池沸腾下朝向曲面加热面临界热通量分析模型

堆内熔融物滞留（IVR）策略得以实施的关键在于压力容器下封头外部冷却（ERVC）能力,即压力容器下封头外部临界热通量（CHF）高于下封头壁面对应的热通量。通过结合Helmholtz不稳定性与液膜蒸发,提出了池沸腾下朝向曲面加热面临界热通量的分析模型。由于表面张力作用,内部嵌有汽柱的薄液膜附着在下封头壁面外,Helmholtz 不稳定性作用于薄液膜与汽柱的交界面;随着加热表面热通量的增大,汽柱与液膜之间相对速度达到一定时,在Helmholtz 不稳定性的作用下,汽液交界面产生畸变,并形成汽膜,阻碍主流液到达加热表面;当加热热通量接近CHF时,液膜逐渐蒸发直至CHF触发。通过该模型计算得到了不同过冷度下,CHF随加热曲面方位角的变化,计算结果与现有的大量实验数据一致性较好。     

朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量(CHF)。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%~90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。     

朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量（CHF）。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%～90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。     

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。     

垂直管内降膜载气蒸发的研究

在蒸发的降液膜表面引入惰性载气,可以有效地强化降膜蒸发传热。研究了液体流量、载气流量、壁面热负荷及料液物性等对降膜载气蒸发传热的影响。建立了数学模型,并进行了数值求解。实验结果表明,采用降膜载气蒸发,可提高传热膜系数,降低壁面过热度。还将模型计算结果与实验结果进行了比较。     

纳米氩液膜蒸发行为的分子动力学模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟技术,探讨模拟温度、能量系数、粗糙度因子、相面积分数等对纳米氩液膜蒸发行为的影响。模拟结果表明:纳米氩液膜在光滑壁面或纳米结构粗糙壁面上的蒸发,存在恒速蒸发和降速蒸发两个阶段;在各个蒸发阶段,蒸发通量相差不大;蒸发过程达到平衡后,纳米栏栅形粗糙壁面吸附的氩原子数最多,纳米方柱矩阵形的次之,光滑壁面的最少。对于光滑壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着模拟温度的提高,恒速蒸发阶段的时间变短,蒸发通量迅速增大;在恒速蒸发阶段,能量系数对蒸发通量几乎没有影响;在降速蒸发阶段,随着能量系数的增加,固体壁面吸附的氩流体分子数增大。对于纳米栏栅形粗糙壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着粗糙度因子或相面积分数的增大,恒速蒸发阶段的时间增加,蒸发通量减小;当蒸发过程达到平衡后,固体壁面吸附的氩原子数增多。     

毛细微结构中延展薄液膜过渡区的蒸发特性

毛细力驱动下微细通道内延展薄液膜的蒸发是很多高效热控和热沉装置的关键换热环节。借助表观接触角的演化,建立起包含固有弯月面、过渡薄液膜和平衡区三部分的延展薄液膜形状及其表面蒸发的物理数学模型,并考虑液膜的结构、工质物性和通道特征尺度,引入分离压力和毛细压力比确定液膜不同区域的范围。分析结果表明,过渡薄液膜区域占整个延展弯月面区的比例很小,但气液界面的温度变化非常明显;薄液膜过渡区对传热的主要贡献不在于增加总换热量,而是通过界面温度变化产生的Marangoni效应,对整个液膜区域的流动产生显著的“泵吸”作用。描述了过渡薄液膜区表面蒸发率和液膜平均速度的变化规律,发现受液膜导热热阻和分离压力产生吸附作用的综合影响,该区域的蒸发率存在局部最大值。     

自然降膜蒸发器

自然降膜蒸发器为一立式列管换热器。被蒸发的液体从上封头进料口进入分配器,通过分配器将物料均匀地分配到列管内壁形成膜状,并自然下降。用于加热的蒸汽从简体上部入口进入蒸发器的管间,与物料进行热交换,使物料温度升高,水分蒸发,物料到达下封头时即可进行汽液分离,并分别由出气口和出料口排出,因而使液体物料达到提浓的目的。     

旋流降膜器有效蒸发面积研究

对降膜蒸发过程的强化主要是传热传质过程的强化,液膜与汽相的传热传质与液膜流动密切相关。提出的旋流降膜过程,主要增加液膜有效蒸发面积,强化对壁面边界层的扰动,进而强化蒸发过程。理论计算表明进口流量从0.5m3/h增加到2m3/h,有效蒸发面积从116cm2增加到4897cm2,实验结果与理论值趋势一致。     

