制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Re_l和Fourier数Fo_l。将Jakob数Ja与Re_l及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）、丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

R404a喷雾冷却表面传热特性的时空不均匀性

制冷剂瞬态喷雾冷却是辅助激光手术治疗皮肤病的重要手段,目前采用的R134a制冷剂不易抵消深色人种表皮中的黑色素对激光能量的大量吸收,采用沸点较低的R404a制冷剂能更有效防止表皮的热损伤。使用带膨胀腔的新型喷嘴搭建了瞬态喷雾冷却实验台,采用薄膜热电偶快速测温技术对R404a瞬态喷雾冷却表面传热特性进行了研究。结果表明,R404喷雾冷却表面传热具有时间和空间的不均匀性,然而在喷雾中心半径2 mm的中心区域内存在高热通量的均匀冷却区域。在实际激光皮肤临床手术中,参考实验结果可保证喷雾冷却对治疗范围内的表皮进行均匀冷保护。     

R1234yf瞬态喷雾冷却及过热度影响的实验研究

制冷剂瞬态喷雾冷却是临床激光治疗的重要辅助手段。当前临床应用及实验研究均采用R134a或R404A进行喷雾冷却,但这两种制冷剂具有极高的温室效应潜能(GWP)值,对环境产生严重威胁。以热物性与R134a相似、而GWP值仅为4的R1234yf作为喷雾冷却的替代制冷剂,对其临床应用进行了探索性研究。表面传热的研究结果显示R1234f的冷却能力略低于R134a与R404A。通过降低制冷剂过热度的方式,可以有效提高喷雾集中程度,在保证闪蒸雾化的前提下显著提高表面热通量,提高R1234yf喷雾临床应用的可行性。     

R1234yf瞬态喷雾冷却及过热度影响的实验研究

制冷剂瞬态喷雾冷却是临床激光治疗的重要辅助手段。当前临床应用及实验研究均采用R134a或R404A进行喷雾冷却,但这两种制冷剂具有极高的温室效应潜能（GWP）值,对环境产生严重威胁。以热物性与R134a相似、而GWP值仅为4的R1234yf作为喷雾冷却的替代制冷剂,对其临床应用进行了探索性研究。表面传热的研究结果显示R1234f的冷却能力略低于R134a与R404A。通过降低制冷剂过热度的方式,可以有效提高喷雾集中程度,在保证闪蒸雾化的前提下显著提高表面热通量,提高R1234yf喷雾临床应用的可行性。     

新型喷嘴R404a闪蒸瞬态喷雾冷却传热特性

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却在激光治疗血管性皮肤病手术中得到广泛应用, 主要用于激光照射前选择性地冷却表皮。本文搭建了喷雾冷却实验台, 设计不同长径比膨胀腔新型透明喷嘴, 应用薄膜热电偶瞬态温度快速测量技术和杜哈梅尔定理计算方法对比分析了膨胀型喷嘴和传统直管型喷嘴应用低沸点的新型制冷剂R404a的闪蒸瞬态喷雾冷却表面动态传热特性。应用高速摄像仪和采用背光法对新型喷嘴膨胀腔内部制冷剂流动形态进行观察, 发现制冷剂液体在膨胀腔内首先发生一次闪蒸破碎, 剧烈相变产生大量气泡, 可导致液滴温度在喷嘴内部大幅降低, 而直管型喷嘴制冷剂只在喷嘴喷出后才形成闪蒸喷雾并降温。因此, 膨胀腔型喷嘴比直管喷嘴具有更佳的冷却效果, 能够产生更低的冷却温度, 更高的热通量、传热系数和换热量。膨胀腔长径比是影响此类喷嘴喷雾冷却效果的关键因素, 在长径比1:2时其冷却能力最强、有效冷却时间最长。     

制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却研究进展

随着皮肤激光医学的高速发展,与之配合的表皮冷却技术日益重要,具有极大的市场应用前景。制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却(CSC)已经成为激光治疗血管性皮肤病的重要辅助冷却手段,可以有效减小黑色素吸收激光能量导致的表皮热损伤,从而提高入射激光能量、改善治疗效果。CSC涉及到低沸点高挥发性介质的闪蒸雾化、冷却表面沸腾相变传热等多相流与传热复杂科学问题,已有研究大部分是以实验的方式进行。本文从闪蒸喷雾机理、闪蒸喷雾特性、表面动态传热规律与传热强化4个方面对CSC在近二十年的研究进展进行综述,对比分析了典型研究方法与研究结果,并对其影响因素进行了探讨,使用更低沸点的新制冷剂与背压/距离耦合的喷雾新技术可以极大提高冷却能力。最后,指出了当前研究的难点以及后续研究方向。     

