微小通道内不同润湿性表面流动冷凝传热

利用丝网烧结和聚四氟乙烯溶液（Teflon）浸渍法,在铜表面上制备了亲疏水匹配的结构,即在疏水四氟涂层上有阵列排布的椭圆亲水点,仅有四氟涂层的全疏水表面和不作修饰的全亲水铜表面作为对照,考察了以这三种表面为底部换热区域的矩形微小通道（水力直径1.5 mm）的换热特性和流动特性。实验的通道内蒸汽质量流速为10～60 kg·m^-2·s^-1,干度为0.3～1,亲疏水匹配表面与亲水表面相比,蒸汽冷凝传热系数（HTC）最高增加了454.6%,与全疏水表面相比,传热系数最高增加了107.3%,利用高速相机拍摄可视化照片,观察了通道内气液两相,尤其是表面液滴成核、聚并、冲刷的周期运动过程,解释了亲疏水匹配表面强化传热的机理。     

PVDF中空纤维换热管亲/疏水组合表面强化蒸汽冷凝传热

针对塑料换热管热导率低的问题,采用非溶剂致相分离法(NIPS),通过控制铸膜液中磺化聚醚砜(SPES)添加量,制备出具有致密层/非致密层复合结构,外表面接触角分别为49.8°、78.1°的中空纤维表面亲水(PVDF/SPES)、表面疏水(PVDF)换热管,在非致密层内填充水,从而提高换热管导热性能。将单根的表面亲水、疏水换热管编织,在列管式塑料换热器壳程,利用两根换热管的外表面,构建蒸汽冷凝用亲/疏水组合表面,研究该表面上蒸汽冷凝传热强化效果。研究表明,较熔融拉伸法制备的致密PVDF换热管疏水表面,NIPS法制备的亲水表面、疏水表面及亲/疏水组合表面上的蒸汽冷凝总传热系数分别提高46.6%、56.5%、99.7%。可见,较单一的亲水或疏水表面而言,亲/疏水组合表面能够显著强化蒸汽冷凝传热性能。     

PVDF中空纤维换热管亲/疏水组合表面强化蒸汽冷凝传热

针对塑料换热管热导率低的问题,采用非溶剂致相分离法（NIPS）,通过控制铸膜液中磺化聚醚砜（SPES）添加量,制备出具有致密层/非致密层复合结构,外表面接触角分别为49.8°、78.1°的中空纤维表面亲水（PVDF/SPES）、表面疏水（PVDF）换热管,在非致密层内填充水,从而提高换热管导热性能。将单根的表面亲水、疏水换热管编织,在列管式塑料换热器壳程,利用两根换热管的外表面,构建蒸汽冷凝用亲/疏水组合表面,研究该表面上蒸汽冷凝传热强化效果。研究表明,较熔融拉伸法制备的致密PVDF换热管疏水表面,NIPS法制备的亲水表面、疏水表面及亲/疏水组合表面上的蒸汽冷凝总传热系数分别提高46.6%、56.5%、99.7%。可见,较单一的亲水或疏水表面而言,亲/疏水组合表面能够显著强化蒸汽冷凝传热性能。     

水平矩形通道内含不凝气的蒸汽凝结换热

对质量流量为38~132kg·m~(-2)·s~(-1)的蒸汽/氮气混合气在水平矩形通道内的凝结换热过程进行了实验研究,研究了氮气含量、混合气质量流量以及冷水质量流量对蒸汽凝结换热的影响。结果表明:在蒸汽流速较高时,不凝气对蒸汽凝结换热的削弱相对较少——8%的不凝气使汽侧凝结传热系数平均下降了26.4%;蒸汽的凝结传热系数随着混合气质量流量的增加而增加、随着冷水流量的增加而下降;此外,通过研究还发现,沿着混合气流动方向,蒸汽凝结传热系数逐渐减小。     

PP中空纤维换热管外表面改性强化蒸汽冷凝传热

针对塑料换热管传热性能不佳的问题,采用界面聚合法,以间苯二胺(MPD)为水相单体,均苯三甲酰氯(TMC)为有机相单体,对聚丙烯(PP)中空纤维换热管疏水性外表面进行局部亲水性改性,以形成呈"孤岛"分布的亲水性聚酰胺层,从而构建蒸汽冷凝用亲-疏水性组合表面。在此基础上,研究改性PP换热管强化蒸汽冷凝传热效果。换热管改性后,蒸汽冷凝总传热系数K高达2 295 W/(m²·K),较未改性前提高了87.29%。可见,PP中空纤维换热管外表面界面聚合改性,能够显著强化蒸汽冷凝传热性能。     

超疏水表面微通道内水的传热特性

微通道传热效率高但流动阻力大,超疏水表面因其与水具有滑移边界而表现出低流阻的特征,在微过程中具有应用前景。利用化学刻蚀法制备出具有微纳米阶层结构的铝基超疏水表面微通道(内径为0.68mm)。在超疏/亲水微通道内进行了水的流动传热实验研究,并将结果进行对比。研究发现存在于超疏水表面微纳米结构里的气泡层减小了水的流动阻力,也降低了表面传热系数,但降低程度明显小于流动阻力的降低,传热系数高于考虑纳米气泡层计算的传热系数。因此认为在水的滑移速度作用下,凹穴中微纳米级气泡内产生了气体的涡旋流动,一定程度上增强了传热效果。     

固体表面湿润性对水平管分层流动湿润角的影响

采用浸渍提拉镀膜法,将高/低表面能物质涂敷在玻璃管内表面,制备具有超亲水、亲水、疏水和超疏水特性的玻璃管。通过可视化方法,研究固体表面湿润性对水平管内气液两相分层流动的影响。研究结果表明,固体表面湿润性对水平管内分层流动特性有十分重要的影响,在相同的气体表观流速和液体质量流量下,分层流动的湿润角随固体表面亲水性的增强而明显增大;当液体表观流速较小时,亲水涂层玻璃管内湿润角随气体表观流速的增加而减小,而疏水涂层玻璃管内湿润角随气体表观流速的增加先增大后减小。     

