蒸汽凝结过程声压波动信号实验研究

利用高速摄像仪和水声换能器研究蒸汽凝结时的声压波动信号和凝结区域的转变。结果表明,随过冷度和蒸汽流量升高分别出现3个不同的凝结区域--体积波动区、过渡区和毛细波区。此外,观察到两种分别对应气泡分裂和破碎的声压波动波形。声压波动信号的峰度存在阶跃变化,且阶跃处与凝结区域转变的阈值接近。幅度谱的低频区域存在频率在150~300 Hz的峰值,其可能是由蒸汽体积周期性变化引入。在过渡区和毛细波区发现频率高于7000 Hz的峰值,其可能是由气泡突然破碎引入的局部压力高频振荡造成的。蒸汽气泡破碎频率随过冷度和蒸汽流量增加而增加,且与幅度谱中首峰频率接近,误差在±20%以内。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面运动特性

为探究T形微细通道内蒸汽直接接触间歇凝结汽液相界面的运动特性,利用高速摄像机（帧率为5000帧/s）获取过冷水温33℃、过冷水质量流量6.325g/min、蒸汽温度100℃及蒸汽质量流量0.25g/min工况下的可视化图像。在此基础上定性分析汽液相界面的瞬时演变特征,进一步应用图像批处理技术定量分析相界面的前端运动规律,包括相界面位置及速度的瞬时波动特性。研究发现,不同凝结周期内的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大时的形貌、蒸汽泡的溃灭特性等方面有很大差异,主要体现在气泡溃灭时是否发生“局部收缩”和“内爆”等。此外,对于一个典型相界面运动周期而言,蒸汽泡消失阶段所占时间比例最小约为12%。通过分析相界面前端瞬时位置波动曲线,发现利用该曲线获得该工况下的凝结频率为23Hz,且该曲线的峰值分布具有较强周期振荡特性。通过分析相界面前端瞬时速度波动曲线,发现在多个极短时间内出现了速度的瞬时转变以及较为剧烈的多次振荡,速度峰值最大可达11m/s。结合可视化图像,详细描述了相界面速度振荡时的界面演变情况,并揭示“局部收缩”和“内爆”导致速度振荡的机理。     

气泡微细化沸腾过程中气泡冷凝破裂现象

为了研究气泡微细化沸腾（MEB）时的气泡动力学行为,利用高速摄像仪（Fastcam SA5）观察15～60 K过冷度范围内,直径10 mm加热面上的沸腾过程。通过引入等效半径,分析核态沸腾、膜态沸腾和MEB区域的气泡行为特征。结果表明：MEB发生时的气泡行为,既不同于核态沸腾,也与膜态沸腾明显不同。在MEB区域,加热面上通常会形成一个大的、不规则气泡,但并不会脱离加热面,而是迅速破碎凝结;而且气泡生命周期相对较小,体积变化速率更快。量纲1分析发现,在MEB区域,随着壁面过热度和热通量的升高,气泡凝缩破裂过程受惯性控制影响程度逐渐增加。     

基于超声技术的沉浸式换热器强化传热研究

针对沉浸式换热器管外强化传热的问题,采用振动壁面的方式向换热器内输入超声波,研究了超声外场对沉浸式换热器内的管外流动、空化现象以及传热强化的作用。超声作用在流体中能够产生空化现象和声流的传播。其空化作用使得邻近振动面的流体发生液气相变,在远离振子的区域发生微小气泡的膨胀,换热器管外流体区域的平均气体体积分数由未加载超声时的0.01302最大增至0.01359。声流现象使得换热器管外流体的流速具有和超声波相同的脉动变化特性,呈高低速相间分布流向换热器两侧,最低速度接近0,最高速度4.93 m·s^-1,平均流速由0.0248 m·s^-1增至0.102 m·s^-1,超声作用效果显著。在空化和声流的双重作用下,换热管外表面湍动能均值由2.090×10^-4 m²·s^-2增大至0.01847 m²·s^-2,表明换热管外表面流体受到扰动增强,换热管外表面对流传热系数由1634.533 W·m^-2·K^-1增大至2031.069 W·m^-2·K^-1,传热强化比率达24.26%。本研究对超声技术在沉浸式换热器内的应用具有重要意义。     

