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。     

相分离结构作用下细通道散热器流动沸腾强化传热特性

为探究相分离结构作用下细通道流动沸腾传热特性,该研究加工制作了带有不同相分离结构的平行逆流细通道试验段,通过相邻两通道间的高低压切换实现气相分离作用。相分离结构通道加工有：少排气孔的1型相分离结构通道（SPS1通道）（structure of phase separation, SPS）和多排气孔的2型相分离结构通道（SPS2通道）,并与无相分离结构的通道（SPS3通道）进行对照试验。以质量分数为30%的甘油水溶液为试验工质,在有效热流密度为103.54～151.43 kW/m²,质量流率为121.25 kg/(m²·s),入口温度为70℃的工况下,在截面为2 mm×2 mm的矩形细通道内开展流动沸腾试验,研究不同相分离结构对细通道内流动沸腾传热特性和均温性的影响规律,并采用高速摄像机对受限气泡长径比变化进行可视化分析。研究结果表明,与SPS3通道相比,SPS2通道的局部饱和沸腾传热系数最大提高了26.65%。在两相区内,SPS2通道的均温性最好,SPS1次之,SPS3最差,SPS2通道的沿程壁面温度标准差最大降低了18.91%。可视化分析结果表明,相分离结构能减小受限气泡的长径比,并影响通道内的流型转变,进而强化传热。     

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。     

针状电极作用下相分离结构逆流微细通道流动沸腾传热性能

为研究针状电极与相分离结构强化技术组合作用下微细通道流动沸腾传热性能,该研究提出了一种平行逆流微细通道热沉,针对顺流和逆流微细通道,通过高低压切换实现气相分离。以乙醇为试验工质,改性聚偏二氟乙烯多孔疏液膜（polyvinylidene fluoride,PVDF）作为气液相分离工具,在入口过冷度为10 ℃,有效热流密度范围为48.08～87.29 kW/m²工况下开展流动沸腾试验,引入饱和沸腾传热系数传热强化因子（F_ht）研究不同相分离结构孔数（4孔PSS-1、6孔PSS-2、10孔PSS-3）（phase separation structure,PSS）和不同电场强度（200、400、600 V）组合作用下的微细通道沸腾强化传热特性规律和机理。研究结果表明,在相同工况下,与普通微细通道（无相分离结构0孔PSS-0和无电场）相比,单独相分离结构和单独针状电极作用下微细通道的传热性能均得到有效提高,10孔相分离结构和600 V电场强度分别作用时的最大F_ht为1.14和1.20,相分离结构和针状电极组合作用下微细通道传热性能得到进一步提升,10孔和600 V电场强度组合条件下的最大F_ht为1.29,结果表明相分离结构和针状电极2种强化技术存在一定的协同效果。研究结果为微尺度复合强化沸腾传热技术提供参考。     

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。     

换热器铝基微细通道微纳结构表面制备及其传热特性

在农业工程中,微细通道传热技术在储粮仓温度控制、农产品干燥系统和太阳能热水系统有着广泛的应用。该文使用CuCl2溶液刻蚀铝基微细通道表面并采用超声波清洗的方式得到微纳结构表面,呈现出超亲水性;在微纳结构表面的基础上用氟硅烷溶液修饰后得到超疏水表面,只经过砂纸打磨处理的为普通光滑表面。使用3种不同表面的微细通道进行流动沸腾试验,试验工质为R141b,操作压力为142 kPa,在不同质量流率、热流密度下研究不同润湿性表面对传热特性的影响。试验结果表明,在低热流密度下,超疏水表面有着最佳的传热特性,相对于普通光滑表面传热系数最大提高31.6%;当热流密度升高到一定值后,超亲水表面的传热系数最大,相对于普通光滑表面传热系数最大提高20.6%。继续提高加热功率,超疏水表面的传热系数开始下降,甚至低于普通光滑表面。该文通过改变微通道的表面特性,研究微纳结构表面对微通道流动沸腾传热特性的影响,为制造出更高换热特性的微细通道换热器提供了新的思路,从而实现节能与高效传热。     

