柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述

沸腾换热是一种非常高效的热传递方式,不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。强化表面结构是一种有效的无源强化换热技术,而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式,在有源强化换热技术中被认为是最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。以电子器件高效冷却技术为背景,对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述,包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时,与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比,总结并分析了各种强化表面结构及换热方式的优缺点,为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。     

垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数值分析

在对流动特性和换热机理进行分析的基础上,建立了垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数学模型和数值计算方法.该模型认为环状流区域同时存在强制对流与核态沸腾两种换热方式.液膜厚度、速度与温度等参数通过求解液膜的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程获得.核态沸腾换热则包括气泡脱离带走的热量及用于加热气化核心影响区流入液体的热量两部分.提出了流动沸腾情况下的多孔层气泡脱离直径及气化核心密度计算方法.对异丙苯在火焰喷涂型垂直多孔表面管内向上流动时的沸腾换热进行了数值预测,大部分工况的计算值与实验结果符合良好.在低干度区(x=0.1),核态沸腾在总换热中的比例约为50%.随着干度的增加,核态沸腾受到越来越大的抑制,当x为0.5时,这一比例降低到约15％.     

水平细圆管内非共沸混合工质的流动沸腾

以非共沸混合工质R32/R134a为实验工质,进行了水平细圆管内流动沸腾换热实验.在获取大量实验数据的基础上,分析了质量干度、热通量和质量通量密度对沸腾换热的影响,讨论了各种工况下的换热机理,比较分析了细圆管和常规管道内流动沸腾换热性能.实验结果表明：在本实验范围内,水平细圆管内流动沸腾换热主要受热通量的影响,绝大部分实验工况下核态沸腾占主导地位.尺度效应是引起微细通道内流动沸腾换热特性不同于常规管道的主要原因.     

内置涡流发生器的管内过冷沸腾与强化换热的模拟

采用欧拉双流体模型结合RPI沸腾模型对高压管内过冷沸腾进行三维非稳态模拟,考察了涡流发生器对管内过冷沸腾的影响,模拟了高压下光管内的过冷沸腾、层流下内置涡流发生器的换热管内的流动和湍流下内置涡流发生器的换热管内的过冷沸腾。结果表明,内置涡流发生器的换热管在层流状态下换热能力明显提升,过冷沸腾时管内换热能力有一定提升,且壁面附近的气泡由于扰流作用被大量卷入锥形片内,降低了壁面附近产生气膜的可能性,延迟了过冷沸腾起始点的位置。     

水平管强化池沸腾传热在水套炉中的应用分析

油气集输换热设备中,更多关注的是强化对流传热的研究和应用,而对于管外强化沸腾换热关注较少。在介绍池沸腾传热相关理论一般性原理的基础上,分析了影响池沸腾传热的主要因素。通过改良换热管外表面结构型式,在换热管表面形成凹凸或多孔的结构,这种结构下沸腾传热提高了一个数量级。选择合适的外界压力能够强化管外沸腾传热,提高了管外换热系数。最后讨论了池沸腾传热计算的有关问题。     

泡沫铜孔隙率和孔密度对流动与沸腾换热特性的影响

以去离子水作为工质，设计并搭建了以泡沫铜为研究对象的单相和两相换热实验系统。对于单相流动换热，当Re数较小时，孔隙率80%、孔密度90PPI的泡沫铜样品换热性能最好；当Re数较大时，孔隙率80%、孔密度45PPI的泡沫铜样品换热性能最好。泡沫铜最大换热系数为空通道的6倍，但同时需付出更大的泵功损耗为代价。对于两相流沸腾换热，低孔隙率样品70%~80%能有效地降低壁面过热度和强化沸腾换热性能。孔隙率对沸腾换热性能起决定性作用，孔隙率越低，沸腾换热系数越大；孔密度对沸腾换热性能起次要作用。90PPI泡沫铜样品，因其成核址密度高和毛细力较大，有助于提升泡沫铜的沸腾换热性能。     

碳钢-水热虹吸管内部强化沸腾换热

研究了分流管结构对碳钢－水热虹吸管蒸发段内沸腾换热的影响，选择７种不同结构的分流管进行大量的实验和理论研究。结果表明：分流管结构尺寸对蒸发段沸腾换热有很大的影响，在相同的传输功率下，分流管的开孔率在３３％左右、管间隙在４．５ｍｍ左右强化沸腾换热的效果最佳，沸腾换热系数大约提高２～３倍。综合了大量试验数据利用多元线性回归分析整理出分流管强化沸腾换热的准则方程式。     