水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

基于流型的小直径圆管内流动凝结换热机理

通过流型的可视化观察和传热实验 ,探讨不同管径下小直径圆管内流动凝结过程中流型的演化规律以及不同流型的凝结换热特性 .分析表明 ,随着管径的减小 ,以凝结液沿管壁周向均匀分布为主的环状流型在流型图上的面积增加 ,相应地换热温差对凝结换热数Nu的影响降低 .本研究深化了对小尺度下凝结换热机理的认识 ,为推动相关技术的进一步发展提供了理论依据     

钢质管型对蒸发式冷凝器传热的影响

蒸发式冷凝器是一种高效冷却散热设备,其传热性能目前还需要深入研究.在总结蒸发式冷凝器传热特点的基础上,提出了采用新的钢质弹形管、扭曲管和弹形.扭曲间断管强化传热的新结构,并测试了它们应用于蒸发式冷凝器的流动与传热性能,与传统的圆管和椭圆管进行了对比.研究结果表明,在冷却水喷淋密度为0.06 kg·m-1s-1、管截面风速为3.4 m·s-1时,椭圆管、弹形管、扭曲管和间断管比圆管总传熟系数K分别高19.2%、24.4%、26.8%和31.2%.管内冷凝、管外水和空气的传热过程对总传热性能均有重要影响,弹形管可有效强化管外水膜与空气间的传热,同时降低空气流动压降;扭曲管可改善水膜分布,强化水膜传热,同时会增大空气流动压降:弹形-扭曲间断管可同时强化水膜、水膜与空气间的传热,略为减小空气流动压降.     

板式换热器相变流动的传热及压降特性

建立了三维单流道模型,模拟了波纹倾角和波纹节距对相变流动传热和压降特性的影响。结果表明,沸腾传热和压降特性同时受到流动形式和触点影响,"曲折型"流动有利于液膜蒸发增强传热,触点对气相的扰动作用小于液相,因此在气相体积分数较高的区域的触点处气液相变转化现象不明显。传热系数随波纹倾角的增加而增大,随波纹节距的增加而减小,但在相同入口Reynolds数下波纹节距λ=16 mm比14 mm的传热系数大,主要是因为流动形式的改变在某种程度上减弱了触点数目减少对传热的影响。β=75°和λ=10 mm时传热性能最好。沸腾流动的压降随波纹倾角的增大先升高后降低,在β=65°左右达到峰值,随着波纹节距的增大而降低。     

含气液两相的搅拌釜内盘管外侧的对流传热特性研究

许多强放热反应,若温度控制不当,易引发物质分解产生气体,进而恶化相关反应过程,甚至引发事故,因此对浸没在含气液两相搅拌釜内的盘管外侧对流传热系数进行研究尤为重要。以空气和水分别作为气相和液相,在直径D=0.300m的标准椭圆形底搅拌釜内进行非稳态传热实验,研究了桨型、桨径、转速和表观气速对盘管外侧对流传热的影响。结果表明,在低转速下,通入气体能够显著增加釜内的湍动程度,使管外对流传热系数明显增大,在高转速下,对于大搅拌桨,其气体的表观气速过小时,通入气体会使对流传热系数减小。通气量一定时,在较高通气速率和高搅拌转速下,随着转速增大,对流传热系数反而减小。引入通气数对实验数据进行拟合关联。研究结果对反应釜的优化设计及反应过程的控制具有参考价值。     

固液界面能差效应与冷凝传热强化研究进展

综述了固液界面能差效应强化冷凝传热的新机制及其对纯蒸气及含不凝气的蒸气冷凝传热过程影响的理论和实验研究进展.阐述了引入固液界面能差效应后的膜状冷凝、滴状冷凝和过渡状冷凝传热模型,及模型与实验数据的对比结果.介绍了利用固液界面效应强化纯蒸气和含不凝性气体的混合蒸气冷凝传热的强化技术.     