电场对微细通道内R141b制冷剂流动沸腾压降的影响

在农业工程领域,微细通道散热技术在农产品培育系统、农业机械、农产品干燥系统中有着广泛的应用。通过施加电场可强化微细通道换热系统的传热效率,为探究电场对微细通道内制冷剂流动沸腾阻力的影响,该文采用了2种电极布置方式(针状和线状),以制冷剂R141b为试验工质,在系统压力为140k Pa,工质入口温度32.5℃、质量流率277.35~531.75 kg/(m^2·s)、热流密度7.50~21.49 kW/m^2、电压0~850 V工况下,在截面尺寸为2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾试验,探究直流电场对微细通道内R141b流动沸腾压降特性影响。研究结果表明:在本文试验工况下,电场会增大微细通道内的摩擦压降,针状与线状电极电场作用下的微细通道内摩擦压降分量在总压降中所占比例均比无电极作用下的更大;电场作用下单位长度两相摩擦压降随电压、热流密度的增大而增大,针状电极与线状电极电场作用下平均单位长度两相摩擦压降分别比无电极作用下增加0.7%~15.4%和1.3%~18.7%;电压为0~250 V时,针状电极对压降的影响效果大于线状电极,电压大于400 V后,线状电极对压降的影响效果更为显著。通过COMSOL软件对6 mm长微细通道内2种电场的分布进行了模拟,模拟结果表明相同电压作用下,针状电极产生的电场强度最大值超过线性电极,但线状电极的电场有效作用范围超过针状电极。该文研究结果可为通过施加电场提高微细通道换热器的性能实现微细通道高效节能提供新思路。     

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。     

垂直下降管内陶瓷球流动与传热的试验

为研究下降管式生物质热裂解反应器内陶瓷球的流动与换热规律,在一内径60 mm,长1.6 m的垂直管上利用粒子图像测速仪进行了陶瓷球流场测试和1.0、1.2、1.4 kg/min质量流量下90℃陶瓷球与室温空气的对流换热试验,分析出了陶瓷球在下降管内的滞留时间和陶瓷球与空气对流换热系数的计算方法。流场试验表明：轴向速度随下降距离增大而增大;任意下降距离处,在靠近管壁半径的15%距离内,陶瓷球的轴向速度逐渐增大,直至达到最大值后不再变化;边壁附近的径向速度变化较大,中心速度基本为零。换热试验表明：不同陶瓷球流量下的对流换热系数基本相同,利用Ranz-Marshall公式计算出的换热系数比理论分析计算的小;根据理论计算的换热系数和试验数据,回归出的努谢尔数与雷诺数的关系式为： ;在60～550℃范围内,利用回归式计算的换热系数与空气温度成线性关系,并随温度升高而增大。     

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。     

圆台型螺旋能量桩换热特性的模拟分析与验证

为了减少地源热泵的热干扰、提高其换热效率,该文提出了一种新型"圆台型螺旋能量桩(truncated cone helix energy pile,Co HEP)"。同时为了更加准确地模拟新型圆台型螺旋能量桩的换热特性,综合考虑初始土壤温度的不均匀性和土壤上表面动态边界条件,建立了三维数值模型,分析了不同锥角下圆台型螺旋能量桩的换热特性。结果表明:圆台型螺旋能量桩沿水流方向可以分成4个换热阶段:入口阶段→热短路阶段→小温差阶段→出口阶段。圆台型螺旋能量桩的底部热干扰现象较为严重,且锥角越大,底部热干扰越明显。相反,由于顶部螺旋半径较大,热干扰效应较弱。圆台型螺旋能量桩的单位管长换热量随着锥角的增加而线性增大,当系统运行时间为12 h时,锥角从0增加到10?再增加到20?,单位管长换热量增长率分别为2.54%和3.53%。新型圆台型螺旋能量桩单位管长换热量大于传统圆柱型螺旋能量桩,20?锥角条件下的单位管长换热量比传统圆柱型螺旋能量桩高了约6.16%。通过对新型圆台型螺旋能量桩的换热特性进行探析,相对于传统圆柱型螺旋能量桩,提升了换热效率,同时为后续的推广应用和工程设计奠定了理论基础。     

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。     

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明：同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。     

基于气液两相流的循环集热晒管传热特性分析

为提高太阳能集热管供热水平,研究不同流速对太阳能集热管效率的影响,解决传统集热管受光面小、热损率高等突出问题,该文设计了一种具有高效吸收光热和保温性能的循环集热晒管。循环集热晒管由真空石英直管、石英弯管和连接段组成,真空石英直管之间采用串联循环方式连接,以扩大受光面积,增加接收的太阳热能。通过微元分析法推导循环集热晒管内双流体的液相与气相的能量平衡方程,建立了循环集热晒管内两相流数学模型;对两相流模型求解区域进行离散化和迭代求解,获得不同入口质量流量下晒管内水蒸气产生的位置和质量分数;设计并开展试验以验证两相流模型,分析单相流、两相流条件下循环集热晒管的热性能。研究表明:在入口质量流量4.42 kg/h条件下,循环集热晒管内流体达到饱和温度,开始汽化;晒管内流体温度与入口质量流量呈反相关,最高温度可达120℃,而晒管集热效率与入口质量流量呈正相关,最高集热效率可达0.87。综合考虑流体温度和集热效率,最优入口质量流量为4.15kg/h;两相流模型(压力为0.1 MB)得到的晒管集热效率理论曲线与试验测定曲线基本相符,误差在±2%以内。该文成果是真空管内两相流动分析的有益补充,为南疆盐碱水淡化的工程应用提供参考。