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。     

水平管内纯饱和蒸汽强制对流冷凝局部换热特性

通过对水平管内饱和纯蒸汽强制对流冷凝换热的实验研究, 分析在管内两相流型为环状流-半环状与波状流时, 质量含汽率、蒸汽入口流速和压力对蒸汽冷凝换热的影响, 并得到了同时适用于这两种流型的计算局部冷凝传热系数的经验关联式。结果表明:局部冷凝传热系数在环状流-半环状流及波状流下均随质量含汽率和压力的降低而减小;在环状流-半环状流下, 随蒸汽入口流速的升高而增大, 在波状流下, 随蒸汽入口流速的增大而减小;实验拟合所得到的换热经验关联式与实验结果符合良好, 偏差在±20%以内。     

基于流型的矩形小通道内冷凝传热模型研究

为研究蒸气在矩形小通道内的冷凝传热特性,建立一种基于两相流型的矩形小通道内冷凝传热模型。新模型较以往引入较少的经验参数以降低误差,可较为准确的预测流型处于环状流、环波状流、波状流、弹状流、塞状流及分层流时的传热特性。新模型适用于蒸气质量流速35～55 kg×(m~2×s)~(-1),蒸气干度0.1～0.9,饱和压力0.1～0.4 MPa。结果表明:新模型预测精度在±20%内。平均冷凝传热系数随蒸气饱和温度的降低及蒸气质量流速的增大而增加。不同流型对上下壁面处的温度及冷凝传热系数的影响也不同:环状流时,上下壁面间的差值很小;随着流型由环状流变为波状流最后发展到分层流,差值逐渐增大;到分层流后期,由于液池增速变缓,差值增加的速度也随之减小。     

水平管内含空气蒸汽流动冷凝局部换热特性

通过进行含空气蒸汽在水平管内强制对流冷凝换热实验,结合流型判断结果,详细分析了空气质量分数、混合气流速和压力以及换热管内壁面过冷度对局部冷凝传热系数的影响。结果表明:局部冷凝传热系数始终随空气质量分数的增加而减小,随混合气总压的增加而增大;在环状流下,局部传热系数主要受混合气流速影响;在波状流下,局部传热系数大小由局部空气含量和波状流的发展程度决定;在分层流下,局部传热系数受壁面过冷度影响。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道，以去离子水为流动工质，在不同质量流量和热通量条件下，对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果，发现通道传热系数随出口干度增大，呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势，正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能，传热系数最大提高127.7%，压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现，随热通量增大，流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变，换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

微通道内伴有化学吸收的气液二相流型

采用高速摄像仪对T型进口的矩形微通道内气液二相流型进行了实验研究,实验物系采用单乙醇胺(MEA)水溶液-N2和单乙醇胺水溶液-CO2。对于无相间传质的单乙醇胺水溶液-N2二相流动过程,观测到了泡状流、弹状流、弹状-环状流和液环流;对于伴有化学吸收的单乙醇胺水溶液-CO2二相流动过程,未观测到泡状流,而观测到弹状-泡状流。在实验范围内,随着深宽比减小,无论是否伴有化学吸收,弹状流区域均减小;对伴有化学吸收的气液二相流,随化学反应速率的增大,流型转换线向右移动。以化学反应速率为控制参数,分别给出流型转换判别式,预测结果与实验数据吻合良好。在弹状-泡状流型中,随着气相表观流速的下降和液相表观流速、深宽比以及化学反应速率的上升,微通道内临界泡状距离减小。     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

内壁填充环状金属泡沫的管内流动凝结换热

通过采用在圆管内壁填充环状金属泡沫的方法强化管内对流凝结换热,实验研究了制冷剂R134a在内壁填充环状金属泡沫管内的流动凝结的压降和换热,克服了完全填充金属泡沫管流动阻力大的缺点。用于计算传热系数的管壁温度通过热电偶测量得到。综合分析了质量流速和两相流体干度对流动凝结压降及传热系数的影响。研究结果表明内壁填充环状金属泡沫管压降远大于光管,压降随质量流速和干度的增加而迅速增大且呈非线性。通过壁面温度分布和温度波动对内壁填充环状金属泡沫管内的两相流型进行判别,发现影响该类强化管凝结换热的两种主要流型：分层流和环状流。内壁填充环状金属泡沫管的凝结传热系数大于光管,且随着质量流速和干度的增加传热系数增大,该类强化管流动凝结传热系数是光管的2倍左右。     

微通道内气液(液液)二相流的实验研究进展

综述了微通道内气液(液液)二相流的流型特征.微通道内气液二相流常见的流型为泡状流、弹状流、环状流和翻腾流;液液二相流常见的流型为液滴流、塞状流、平行流及环状流.分析了不同操作条件对气液(液液)二相流行为的影响.介绍了微通道内气液(液液)二相流流型判别谱图,对常用的弹状流、液滴流和塞状流进行了重点介绍.指出了微通道内气液...     