非均匀润湿表面强化冷凝换热研究

为了研究非均匀润湿结构的强化换热性能,文中通过化学刻蚀结合激光加工的方法在铜基体上制备了亲疏水条纹交错排布的润湿梯度表面。实验观察了试样表面液滴的冷凝及迁移现象,并对液滴的迁移现象进行了动力学分析。结果表明:冷凝过程中,疏水区液滴在重力及亲疏水界面处Laplace压力差的协同作用下可快速进入亲水区,并在亲水流道受到重力的作用快速排走。相比于光滑表面,非均匀润湿表面的液滴更替频率增加,脱落尺寸减小,表面的传热性能得到强化。过冷度及结构参数影响亲水区液滴的排出,进而影响表面的强化换热效果。冷凝换热结果表明:表面的热通量随过冷度的增加而增大,增大趋势逐渐减小;随亲疏水区域面积比的增加先增大后减小;随倾角的增大先增大后减小。     

微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响

通过对玻璃微通道内壁表面进行羟基化处理、溶胶-凝胶法纳米SiO2颗粒沉积以及疏水分子自组装等改性处理,制备得到了具有不同内壁表面润湿性和粗糙度的微通道;系统研究了微通道内表面性质对其内流体流动特性的影响。结果表明,在微通道内表面浸润性相同(同为亲水或疏水)时,粗糙表面会比光滑表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越大;当微通道内表面粗糙度相同时,亲水表面会比疏水表面给微通道内的流体流动带来更大的阻力,而且流体流动推动力越大时其影响越显著;相比之下,微通道内表面浸润性对其内流体流动的影响比其粗糙度的影响更大。研究结果可以为微流动系统或微流体机械的设计和应用提供指导。     

紧凑通道内CO_2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO_2/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h~(-1),饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5kW·m~(-2),油浓度0～6%。结果表明:润滑油浓度越大,CO_2的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%;传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。     

水平矩形通道内含不凝气的蒸汽凝结换热

对质量流量为38～132 kg·m^-2·s^-1的蒸汽/氮气混合气在水平矩形通道内的凝结换热过程进行了实验研究,研究了氮气含量、混合气质量流量以及冷水质量流量对蒸汽凝结换热的影响。结果表明：在蒸汽流速较高时,不凝气对蒸汽凝结换热的削弱相对较少--8%的不凝气使汽侧凝结传热系数平均下降了26.4%;蒸汽的凝结传热系数随着混合气质量流量的增加而增加、随着冷水流量的增加而下降;此外,通过研究还发现,沿着混合气流动方向,蒸汽凝结传热系数逐渐减小。     

过冷度对低液位池沸腾影响的实验研究

以铜片为基板,采用两步电镀法制备出具有超疏水和疏水特性的微纳结构A、B 2个表面,与常规铜表面一并应用于低液位过冷池沸腾,过冷度分别保持在0、20℃和40℃。实验结果表明,与饱和沸腾不同,液位降低并未明显提高沸腾传热系数,3个表面的传热系数在40℃过冷度情况下还出现了降低的情况。主要原因是过冷情况下液位降低虽然会形成超大气泡,在高功率时抑制气泡脱离或在低功率时增加气泡扰动,同时导致流体的温度梯度减小、单相对流换热效果减弱,致使沸腾传热系数降低。受超疏水润湿性和较大汽化核心密度的影响,液位降低时A表面饱和沸腾传热系数提升效果最佳,过冷沸腾传热系数也未严重恶化。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

紧凑通道内CO2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO₂/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h^-1,饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5 kW·m^-2,油浓度0～6%。结果表明：润滑油浓度越大,CO₂的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%; 传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。     

运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响

为了明确运行工况对LNG绕管式换热器壳侧换热特性的影响,开展了丙烷介质在壳侧的流动沸腾换热实验研究。干度0.2~1.0,热通量4~10 k W·m~(-2),质流密度40~80 kg·(m~2·s)~(-1)。实验结果表明:随着干度增加,传热系数先增大再减小,在干度0.8~0.9工况下达到最大值;随着热通量增大,传热系数在干度小于0.8的工况下逐渐增大,但是在干度大于0.8的工况下却逐渐减小;随着质流密度的增加,传热系数在低热通量工况下呈增加趋势,而在高热通量工况下呈现出非单调变化。     

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。     

组合表面调控液滴特性强化蒸汽冷凝传热

制备了具有不同疏水区宽度和面积分率的疏水-亲水间隔规则排列的组合表面。观测常压蒸汽在组合表面上冷凝时疏水区液滴的特性(液滴移除方式和最大液滴半径),利用格子Boltzmann方法模拟组合表面上凝液的运动。考察疏水区、亲水区宽度和表面过冷度对组合表面强化蒸汽冷凝传热的影响。利用滴状-膜状组合传热模型分析组合表面蒸汽冷凝传热性能的影响因素,并与实验结果比较。发现疏水区液滴自发地向亲水区定向迁移,精细设计的组合表面可以实现蒸汽滴状冷凝传热的强化,实验中强化因子可达1.20。疏水区宽度约为0.55 mm时组合表面的传热性能最大。表面过冷度越大,组合表面强化传热的效果越差,模型分析与实验结果吻合良好。     

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。     

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。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4mm,质量流速G=143、300kg·m~(-2)·s~(-1),主流过冷度ΔTsub=17、25℃,热通量q=1~20 W·cm~(-2)的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度Na,气泡脱离直径Dd,气泡脱离频率f等。