脂肪酸甲酯降膜蒸发器沸腾传热性能

利用传统的多管排列式蒸发器对高黏度、易结垢的混合物进行蒸发,容易造成布液器堵塞,且结垢后的传热管难以清理。因此根据物料特性,本文设计了一种新型的降膜蒸发器,采用大降液孔加倾斜环板进行布膜,利用内径较大的锥筒作为传热壁面,并以粗甲酯作为试验工质对蒸发器的降膜蒸发传热系数随蒸发器筒体半锥度角、液膜流动雷诺数以及输入热通量之间的关系进行了试验研究。结果表明：该型蒸发器对于上述工质具有较好的适用性,蒸发系统能够在保持较高的传热系数的条件下,连续运行而不发生堵塞;蒸发器筒体锥度角有效地强化了降膜蒸发传热过程,而较大的热通量及进料流量在一定程度上却不利于蒸发传热。最后建立了降膜蒸发传热系数随蒸发器筒体半锥角和流动准数之间的经验关联式。     

循环流化床蒸发器中的压降与颗粒分布的研究

为研究汽-液-固三相多管循环流化床蒸发器中的压降和颗粒分布特性,设计并构建了汽-液-固多管循环流化床蒸发系统。利用压力传感器、CCD图像采集和数据处理系统,研究了液体循环流量、热通量、颗粒加入量等参数对于加热管束中压降和颗粒分布的影响。结果表明：随着液体循环流量和颗粒加入量的增加,颗粒分布的不均匀度明显降低,管束压降变大;随着热通量的增大,颗粒分布的不均匀度降低,管束压降呈现波动状态,但管束压降值始终小于加热功率为0时的值。     

连续液柱流表面真空蒸发模型

真空条件下连续液柱流表面蒸发现象及模型表达是低能耗汽-液分离过程设计的重要基础。研究了重力作用下通过孔口的连续液柱流条件,获得了液柱断裂的判据。研究了该体系表面蒸发的机理并建立了数学模型。数值模拟与实验数据较为吻合,结果表明：绝热闪蒸条件下,汽液相界面附近液相侧温度梯度显著,过程阻力主要在液相;增加孔口流速、增加液体过热度、减小孔径均可提高蒸发速率,但必须满足液柱断裂判据的限制。     

刮膜式分子蒸馏器内传质的数值模拟

在刮膜式分子蒸馏器中,研究液膜内传质传热特性对改进蒸馏器内流场结构和优化操作参数具有重要意义。今采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件,建立刮膜式分子蒸馏器三维模型,研究了液膜表面温度、浓度、蒸发速率沿三维方向变化,并探究了进料量和加热温度对传质传热特性的影响。结果表明:头波前液膜表面温度随着远离头波沿周向和径向逐渐减小,沿轴向逐渐增加,头波处、壁面附近和液膜表面处温度梯度较大;壁面附近处易挥发组分浓度几乎不变,但沿三维均呈减小趋势;蒸发速率沿三维的变化和温度呈相同的趋势;进料量越小,加热温度越高,液膜表面温度、易挥发组分蒸发速率和液相总传质系数越大,易挥发组分浓度减少的也越快,有利于传质。但较高的加热温度会增加生产成本,且易使物料分解,故应选择合适的加热温度。     

纳米水液膜蒸发行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,从分子层次研究了纳米水液膜的蒸发过程,探讨水分子数、壁面能量参数、温度等因素对纳米水液膜密度分布、汽-液界面厚度的影响。模拟结果表明,水分子数和壁面能量参数对汽-液界面厚度影响不大。随着模拟温度的增加,汽-液界面厚度逐渐增加;液相主体密度逐渐减小。     

材料交错分布型传热板表面异态干涉沸腾传热特性研究

异态干涉沸腾,即不同沸腾强度或者不同沸腾模式（核态、膜态）之间相互干涉,被证实可以提升微小间隙内沸腾传热临界热通量。该现象是在填充了低热导率材料的传热块表面发生的。低热导率材料（PTFE）交错分布结构能够增加不同材料交界面的密度且增强不同沸腾强度或者不同沸腾模式的相互干涉,故被应用于提升微小间隙内的沸腾传热特性。实验结果表明：与均匀传热板和PTFE平行分布传热板相比,PTFE交错分布传热板表面的沸腾传热性能显著提升。材料宽度和间隙尺寸对非均匀板表面的沸腾CHF产生明显影响,随着间隙尺寸的增加,CHF呈上升趋势且最大CHF对应的材料宽度减小。在最优的材料宽度和间隙尺寸的组合下,最大的临界热通量可达到1140 kW/m²且最高的CHF提升比例为84%。     

