以乙醇溶液为冷却工质的开式喷雾冷却系统实验研究

在开式循环喷雾冷却系统上研究质量分数分别为10%、20%、30%、50%、70%、99%的乙醇溶液对喷雾冷却效果影响,结果表明:热沉表面热流密度和传热系数先随乙醇水溶液浓度的增大先增大,当乙醇质量分数为50%时达到最大值,随后随乙醇浓度的增大而减小。体积流量0.944 46L/min,乙醇质量分数为50%时,喷雾冷却传热系数为6.41 W/(cm~2·K),热流密度为216.04W/cm~2,较之纯水传热系数增加了34.95%,热流密度增加了24.9%。结果表明使用乙醇溶液作为冷却剂的喷雾冷却系统能同时满足高热流密度和低换热表面温度的要求,具有良好、稳定的换热冷却能力。推导了反映介质喷雾特性和蒸发强度对换热影响的光滑表面量纲一换热准则方程,涉及的物理参量较少,因此可方便用于工程设计。     

润滑油对喷雾冷却性能影响

通过搭建基于制冷循环的喷雾冷却实验台,实验研究了润滑油对喷雾冷却流动性能和换热性能的影响。冷却液中含油量的增加会使得冷却液流经喷嘴时的阻力增加,流量减小;随着含油量的增加,热源表面温度呈微小下降趋势,这一现象在热流密度越高时越明显,系统换热系数随含油量增加呈增大趋势,在含油量达到7.2%时,系统换热系数增加了3000W/m2K,表明润滑油的存在使得流动沸腾得到强化,有利于喷雾冷却换热能力的提高。     

喷雾参数对喷雾冷却换热特性影响的实验研究

搭建了一套封闭式喷雾冷却实验系统(水为工质),利用高速摄像仪对实验进行了可视化研究,分析对比了喷雾高度和喷雾压力在光滑表面及微结构表面对喷雾冷却换热特性的影响。结果发现:相比于光滑表面,在微结构表面上,喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却换热的影响更加明显。当喷雾高度较高时,降低喷雾高度可明显提高热流密度,直至喷雾高度较低且喷雾底圆与换热面内接时,继续降低喷雾高度,热流密度也略有上升;反之,提高喷雾高度则会降低热流密度,减小工质的有效流量,使换热表面过早出现干涸,表面温度均匀性变差。但大幅降低喷雾高度会延迟喷雾冷却进入两相区换热,降低喷雾冷却效率,并不利于换热。所以,喷雾高度对喷雾冷却换热特性的影响具有两面性,而喷雾压力的影响则趋于单一性,增大喷雾压力能提高喷雾冷却热流密度,增强表面温度均匀性,尤其在单相区,随着喷雾压力的增大,热流密度明显增大,最后趋近于一个固定值。     

微槽道表面喷雾冷却的实验研究

本文建立了以蒸馏水为工质的开放式喷雾冷却系统,研究了工质体积流量、槽道宽度、槽道高度对喷雾冷却系统换热性能的影响。结果表明:保持槽道高度为0.8 mm,喷雾流量为0.45 L/min时,随着槽底宽度从4 mm减小至1 mm,传热系数增加了41%;而当喷雾流量为1.25 L/min时,表面传热系数仅增加了8.5%,因此减小槽底宽度对喷雾冷却效果有一定的促进作用,但大流量时并不明显;保持槽底宽度为2 mm,改变槽道高度,当喷雾流量为0.45 L/min时槽道高度对热沉表面的换热影响较大,存在最优槽道高度(0.8 mm),此时热流密度和表面传热系数分别为198.5 W/cm~2、2.75 W/(cm~2·K),与光滑面相比增加了21.25%和30.95%,且存在最低表面温度;而当喷雾流量增至1.25 L/min时,喷雾冷却效果随着槽道高度的增加而持续增加。在以上基础上推导了微槽表面喷雾冷却强化换热机理,得出反映槽道尺寸对换热影响的微槽群表面无量纲准则方程。     

