CO2-空气微通道蒸发器两相区熵产分析

微通道已成为换热器研究领域的热点,以CO₂微通道蒸发器为研究对象,建立了CO₂微通道蒸发器两相区内、外侧均有相变的熵产模型,通过建立的CO₂微通道蒸发器二维分布参数模型求解系统熵产数.分析CO₂与空气侧质量流率、空气入口温度及CO₂蒸发温度对系统熵产数的影响.结果表明:CO₂质量流率对系统熵产数影响很小;系统熵产数主要由CO₂与空气两侧温差传热引起;系统熵产数随空气入口温度的增大而增大,随CO₂的蒸发温度的增大而减小;随着空气质量流率的增大,系统熵产数增大,且蒸发温度越高,空气质量流率对系统熵产数的影响越大.     

基于传热和压降耦合的混合工质冷凝器结构优化

基于传热和压降的耦合作用,针对R744/R290(20/80)和R125/R290(25/75)混合工质逆流换热冷凝器建立基于熵产最小化的管长优化数学模型,并结合Cavallini凝换热性能评价指标PEI(performance evaluation index)和温度惩罚因子TTP(total temperature penalization),得到了混合工质PEI与传热系数α之间的函数关系,具体分析了管径、冷凝温度和被动压降对管长优化结果的影响。研究表明,制冷剂饱和温度降为制冷剂与壁面之间传热驱动温差的0.6倍,高压工质R744/R290(20/80)(临界温度低的工质)的PEI值更小,冷凝换热性能更优,同时小管径的冷凝器最优管长更小,且最优管长随随着冷凝温度的增大而增大,随着被动压降的增加而减小。     

DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降的影响

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结（DMLS）微型换热器中,设计系统压力为176 kPa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃,在热通量21.2~38.2 kW·m^-2和质量流率183.13~457.83 kg·m^-2·s^-1工况下,研究纳米粒子浓度对Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明：纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响,气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少,在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al₂O₃,不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%~32.6%;通过SEM和表面静态接触角测试方法,发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面,增加了微通道表面的润湿性;对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型,并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正,得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内,同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%,说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。     

DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al_2O_3/R141b流动沸腾压降的影响

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结(DMLS)微型换热器中,设计系统压力为176 k Pa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃,在热通量21.2~38.2 k W·m-2和质量流率183.13~457.83 kg·m-2·s-1工况下,研究纳米粒子浓度对Al_2O_3/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明:纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响,气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少,在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al_2O_3,不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%~32.6%;通过SEM和表面静态接触角测试方法,发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面,增加了微通道表面的润湿性;对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型,并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正,得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内,同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%,说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。     

不锈钢三维强化管内的换热和压降特性

采用实验方法对比制冷剂R410A在3根强化管和1根光滑管内的换热和压降特性。所有的三维双侧强化管均通过高压分层轧制制成,其立体化内表面结构分别是旋涡状凸起和船型凹坑与花瓣纹背景图案的叠加。通过热平衡分析,实验热损失小于5%。保持制冷剂侧流量不变的情况下,改变水侧的质量流率,可以通过Wilson图解法计算每个管型的水侧传热系数。经热阻模型计算,1EHT-1的管内单相换热性能最佳,3EHT次之,1EHT-2最弱。3根强化管的蒸发和冷凝换热实验结果差距较大,不锈钢的低热导率对凸起/凹坑区域的温度分布影响是主要原因。     

管翅式换热器的不可逆损失分析

以热力学第二定律为基础讨论了波纹翅片管换热器的不可逆损失,重点考察了换热器的几何尺寸对换热过程中不可逆损失的影响.[JP+2]不可逆损失用温差传热和流动摩阻所引起的熵产之和来表征.计算结果表明：换热器单位换热量的熵产随翅片波纹角的增加略有增加,但几乎不受翅片间隔的影响.当管的排数增加时,单位换热量的熵产先减后增,在特定管排数处取得极小值.单位换热量的熵产随空气流速的增加而单调增加.     

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。     

连续螺旋折流板换热器流动与传热性能及熵产分析

采用数值模拟的方法,研究了螺旋角对连续螺旋折流板换热器流动与传热性能的影响,并以熵产数为指标对换热器性能进行了基于热力学第二定律的分析评价。结果表明,相同质量流量时壳程传热系数和压降均随螺旋角的增大而降低,且后者降低的幅度大于前者。连续螺旋折流板换热器壳程横截面上切向速度分布较弓形折流板换热器更加均匀。在靠近中心假管的内层区域,同一径向位置的轴向速度随螺旋角的增大而降低,而在靠近壳体壁面的外层区域则相反。螺旋角越大,不同径向位置的换热管间的换热量分布均匀性越好。壳程质量流量相等时,换热器中传热引起的熵产占总熵产的比重随着螺旋角的增大而增加,熵产数随着螺旋角的增大而降低。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×10³≤Re≤8.6×10⁵、4.62×10¹³≤Gr≤1.38×10¹⁴范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×103≤Re≤8.6×105、4.62×1013≤Gr≤1.38×1014范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

基于两相流流型的平行流冷凝器整体仿真模型与实验验证

引言平行流冷凝器作为一种新颖的换热器加之其不同于传统翅片管换热器的结构,因此其传热流动性能尚处研究之中。尤其是平行流冷凝器制冷剂侧微通道两相流机制及其转变不同于常规的管子,以往关于平行流冷凝器整体仿真模型的研究中,微通道两相流数值模拟大都采用传统大管径模型或者修正     