低压蒸汽环境中水蒸发界面温度和蒸发速率的实验研究

蒸发相变广泛存在于薄膜过程及晶体生长等工业生产和日常生活中，液层表面蒸发和热毛细对流相互影响、相互制约，使得蒸发界面能量传递机制变得非常复杂。为了深入了解水在低压纯蒸汽环境中的蒸发特性，对环形液池内水蒸发时的温度分布和蒸发速率进行了一系列实验研究。环形液池壁温控制在3~15℃之间，蒸发环境压力在394~1467 Pa之间变化，开始测量时液层深度为10 mm。结果表明，蒸发界面气相侧温度总是高于液相侧，气液界面存在明显的温度跳跃。随着压比减小，蒸发速率增加，界面温度跳跃随之增大；随着距壁面距离增加，局部蒸发速率降低，温度跳跃值减小；相同压比下，随着壁面温度的升高，气相侧热通量减小，蒸发界面温度跳跃值整体降低；在实验范围内测得的最大温度跳跃值为2.56℃。由于蒸发冷却效应和热毛细对流的耦合作用，蒸发界面下液相侧存在一个厚度为2 mm左右的温度均匀层，且壁面附近温度均匀层厚度大于中间区域厚度。在温度均匀层内，径向温度梯度诱导的热毛细对流将热量从壁面传输至气液界面以补偿蒸发所需汽化潜热；在温度均匀层以下，浮力对流和导热共同作用使得液相温度迅速升高。     

透明管内的喷射升膜蒸发

<正>在化工、食品和制药工业中经常遇到热敏性物料的浓缩问题。液膜式蒸发器属于一次通过式蒸发器,其停留时间足够短,可减压操作,适用于热敏性物料的浓缩。液膜式蒸发器分升膜、降膜和升降膜式,升膜和升降膜蒸发器的升膜部分的输送动力通常用料液泵。郭雪岩等为蒸发浓缩小处理量的热敏性物料而开发了一种新型蒸发器,其升膜的输送动力用蒸气喷射,尽管前人对绝热两相流和垂直管内的流动沸腾进行了大量的研究,对这种特殊的流动沸腾的研究仍是必要的。文献[2]对蒸气加热的恒壁温条件下的蒸气喷射升液的升膜蒸发进行了实验研究和理论分析。本文的喷射升膜蒸发实验研究是在透明的石英管内,在恒热通量下进行,在石英玻璃管外壁镀一层极薄的透明导电膜,这既可以电加热又不影响观察管内的流动现象。本研究包括对蒸气喷射升膜流动状态的观测和恒热通量条件下喷射蒸发传热的实验研究。     

水平管外喷淋式降膜蒸发的研究

本文探讨了水平管喷淋式降膜蒸发的研究.本实验分别采用电加热和蒸汽加热方式,对不锈钢光滑管和电化学腐蚀多孔表面管进行研究,所用工作流体为脱离子水.除了表面几何情况的研究以外,还以液体进料速率(喷淋密度)、热通量的变化、多孔表面管的热处理情况、以及管内蒸汽速度作为研究的参变量.由于多孔表面管对液膜核状沸腾的促进作用,多孔表面管与光滑管相比,其强化作用是显著的.     

高性能冷凝器技术原理与实践

传统管内冷凝器多采用无汽液分离的单一管内流程进行冷凝,会因壁面凝结逐渐增厚液膜、出现复杂两相流,冷凝换热中系统运行稳定性、流动阻力和系统的调控等严重恶化。本文通过创新的巧妙结构设计,实现沿程汽液自动分离和短管内珠状或非稳定薄液膜冷凝高效传热,开发出高性能凝结换热器。文中简要介绍了这种换热器的技术原理和思路,并给出了一些实验验证。     

竖直管外气液逆流环状降膜速度与温度分布

建立了竖直管外环状降膜气液逆流传热传质条件下稳态层流降膜一维速度分布和二维温度分布模型,以及膜厚和降膜表面热通量的数值计算方法。表面热通量的模型计算值与实验值在气体Reynolds数Re_g<1200的范围内吻合较好,表明基于界面摩擦因子求解模型的方法在两相均为层流条件下是可靠的。模型显示了降膜速度分布和温度分布的非线性特征,降膜表面附近陡降的温度梯度表明,减小膜厚是强化降膜传热传质过程的有效途径。