制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却研究进展

随着皮肤激光医学的高速发展,与之配合的表皮冷却技术日益重要,具有极大的市场应用前景。制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却（CSC）已经成为激光治疗血管性皮肤病的重要辅助冷却手段,可以有效减小黑色素吸收激光能量导致的表皮热损伤,从而提高入射激光能量、改善治疗效果。CSC涉及到低沸点高挥发性介质的闪蒸雾化、冷却表面沸腾相变传热等多相流与传热复杂科学问题,已有研究大部分是以实验的方式进行。本文从闪蒸喷雾机理、闪蒸喷雾特性、表面动态传热规律与传热强化4个方面对CSC在近二十年的研究进展进行综述,对比分析了典型研究方法与研究结果,并对其影响因素进行了探讨,使用更低沸点的新制冷剂与背压/距离耦合的喷雾新技术可以极大提高冷却能力。最后,指出了当前研究的难点以及后续研究方向。     

系统压力影响下的喷雾冷却特性及温度均匀性

喷雾冷却是一种新型的高热通量换热方式。对以水为工质的封闭式喷雾冷却进行了实验研究,并结合实验现象对不同系统压力下喷雾冷却的换热特性及表面温度不均匀性进行了分析,并给出了相应的量纲1压力换热关联式。实验结果显示:由于系统压力较低,喷雾工质在较低的温度下进入两相区,其换热能力远远高于常压下的换热能力,且换热性能随系统压力减小呈指数性增大关系;在实验条件中,可以实现在85℃的平均壁面温度下,热通量达到360W.cm-2;低压下喷雾冷却被冷却壁面的温度不均匀性小于常压下温度不均匀性。     

R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究进展

R290（丙烷）及其混合制冷剂具有优秀的环保性和热物性,是理想的替代制冷剂,但存在可燃的问题。通过对R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究,可以优化制冷系统的换热器,减少充灌量,降低R290及其混合制冷剂的可燃性。本文综述了国内外R290及其混合制冷剂在水平管内相变换热的研究,表明R290及其混合制冷剂拥有接近或超越传统合成制冷剂的相变换热性能。列出并对比了相关研究中得到的相变换热关联式,汇总了相关研究中质量流量、热流密度、干度等因素对相变换热的影响。指出当前研究大多在过去常用的传热管进行,为了降低R290及其混合制冷剂的可燃性,减少制冷系统的制冷剂充灌量,必须对R290及其混合制冷剂在小管径（7mm、6mm、5mm,甚至4mm）传热管内相变换热的关联式和影响因素进行深入研究。     

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度的快速测量

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却已经成为激光治疗葡萄酒色斑临床手术中重要的冷却辅助手段,能够保护表皮不受激光的热损伤,提高治疗激光能量,改善治疗效果。针对制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度快速准确测量的难点,建立了制冷剂闪蒸喷雾冷却实验系统,利用磁控溅射技术直接在被测表面沉积T型薄膜热电偶,对薄膜热电偶测量瞬态表面温度技术进行了详细研究,校核了薄膜热电偶的静态温度特性和动态反应时间,对测得的温度结果进行了巴特沃斯低通滤波处理,比较了滤波截止频率和采样率对滤波结果的影响。     

微尺度通道内R134a的冷凝传热实验研究

建立采用射流冲击进行制冷剂冷却的冷凝传热实验系统,对当量直径为0.63 mm矩形微尺度通道内制冷剂R134a的冷凝传热特性进行研究。实验参数范围是制冷剂干度0~1,质量流率115~290 kg/(m²·s）,饱和压力0.35~0.5 MPa,实验获得了不同工况下微尺度通道的局部冷凝传热系数,并分析了制冷剂各参数对冷凝传热的影响。实验结果表明：冷凝过程中沿制冷剂流动方向,局部冷凝传热系数会随着干度减小而减小;在一定饱和压力下,局部冷凝传热系数与局部热通量相对应;冷凝传热系数随着饱和压力减小而增大。基于实验数据,整理出适用于本实验工况下微尺度通道内R134a的冷凝传热计算公式。     