水平横槽纹管内氨沸腾换热及压降特性实验研究

对水平横槽纹管内氨沸腾换热及其压降特性进行了实验研究，获得了不同热流密度、不同质量流速和不同局部蒸汽干度下沸腾换热和压降的实验数据。实验结果表明，在本实验的参数范围内，与光滑管相比，横槽纹管在压降增加不大的情况下可使管内沸腾换热系数提高３０％～１５０％，横槽纹管的节距减小对传热强化的作用明显，而对槽深的影响不大。还给出了横槽纹管内氨局部沸腾换热和压降的无因次准则关系式。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

On the examination of recycle on heat (and mass) transfer in concentric tubes

The effect of recycle on heat (and mass) transfer in concentric circular tubes has been investigated by finite difference methods. Theoretical results show that recycle can enhance the heat transfer rate for large Graetz numbers compared with that in an open tube (without an inner tube inserted and without recycle). Competition between a preheating effect and a residence-time effect can be used to explain the heat transfer behavior. The heat transfer rate can be further augmented, with nearly no increase in total pressure drop, by employing flow pattern B instead of flow pattern A.     

竖直圆管内超临界甲烷冷却换热数值模拟

应用Lam-Bremhorst低雷诺数湍流模型对超临界甲烷在竖直管内的冷却传热进行了数值模拟,研究了质量流量、热通量、流动方向及密度变化对传热系数的影响。结果表明,竖直圆管内超临界甲烷冷却传热系数随质量流量的增加而增加;在似气体区传热系数随热通量的增大而增加,而在似液体区热通量对传热系数几乎没有影响;流动方向在似气体区对传热系数几乎没有影响,而在似液体区上升流的传热系数大于下降流的传热系数;密度变化在似气体区使传热系数增加,而在似液体区使上升流的传热系数增加,使下降流的传热系数减小。     

高温煅烧石油焦排料过程余热回收

为了实现煅烧石油焦在排料过程中余热的高效回收利用, 本文利用自行搭建的高温煅烧石油焦余热回收试验系统, 研究了煅后焦当量排料速度、换热管类型、换热器当量入口流速等参数变化对余热回收性能的影响规律。试验结果表明:利用余热回收换热器既可实现煅后焦余热的高效回收, 平均余热回收效率为78.9%, 又能实现煅后焦的均匀冷却, 温度不均匀系数仅为0.0757;随着煅后焦当量排料速度的增加, 内换热器和外换热器的传热系数均逐渐增加, 余热回收效率先增加后降低;翅片型换热器比光管型换热器的换热性能明显提高, 余热回收效率提高了7.4%, 同时换热器出口处煅后焦的温度不均匀系数减少了32.6%;随着当量入口流速的增加, 外换热器和内换热器的传热系数均逐渐增加。     

CO2微细通道流动沸腾换热干涸特性

针对二氧化碳作为制冷剂在微细通道内两相流沸腾换热进行了实验与理论研究,采用红外成像观测与传热系数实验研究,定量与定性地分析了热通量2～35 kW·m^-2,饱和温度-10～10℃工况时,内径为1、2、3 mm圆管内的传热系数。实验结果表明:当质量流率增加时干涸起始干度逐渐降低,当质量流率小于临界值时,干涸现象结束之后,传热系数随着质量流率增加基本维持不变,而当质量流率大于临界值时,干涸现象结束之后,随着质量流率增加传热系数相应增加;随着管径增加,干涸发生的质量流率越小,临界热通量越大,同时管径越小传热系数越高。     

直管式直流蒸汽发生器不同运行参数下两相流压降预测

将B&W公司的直流蒸汽发生器进行简化,采用常热流边界条件进行不同运行参数下直流蒸汽发生器二次侧流动与换热过程数值模拟,并与经典摩擦压降经验关联式进行对比。结果表明：Martinelli-Nelson关联式更适用于预测蒸干发生时两相流的摩擦压降;摩擦压降随质量含汽率增加整体呈现上升趋势,蒸干发生时摩擦压降的变化率明显增大;管内气液两相流摩擦压降随质量流量和热通量增加而增大,随运行压力增大而减小。其中质量流量、运行压力对摩擦压降的影响较明显,热通量对其影响较小。     

Wall-to-particle heat transfer in steam reformer tubes: CFD comparison of catalyst particles

Computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate non-reacting heat transfer in a steam reforming packed reactor tube of tube-to-particle diameter ratio (N) equal to 4, with cylindrical multi-hole catalyst particles. These simulations extend those of our previous study [Nijemeisland, M., Dixon, A.G., Stitt, E.H., 2004. Catalyst design by CFD for heat transfer and reaction in steam reforming. Chemical Engineering Science 59, 5185-5191] to provide accurate tube wall temperatures, runs at constant pressure drop in addition to those at constant mass flow rate and simulations of particles with different sizes of holes. At constant pressure drop, particles with higher void fractions allowed higher mass flow rates, resulting in tube wall temperatures and radial temperature profiles in order: solid cylinders>one-hole particles>multi-hole particles. Little difference was seen between three-hole and four-hole particles. The particles with multiple holes gave a substantial reduction in tube wall temperature, with only a small decrease in core tube heat transfer. The effect of hole size was small, for the cases investigated in this study.