垂直矩形窄通道换热特性实验研究

本文以去离子水为工质进行实验,研究垂直矩形窄通道换热特性。采用单侧壁面加热,改变工质流动参数,分析沿流动方向的壁面温度分布特性和测温点处的局部换热系数。实验表明:以对流沸腾为主的阶段,换热系数随着质量流速的增加而增加,入口温度对于换热系数基本没有影响;当干度χ0.1时,换热系数随着干度的增加而降低,当干度χ0.1时,换热系数随着干度的增加而基本保持不变。以核态沸腾为主的阶段,换热系数随干度的增加而略微上升,随入口温度的升高而增加。     

两种不同工质在微通道内沸腾换热特性的实验研究

为研究流体物性、流动和换热过程的状态参量对微通道内沸腾换热特性的影响规律,本文采用去离子水和无水乙醇在当量直径为0.293 mm的矩形微通道进行了不同质量流量和热流密度条件下的沸腾换热实验研究,通过对实验数据的计算和处理,分析总结了流体的热物性、质量流量、热流密度、干度和Bo数等参量对沸腾换热系数的影响规律。结果表明:沸腾换热系数随着热流密度、干度和Bo数的增大而降低,核态沸腾占主导地位;相同的质量流量和热流密度条件下,去离子水的沸腾换热系数明显高于无水乙醇的沸腾换热系数,并且前者的换热系数随质量流量的增大而增大,而后者变化不明显。根据考虑了通道尺寸效应及流体物性参量总结出的换热系数关联式进行了计算,计算结果对去离子水和无水乙醇的平均绝对误差分别为14.2%和16.6%,可认为该关联式适用于微通道内沸腾换热系数的预测。     

R404A和R407C在水平强化管外的凝结换热实验研究

实验研究了近共沸制冷工质R404A与非共沸制冷工质R407C在水平强化换热管管外的凝结换热性能。采用"Wilson图解法"对实验数据进行处理。结果表明:对于R404A和R407C,强化管外的凝结换热系数随着壁面过冷度的增加而增大,呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势,这主要是近共沸或非共沸工质凝结过程中,某些组分的凝结会遇到其它组分的凝结气膜热阻所造成的;随着过冷度增加,易挥发组分开始凝结,气膜变薄,冷凝传热系数增大。R407C在强化换热管管外的凝结换热系数比R404A要小70%左右,这是由于R407C的温度滑移较R404A要大,管外形成的凝结扩散气膜造成的影响更大。R407C在高热流密度工况下的换热效果提升明显,故应尽量工作在高热流密度区域。     

加热方位对流动沸腾临界热流密度影响

为了研究重力场对流动沸腾临界热流密度的影响,搭建了两相沸腾换热实验系统。以蒸馏水为工质,采用单侧加热的窄缝通道,通过改变质量流速、入口过冷度和重力场与加热方位的夹角,考察不同加热方位临界热流密度特性和实验段流阻特性。分析了质量流速、入口过冷度、加热方位对流动沸腾临界热流密度的影响,并将实验数据与Ivey-Morris模型、Sudo模型和Wojtan模型的计算值进行了验证对比。结果表明:加热面呈0°放置时的临界热流密度最大,呈180°放置时最小,质量流速和入口过冷度的增大会加大临界热流密度。Sudo模型对本实验条件不适用;Ivey-Morris模型和Wojtan模型在加热面呈0°放置时与实验值符合情况良好,相对误差约在30%以内,其他加热方位时,计算值均大于实验值。     

R32在水平管内流动沸腾换热特性的试验研究

对R32在水平光滑管和微肋管(外径均为7mm)内的沸腾换热特性展开试验研究,测试的制冷剂质量流速为100~250 kg/(m~2·s),饱和蒸发温度为7~11℃,热流密度为3~8 kW/m~2,测试管内制冷工质平均干度值为0~0.7。试验结果表明:热流密度是影响R32沸腾换热系数的主导因素之一,质量流速的增大、饱和蒸发温度的升高、热流密度的增大均有利于提高R32的沸腾换热系数;微肋管有强化传热的效果,其平均沸腾换热系数比光管增大11.8%~33.2%;干度对R32沸腾换热系数的影响比较复杂,R32的沸腾换热系数随干度的增加先增大后减小,这是由于出现了干涸值,本文试验测得的干涸值范围为0.41~0.57,制冷剂质量流速的降低和热流密度的增大均有利于干涸值的增大。     

