量发展的技术难题之一。为了提高温室用冷冻除湿系统中亲水翅片管蒸发器的热湿传递性能,该研究建立了低温高湿工况下平翅片、带涡产生器平翅片、波纹翅片、开缝翅片4种亲水翅片管蒸发器空气侧的数值传热模型,采用蒸发器的换热量Q、努塞尔特数Nu、摩擦因子f、单位翅片面积析湿量和强化传热因子JF等评价参数,对比分析了低温高湿工况下4种亲水翅片管蒸发器空气侧热湿传递性能。结果表明,与平翅片相比,带涡产生器平翅片、波纹翅片、开缝翅片空气侧的Nu、Q和f均高于平翅片,且开缝翅片的Q和f在相同条件下均最大;4种翅片的f随入口风速的增大而大幅度减小,而相对湿度对f的影响较小;单位翅片面积析湿量均随入口风速和相对湿度的增大而增大,波纹翅片的除湿能力最优;在入口风速1～4 m/s和相对湿度80%～95%条件下,波纹翅片管蒸发器的JF因子平均值最大,其热性能最优;在冬季寒冷地区低温高湿的温室中,推荐选用波纹亲水翅片管蒸发器对温室内空气进行除湿。该研究可为温室低温高湿环境下除湿系统用亲水翅片管蒸发器的设计与应用提供参考。     

基于响应面法的碳管纳米流体稳定性

为了获得稳定性更好的纳米流体,基于响应面法对添加优选后分散剂的碳管纳米流体进行了稳定性的优化。通过“两步法”制备碳管纳米流体,比较了4种不同类型的表面活性剂对碳管纳米流体稳定性和导热性的影响。以碳管纳米流体的粒径为评价指标,选取碳管纳米流体质量分数、超声振荡时间、放置时间3个影响因素,设计了三因素三水平Box-Behnken试验,利用响应面法考察了各因素对纳米流体稳定性交互作用的影响。结果表明,含有十二烷基甜菜碱Dodecyl Betaine分散剂的碳管纳米流体,在碳管与分散剂比例为1∶2时综合性能最好。试验数据建立的二次多项数学模型显著性极高(P<0.000 1),相关系数R²=0.964 4,预测值与实际值具有很好的拟合度。通过二次元回归模型得到影响碳管纳米流体稳定性因素的条件为：碳管纳米流体质量分数0.27%,超声时间83.45 min,放置时间8 h。在此条件下的粒径平均值为121.58 nm,与预测值120.60 nm有0.016%的误差,说明此模型优化碳管纳米流体稳定性是可行的。     

脉动燃烧干燥及传热特性研究

为探讨脉动燃烧干燥新技术的干燥性能,研制了脉动燃烧干燥试验装置,并进行了干燥油菜籽的试验研究。分析了频率、热负荷以及干燥管长度对干燥指标的影响。通过脉动燃烧干燥传热试验研究和理论分析,得出脉动燃烧器尾管内干燥的传热努塞尔数Nu与雷诺数Re呈指数关系变化;脉动燃烧干燥的努塞尔数Nu是部分传统干燥器的2～5倍。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。     

人字形板式换热器流道传热特性及参数优化

为实现田间条件下快速、准确识别棉花与杂草,该文以自然光照下田间棉花与杂草为研究对象,采用垂直向下拍摄的方式获取棉花杂草视频,按1帧/s的速率从视频中提取图像,在人工去除冗余度过多的图片后,建立1 000幅图片的数据集。对比了Faster R-CNN和YOLOv3 2种典型卷积神经网络,将Faster R-CNN卷积神经网络的深度学习模型引入到棉花杂草图像识别中,并提出一种结构优化的方法,使之适用于复杂背景下的棉田杂草识别。该文选用残差卷积网络提取图像特征,Max-pooling 为下采样方法,RPN网络中引入特征金字塔网络生成目标候选框,对卷积神经网络结构进行优化。在使用700幅图片进行训练后,通过200 幅田间棉花杂草图像识别测试,结果表明：该方法的平均目标识别准确率达95.5%,识别单幅图像的平均耗时为1.51 s,采用GPU 硬件加速后识别单幅图像的平均耗时缩短为0.09 s。优化后的Faster R-CNN卷积神经网络相对于YOLOv3平均正确率MAP高0.3以上。特别是对于小目标对象,其平均正确率之差接近0.6。所提方法对复杂背景下棉花杂草有较好的检测效果,可为精确除草的发展提供参考。     

农业基站室外自然冷能微热管阵列式空冷器性能

针对农业生产服务基站内通讯及储备电源等设施发热量高的问题,该文设计了一种基于微热管阵列的室外空冷器,在北方冬季及过渡季节利用自然冷能对通讯基站散热降温,节能降耗。利用多功能气候实验室模拟不同的室外环境温度,对空冷器在不同流程(顺流和逆流)和不同温度及流量下的换热性能、温度分布、?效率及阻力特性等进行分析。结果表明:逆流式空冷器的换热性能相较于顺流式提升了16.9%。微热管阵列传热单元具有优良的导热性能和均温性能。试验过程中空冷器最大换热量为7.5 kW,空气流动的平均压降为164.9 Pa,水循环管路平均压降为7.96 kPa,?效率最高为38.8%,相较于常规冷却塔,微热管阵列式空冷器适用环境温度范围广且阻力较小。与平直翅片的板翅换热器的流动特性与阻力特性对比结果表明,本文锯齿形翅片的空冷器综合性能提升了36.1%。研究结果可为微热管阵列式空冷器在农业基站的应用提供参考。     

油菜籽流化床恒速干燥传热传质特性及模型研究

在油菜籽干燥过程中,干燥工艺(热空气温度、速度和油菜籽初始含水率)主要影响着恒速干燥阶段的传热、传质系数,为此该文基于恒速干燥阶段,借助流化床干燥试验装置,试验分析了油菜籽初始含水率、热空气温度、热空气流速对油菜籽流化床干燥对流传热、传质系数的影响,结果表明:各影响因素的敏感性主次顺序为油菜籽初始含水率热空气温度热空气流速,其中油菜籽初始含水率为29.72%的对流传热、传质系数约为含水率14.41%的1.9倍,2.25 m/s热空气流速的对流传热、传质系数约为1.75 m/s的1.2倍,65℃热空气温度的对流传热、传质系数分别约为45℃的1.2倍和1.4倍。为此,以对流传热、传质系数为性能指标,根据Box-Behnken试验设计原理,应用Design-Expert 8.0.6软件,建立了影响因子与性能指标的回归模型,通过验证发现对流传热、传质系数两个模型预测值与试验值的最大相对误差仅为4.83%和4.79%,表明该两个回归模型拟合度较好,可靠性较高。研究结果可为强化传热传质提高油菜籽流化床干燥效率提供理论依据,同时也为生产工艺条件选择和干燥设备设计提供理论支撑。