电场强化乙酸乙酯自然对流和沸腾换热的实验研究

对沉浸于强极性有机液体工质乙酸乙酯中的平板表面上的自然对流和沸腾换热的外加电场强化进行了实验,得出了自然对流和沸腾换热的表面传热系数、强化效果与电场电压、热通量的关系.实验数据表明,外加电场对平板表面自然对流换热的强化效果好于对沸腾换热的强化效果.实验条件下,当施加外电场时,平板表面的自然对流换热的传热系数最大可达到无外电场时的6～7倍,沸腾换热的传热系数最大可达到无外电场时的4～5倍.     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

自然循环蒸发器沸腾段高度计算

自然循环蒸发器运行过程中易发生结垢堵塞,其主要原因是溶液在换热管中产生沸腾形成结晶垢,要避免换热管内沸腾现象发生,需保持换热管上方有一定液位高度,溶液在液柱静压作用下溶液沸点升高,从而抑制溶液沸腾。为计算出换热管外沸腾段高度,利用传热基本方程及热力学方程,从理论上推导出蒸发器沸腾段高度计算公式,并根据生产数据计算硝酸钠蒸发器沸腾段高度。沸腾段高度计算公式为蒸发器合理设计及操作提供了依据。     

水平管内R1234yf的流动沸腾换热特性

通过实验研究了环境友好型制冷剂R1234yf在内径为0.5mm的水平圆形微通道内的流动沸腾换热特性,测量了不同工况下R1234yf的沸腾换热系数（HTC）,并与传统制冷剂R134a进行了对比,分析了质量流速、热流密度和干度对换热系数变化规律的影响。实验条件为：饱和温度(17±1)℃,质量流速1000～2500kg/(m2·s),热流密度25～143kW/m2。实验结果表明：R1234yf的换热系数随着热流密度的增大而显著增大,而质量流速和干度的影响较小,核态沸腾为其主导换热机制。对比R1234yf和R134a在相同工况下的换热特性,发现两种工质的平均换热系数差别较小,并均随着热流密度增大而逐渐增加,但是R1234yf发生干涸（Dryout）时的热流密度小于R134a。将实验数据与已有文献中的核沸腾主导的经验关联式的预测结果进行了对比,得到了较好的吻合。     

新型制冷剂R1234ze(E)水平圆管内流动沸腾换热特性

新型制冷剂R1234ze(E)(trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene)因较低的GWP值备受制冷行业关注,有望替代R134a。在内径为8mm水平圆管内对R1234ze(E)流动沸腾换热特性进行实验研究,并在相应实验工况下与R134a进行对比。本研究的实验工况:流动沸腾换热的饱和温度为10℃±0.5℃,热通量为5.0和10kW·m^-2,质流密度范围为300~500kg·m^-2·s^-1。分析质流密度、热通量以及干度对R1234ze(E)和R134a饱和流动沸腾传热系数的影响。结果表明,R1234ze(E)和R134a的流动沸腾传热系数随质流密度和热通量的增大而增大;在低质流密度300kg·m^-2·s^-1工况下,R1234ze(E)传热系数较R134a偏低14.68%左右,但随质流密度增大到500kg·m^-2·s^-1,其偏差缩小为7.35%。最后将实验结果同4种常见预估关联式进行比较,结果表明Kandlikar关联式计算结果较优,全工况范围内Kandlikar关联式对R1234ze(E)和R134a的预估值与90%的实验数据偏差在±25%以内,平均偏差分别为23.13%和11.50%,满足工程设计要求。     

R32/R134a在水平内螺纹管内流动沸腾强化特性的分析与研究

引　言节能与环保是当今国际社会研究的重要课题.各国关注的全球性环境问题之一就是大气臭氧层的破坏, 它与CFCs、HCFCs等制冷剂的生产和排放有关, 目前, 在全球范围内加紧淘汰消耗臭氧层物质已形成国际统一行动. 在制冷空调领域中曾广泛应用的 HCFC22 (R22) 因其 ODP (臭氧耗散潜能) 为 0 055, GWP (温室效应潜能) 为 0 36,被列入逐步禁用范围, 因此, 寻找 R22 的合适替代物具有非常重要的意义. 非共沸混合制冷剂R32/R134a [25% ( mass) /75% ( mass)] 被认为是R22的有效替代物之一, 其沸腾换热特性也得到了广泛的研究. …     

微通道内非共沸混合制冷剂的流动沸腾特性

采用了3种不同组分比例的R32/R134a工质在0.86 mm的微通道中进行了传热特性和阻力特性的实验研究,考察了非共沸工质不同组分比例对微通道换热特性的影响。实验结果表明:在组分质量分数比为35%/65%时,核态沸腾在小干度下换热效果最好;干度较大时,组分比例对换热的影响效果降低。在大质量流量下传热阻力效应的影响不再明显。在压降方面,组分比为15%/85%的相对压降最大,其它两种组分的压降较小。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