微柱群通道内饱和沸腾换热特性实验研究

为实现微小空间高效散热,本文以去离子水为工质,实验研究了工质流经高度和直径均为500μm的微圆柱组成的叉排微柱群通道时的饱和沸腾换热特性,并采用高速摄像机记录了通道内不同加热功率的气液两相流型,实验参数设定质量流速为341~598.3 kg/(m~2·s),热流密度为20~160 W/cm~2,蒸气干度为0~0.2。结果表明:随着热流密度增大,局部沸腾换热表面传热系数近似单调递减。在低干度区,局部沸腾换热表面传热系数随着质量流速的增加而增大,随着蒸气干度的增加而减小;受过冷沸腾气泡影响,工质进口温度越低,局部沸腾换热表面传热系数越大;随着热流密度增大,微柱群通道流动沸腾气泡流型依次为:泡状流、环状流,且泡状流区的局部沸腾换热表面传热系数明显高于环状流区。     

板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

根据能量守恒和质量守恒定律,对板式蒸发式冷凝器中制冷剂、冷却水与空气之间的传热传质过程,建立了热质交换过程的二维数学模型,由此分析板式蒸发式冷凝器中冷却水温度、空气温度和空气含湿量等参数的分布规律,以及空气流速、干湿球温度、冷却水喷淋密度和冷凝温度对板式蒸发式冷凝器热流密度的影响,并将模拟结果通过实验进行了验证,两者之间的误差在10%以内。研究表明:板式蒸发式冷凝器的热流密度随进口空气流速的增加而增大,随湿球温度的升高而减小,几乎不受进口空气干球温度的影响;热流密度随着冷却水喷淋密度的增加逐渐增大,但增大至一定量后不再对热流密度有明显影响;冷凝温度越高,其热流密度越大。上述结论对板式蒸发式冷凝器的优化设计具有指导意义。     

Simulation of subcooled flow boiling in a micro-channel

Bubble behavior was simulated to analyze the mechanism of subcooled boiling in a micro-channel. Bubble growth, condensation, and collapse in subcooled boiling, as well as the function of the degree of subcooling, lift-off diameter, heat flux, and mass flux are discussed. The influence of surface tension on interfacial heat transfer is likewise presented. In the calculated results, both onset of nucleate boiling and boiling heat transfer are influenced by micro-channel size. The simulated flow pattern corresponds with some experimental results. Findings on the boiling heat transfer from the simulation were compared with experiments.     

喷雾冷却临界传热特性试验研究

为了进行极限热工况下的喷雾冷却传热特性研究,设计并搭建采用蒸馏水及乙醇溶液喷雾冷却试验台,分析结构参数、喷雾流量、喷雾腔内压力等对喷雾冷却临界热流密度的影响。试验结果表明:临界热流密度随槽道深度增加先增大后减小,最佳槽道深度为0.8 mm,此时临界热流密度达到326 W/cm^2;随着喷雾流量的增加,临界热流密度始终增大;喷雾腔内压力对临界热流密度基本没有影响。计算结果表明,喷雾冷却效率随槽道深度增加而提升,随喷雾流量的增加而减弱。     

竖直矩形通道内不凝性气体对凝结换热特性的影响

本文以去离子水为工质,实验研究了竖直矩形窄通道内少量残余不凝性气体对蒸汽凝结换热特性的影响。采用热阻分离法得到凝结侧换热表面传热系数,分析了不凝性气体的含量、冷却水质量流速、进口温度和热流密度对蒸汽凝结侧表面传热系数的影响。结果表明:当热流密度为1.668 kW/m~2,即蒸汽质量流速较小时,2%体积分数的不凝性气体使凝结侧表面传热系数下降了33%,但当热流密度为3.887 kW/m~2,蒸汽质量流速较大时,2%体积分数的不凝性气体仅使凝结侧表面传热系数降低了14%,此外,凝结换热表面传热系数随冷水质量流速和不凝性气体分数的增加而变小,随冷水进口温度和热流密度的增加而变大。     