R22在水平双侧强化管外的凝结换热

由于世界能源紧张问题日益突出,以节约能源与材料消耗为主要目的,开发高效紧凑式换热器是传热界的重要研究课题．冷凝器作为制冷空调领域的重要设备,其换热效果对机组性能影响很大．因此,对传热强化研究具有重要的意义．国内外对水平管外制冷剂蒸气凝结强化进行了研究,已由早期的二维矩形、梯形低肋管发展到现在的三维强化管（如Thermoexeel-C管、Turbo-C管等）．本文对光管与两种水平双侧强化管（分别为二维低肋管与三维管）进行了R22蒸气在管外凝结换热的试验研究,     

界面剪切力对蒸汽垂直下流膜状凝结传热的影响分析

界面剪切力对小径管中的蒸汽垂直下流凝结传热有重要影响.采用VOF模型数值模拟了蒸汽垂直下流凝结传热,分析了界面剪切力对局部凝结传热系数的影响.模拟中冷凝管壁面温度采用耦合计算冷却水的对流换热获得.计算得到了速度、界面剪切力和局部凝结传热系数的分布.计算结果表明:界面剪切力沿蒸汽流动方向逐渐减小,它对局部凝结传热系数的强...     

高宽比对矩形通道内蒸汽冷凝传热特性及流型影响的研究

通过可视化流型观测及实验测量,研究了单边换热矩形小通道的高宽比对两相流型、平均冷凝传热系数及两相流动阻力的影响,采用高速摄像机拍摄了环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流及泡状流6种典型流型。研究表明,高宽比为1：2及1：3的通道内出现流型种类较为全面,而在高宽比为1：5通道内基本无弹状流、塞状流及泡状流。1：5通道内环状流所占区域较1：2及1：3通道大,随入口蒸汽质量流速的增加,差值逐步减小。随着通道高宽比的减小,平均冷凝传热系数逐渐增大;不同高宽比通道中平均冷凝传热系数间的差值随入口蒸汽质量流速的增加而减小;蒸汽质量流速足够高时,高宽比对传热系数基本无影响。通道内两相流压降随通道高宽比的减小而增大;随着入口蒸汽质量流速的增加,不同比例通道内的两相流动压降差距逐渐增大。     

不同蒸气压力下Marangoni凝结换热特性

在蒸气流速4 m·s^-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2.28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5.1%和9.8%时凝结换热系数随压力的增加明显.     

板棒式换热器传热与流阻性能研究

简要介绍了板棒式换热器的结构和工作原理,设计制造了板棒式换热器,对板棒式换热器进行了传热与流阻实验。实验结果表明总传热系数理论计算与实验结果吻合较好,验证了模型公式的正确性。板棒式换热器是一种性能优良、结构紧凑的高效换热器,在硫酸工业等气体换热场合将有广阔的应用前景。     

闭式重力热管的强化传热研究进展

重力热管具有传热性能优良、工作可靠、结构简单、制造方便、成本低廉、热流密度可变性、二侧热阻可调性等优点,使其应用领域不断增加。但随着能源的高效利用和强化传热技术的进一步发展,在某些特殊场合,普通重力热管满足不了传热和冷却的需求。为了从根本上提高管内的沸腾和凝结换热系数,提高重力热管的传热能力,科学研究者提出了多种强化传热的途径。文中主要从改变热管自身表面结构强化传热、热管内插件强化传热、多相流强化传热3个方面,综述了近年来闭式重力热管强化传热的途径及强化传热的效果,并对今后重力热管的强化传热研究的方向进行了展望。