多孔壁面微通道换热性能的实验研究

微通道散热器作为一种高效散热器件,广泛应用于微电子、光电、汽车、航天国防、能源等领域。针对传统光滑微通道传热面积小、换热性能偏低、沸腾迟滞等问题,本文提出一种多孔壁面微通道结构,并采用激光直写方法实现微通道多孔壁面的高效、稳定生成。该多孔壁面微通道显著增大了换热面积、促进流体的扰动、提供大量稳定沸腾核心,从而强化单相与两相沸腾传热。通过搭建微通道换热性能测试系统,测试对比了多孔壁面微通道与光滑微通道的单相对流、两相沸腾传热性能。发现多孔壁面微通道的Nu数相对于光滑微通道提升了21%~31%。在两相沸腾换热过程中,其粗糙多孔结构促进了沸腾气泡成核,其核态沸腾起始温度相比于光滑微通道降低了35%。同时粗糙多孔结构可以保证沸腾过程中的液体持续供给,从而大幅提升了沸腾换热能力,避免了干涸现象的提前发生,其两相沸腾换热系数相对于未处理的光滑微通道最大提升了83%。此外,还开展了不同流量下多孔壁面微通道的沸腾传热性能测试,发现在质量流率为G=500kg/(m²·s)下的沸腾换热系数相对于G=200kg/(m²·s)情况下最大提升了30%。     

混合工质R447A在水平管内的流动沸腾换热特性

R447A是一种三元非共沸混合工质,已成为高温室效应工质R410A潜在的替代品之一。本文通过研究R447A在内径为10.6mm的水平光滑管内的流动沸腾传热特性,获得了R447A在水平光滑管内的流动沸腾传热数据以及传热现象,并分析了不同因素对R447A传热效果的影响。实验条件为：热流密度5~20kW/m²,质量流速100~300kg/(m²·s),蒸发温度5~25℃。实验结果表明：R447A的传热系数在0.8~4kW/(m²·K)之间。同时对R410A进行了相同工况下传热系数测试,发现热流密度对R410A传热系数的影响要大于对R447A的影响,而干度和质量流速则对R447A的传热影响更为显著。本文基于实验数据及实验现象发展了一种分干度区预测传热系数的新模型,新模型对R447A换热系数预测的平均偏差为+6.21%,绝对偏差为+12.96%。此研究结果可为这种工质的换热器设计提供帮助。     

水平管内R245fa/R141b沸腾换热特性的实验研究

针对新型混合工质R245fa/R141b,开展水平光滑管(外径10 mm)内工质沸腾换热特性的实验研究,对比纯工质与混合工质的换热性能及4种常用关联式的预测精度。结果表明：纯工质与混合工质的沸腾传热系数均随质量流速和热通量的增加而增大,随饱和压力的增加而减小;随干度的增加,沸腾传热系数均先增大后减小,即存在“过渡干度”,且混合工质的过渡干度大于纯工质;干度小于0.55时,混合工质传热系数小于纯工质;干度大于0.55后,混合工质的传热系数更高;随R245fa质量分数的增加,混合工质的沸腾传热系数增大。在所选关联式中,Gungor-Winterton关联式能准确地预测工质在光滑管内的沸腾换热特性,平均相对误差为16.67%。     

壁面润湿性对微细通道内R141b流动沸腾不稳定性的影响

为了探究壁面润湿性对制冷剂R141b流动沸腾不稳定性的影响，设计微细通道流动沸腾实验平台，制备3种不同润湿性的矩形微细通道，其壁面接触角分别为62.3°、接近0°和158.7°。以R141b为实验工质，在截面宽×高为1mm×2mm的矩形微细通道内进行流动沸腾换热实验，研究了沿程测点压力波动情况以及影响进出口总压降波动的因素，最后对总压降波动信号进行Hurst指数分析，结果表明：微细通道沿程测点波动方差最大的位置正处于沸腾起始点（ONB）附近，热流密度的减小以及质量通量的增大均会使沸腾起始点推后；进出口总压降波动受热流密度、质量通量和壁面润湿性的影响，相同工况下，热流密度增大和质量通量的减小都会引起系统不稳定性增强，超疏水表面微细通道的总压降波动方差均比其他两种表面的大，是波动方差最小的超亲水表面的1.35～1.84倍；利用Hurst指数分析，表明系统具有混沌现象，超疏水表面微细通道的Hurst指数最大，表现出更强烈的不稳定性。