High heat flux transport by microbubble emission boiling

In highly subcooled flow boiling, coalescing bubbles on the heating surface collapse to many microbubbles in the beginning of transition boiling and the heat flux increases higher than the ordinary critical heat flux. This phenomenon is called Microbubble Emission Boiling, MEB. It is generated in subcooled flow boiling and the maximum heat flux reaches about 1 kW/cm²(10 MW/m²) at liquid subcooling of 40 K and liquid velocity of 0.5 m/s for a small heating surface of 10 mm×10 mm which is placed at the bottom surface of horizontal rectangular channel. The high pressure in the channel is observed at collapse of the coalescing bubbles and it is closely related the size of coalescing bubbles. Periodic pressure waves are observed in MEB and the heat flux increases linearly in proportion to the pressure frequency. The frequency is considered the frequency of liquid-solid exchange on the heating surface. For the large sized heating surface of 50 mm length×20 mm width, the maximum heat flux obtained is 500 W/cm² (5 MW/m²) at liquid subcooling of 40 K and liquid velocity of 0.5 m/s. This is considerably higher heat flux than the conventional cooling limit in power electronics. It is difficult to remove the high heat flux by MEB for a longer heating surface than 50 mm by single channel type. A model of advanced cooling device is introduced for power electronics by subcooled flow boiling with impinging jets. Themaxumum cooling heat flux is 500 W/cm² (5 MW/m²). Microbubble emission boiling is useful for a high heat flux transport technology in future power electronics used in a fuel-cell power plant and a space facility.     

R410A和R22在小管径水平管内冷凝换热特性研究

本文搭建了冷凝换热实验台,对R410A和R22管内冷凝换热系数性能进行对比研究,实验工况为质量流速200~800kg/(m^2·s)、饱和温度40℃、干度0~1、5 mm外径水平光滑铜管,分析了质量流速和干度对管内冷凝换热的影响,并将应用于传统管道的关联式与实验所得数据进行对比。结果表明:冷凝换热表面传热系数与质量流速和干度呈正相关,高干度区域时的冷凝换热表面传热系数增幅显著;M. M. Shah[4]关联式来预测实验数据的效果并不理想,与实际值相比偏差最大可达60%,但是预测低质量流速和低干度区的数据较为理想;当质量流速较小(G=200 kg/(m^2·s))时,R410A的冷凝换热表面传热系数要低于R22;随着质量流速的增大(G=400 kg/(m^2·s)),二者冷凝换热表面传热系数的差距减小;当达到中高质量流速(G=600kg/(m^2·s))时,R410A的冷凝换热表面传热系数与R22的相似;当质量流速继续增大(G=800 kg/(m^2·s))时,R410A的冷凝换热表面传热系数随着干度的增大开始高于R22的。     

椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能实验研究

本文搭建了蒸发式冷凝器性能测试系统,采用控制变量法实验研究了迎面风速、喷淋密度、湿球温度、循环水温度、冷却水流量各参数变化对椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能的影响。实验结果表明：该冷凝器实验系统的最佳迎面风速和喷淋密度分别为3.1 m/s和0.005 6 kg/(m·s),冷凝器管外空气压降随迎面风速的增大而迅速增加;随着空气湿球温度升高,冷凝器外传热过程的热流密度(即外热流密度)降低67.5%,而内传热过程的热流密度(即内热流密度)增大47.5%,依靠内传热过程的增强,冷凝器性能良好;随着循环水温度升高,冷凝器的内热流密度降低率高达64.6%,传热性能急剧下降;随着冷却水流量增大,冷凝器的内热流密度大幅提高2.92倍,总热流密度增大21.1%,传热性能显著增强;该冷凝器在低湿球温度、低循环水温度、大冷却水流量的工况下传热性能较优。