双排对折型微通道换热器仿真模型开发

针对双排对折型微通道换热器,建立三维分布参数模型,基于双排对折的独特结构分别划分换热区和集流管的控制单元,并创新性提出一种基于流程的制冷剂流路描述方法。调研并整理了公开发表文献中记载的适用于微通道换热器的制冷剂侧和空气侧的换热及压降关联式,使模型能够应用于各类工况。建立模型的控制方程,并开发一种换热-压降交替迭代的快速求解算法,基于此计算换热器性能,并用试验数据验证模型的计算精度。结果表明,基于此仿真模型计算的换热器平均换热误差小于5%,制冷剂侧平均压降误差小于10%,满足实际工程需求。     

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。     

柜式空调微通道蒸发器换热性能测试

设计并搭建了柜式空调用微通道蒸发器的性能实验测试平台,测试了微通道蒸发器扁管进出口端温度分布及蒸发器进出口温差、压差、输入功率、制冷量和系统能效比随环境舱温度(18~23℃)升高的变化,并与常规管翅式蒸发器进行了对比。结果表明,微通道蒸发器具有较好的制冷剂流量分配特性,提高了空调出风口温度分布均匀性;由于微通道蒸发器制冷剂充注量低于管翅式蒸发器,且流程也相对缩短,相同工况下,微通道蒸发器进出口压差比管翅式蒸发器降低了33.9%,输入功率降低了4.12%,制冷量提升了2.95%,系统能效比最高提高了6.69%。     

三维针翅片管在螺旋板换热器应用传热强化研究

将光滑管外表面进行滚压—犁切复合加工,形成了三维A型针翅片管,应用于连续形的螺旋导流板换热器中,流体在连续形螺旋导流板换热器的壳程中类似于塞状流流动,几乎没有返混和流动死区。在相同压降下,其传热系数比普通的弓形折流板换热器高得多。文章以润滑油作为实验介质,研究了润滑油在螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的壳程传热和压降性能,并与光滑管螺旋导流板换热器进行了性能对比。实验结果表明,在相同Reynolds数下,螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的Nusselt数和压降△p分别是光滑管螺旋导流板换热器的2.4～2.8倍和1.2～1.4倍。与光滑管螺旋导流板换热器相比,螺旋导流板三维A型针翅片管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高,证明在螺旋流条件下,三维A型针翅片管具有很好的传热强化性能。     

Second‐Law Based Thermodynamic Analysis of a Novel Heat Exchanger

In the present investigation, second‐law based thermodynamics analysis was applied to a new heat exchanger with helical baffles. The helical baffles are designed as quadrant ellipses and each baffle occupies one quadrant of the cross‐section of the shell side. Experimental tests were carried out with cold water in the tube side with a constant flow rate, and hot oil on the shell side with flow rate range from 4–24 m³/h. The temperatures and pressures for the inlet and outlet of both sides were measured. The heat transfer, pressure drop, entropy generation, and exergy loss of the new heat exchanger were investigated and compared with the results for a conventional shell‐and‐tube heat exchanger with segmental baffles. The computed results indicated that both the entropy generation number and exergy losses of the new heat exchanger design are lower than those of the heat exchanger with segmental baffles, which means that the novel heat exchanger has a higher efficiency than the heat exchanger with segmental baffles, from the second‐law based thermodynamics viewpoint.     

三维翅片管外螺旋流动传热强化

流体在螺旋隔板换热器的壳程类似于塞状流流动,几乎没有返混和流动死区.在相同压降下,其传热系数比普通的弓形隔板换热器高得多.以润滑油作为实验介质,研究了润滑油在螺旋隔板单管换热器的壳程传热和压降性能,并与光滑管进行了性能对比.采用Wilson图解法分别分离出了螺旋隔板花瓣管和光滑管单管换热器的管程传热系数,并计算出各自的壳程传热系数,壳程传热系数相对误差为±3％.实验结果表明,在相同Reynolds数下,螺旋隔板花瓣管单管换热器的Nusselt数和压降Δp分别是螺旋隔板光滑管单管换热器的2～2.7倍和1.3～1.4倍.与螺旋隔板光滑管单管换热器相比,螺旋隔板花瓣管单管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高,证明在螺旋流条件下,花瓣管具有很好的传热强化性能.     

分流板结构对微通道平行流蒸发器性能的影响

试验研究了仅改变微通道平行流蒸发器内第一个分流板上的开孔数量和位置时,蒸发器的流动和换热性能的变化规律。结果表明：分流板的开孔数量和位置对蒸发器的流动和换热性能影响很大。合理布置分流板的结构,可以改善蒸发器内的流量分配,从而提高蒸发器的制冷能力,同时压降也会上升,且上升幅度大于制冷量的增加幅度。分流板上的总开孔面积一定时,开孔数量和位置的变化对蒸发器的内部阻力系数没有影响。分流板上的开孔数量太少及开孔位置偏离中心都不利于流量的均匀分配。分流相对均匀的第一个分流板的结构是：开孔数量是扁管数量的一半,开孔位置与相邻两扁管的投影等距。