喷雾冲击条件下液膜流动与传热模型

针对现有喷雾冷却计算模型的不足,以质量、动量、能量守恒方程为基础,建立喷雾冷却非沸腾区的液膜流动与传热方程,并采用数量级分析的方法对方程简化,最后运用数值方法对模型进行求解。给定液滴速度及液体温度,由模型计算液膜厚度、平均热通量与液体流出温度,与实验测试结果对照。结果显示,液膜厚度的计算结果与实验结果相差6%以内;平均热通量和液体离开待冷却表面的最终温度计算结果与实验结果相差10%以内,且超过60%的计算结果偏差小于5%。计算结果与实验结果的高度匹配证明该模型可较好地反映喷雾冷却过程的流动与换热。由模型可以获取不同位置处液膜厚度与温度,从而加深对喷雾冷却传热机理的理解。     

喷雾冲击条件下液膜流动与传热模型

针对现有喷雾冷却计算模型的不足,以质量、动量、能量守恒方程为基础,建立喷雾冷却非沸腾区的液膜流动与传热方程,并采用数量级分析的方法对方程简化,最后运用数值方法对模型进行求解。给定液滴速度及液体温度,由模型计算液膜厚度、平均热通量与液体流出温度,与实验测试结果对照。结果显示,液膜厚度的计算结果与实验结果相差6%以内;平均热通量和液体离开待冷却表面的最终温度计算结果与实验结果相差10%以内,且超过60%的计算结果偏差小于5%。计算结果与实验结果的高度匹配证明该模型可较好地反映喷雾冷却过程的流动与换热。由模型可以获取不同位置处液膜厚度与温度,从而加深对喷雾冷却传热机理的理解。     

基于量纲一分析的循环流量实验关联式

自然循环蒸发器工艺设计中阻力的衡算一般按试差算法进行,其中一个关键步骤即修正单位面积总循环流量,计算工作量大且精度低。采用量纲一化分析方法,将循环流量、传热温差、蒸发室压力、流体密度、流体黏度、导热系数、比热容、加热管内径、加热管管长等9个参数关联起来,探讨了用于描述自然循环过程的5个量纲一数。以水为实验介质,设计单管常压自然循环蒸发实验台,对不同传热温差下循环流量的变化进行了实验,并在实验数据的基础上,推导得到用于计算循环流量的量纲一准数关联式。结果表明:由量纲一准数关联式计算得到的π2和由实验数据计算得到的π2相对误差在3%以内。     

基于量纲一分析的循环流量实验关联式

自然循环蒸发器工艺设计中阻力的衡算一般按试差算法进行,其中一个关键步骤即修正单位面积总循环流量,计算工作量大且精度低。采用量纲一化分析方法,将循环流量、传热温差、蒸发室压力、流体密度、流体黏度、导热系数、比热容、加热管内径、加热管管长等9个参数关联起来,探讨了用于描述自然循环过程的5个量纲一数。以水为实验介质,设计单管常压自然循环蒸发实验台,对不同传热温差下循环流量的变化进行了实验,并在实验数据的基础上,推导得到用于计算循环流量的量纲一准数关联式。结果表明:由量纲一准数关联式计算得到的π2和由实验数据计算得到的π2相对误差在3%以内。     

超声对无沸腾区浸液式喷雾冷却的影响研究

超声由于空化和声流机制可起到强化换热效果,为研究其在高热流下对喷雾冷却传热特性的影响,设计并搭建了以H₂O为工质的浸液式喷雾冷却实验平台,在无沸腾区范围内考察了不同喷雾高度、压力和热通量下超声场对喷雾冷却换热性能的影响。研究表明：超声浸液喷雾冷却的换热效果要优于浸液式喷雾冷却,在高热通量152 W/cm²情况下更加明显;强化换热效果会随着喷雾压力的升高而减小,在最佳喷雾高度10 mm和喷雾压力0.1 MPa条件下,浸液超声式喷雾冷却相比浸液式换热效果最高提升14.4%;超声对换热的改善作用随着喷雾高度增加而提升,喷雾高度18 mm时最高强化比29.1%。     

喷雾冷却换热强化研究进展及影响因素

喷雾冷却是一种高效的散热手段,广泛应用于高热通量电子元器件的热管理。近年来,喷雾冷却引起了极大的关注,其换热能力得到了显著的提升。特别地,新型微纳米表面的开发极大地促进了喷雾冷却传热的发展,丰富了喷雾传热强化的机理研究。因此,本文全面系统地总结了喷雾冷却的最新研究成果,讨论了喷雾换热的强化机理,从传热表面特性,工作介质以及喷嘴参数等多个方面讨论了喷雾冷却换热的关键影响因素。最后,进一步探讨了喷雾冷却抑制Leidenfrost现象的机制,并对喷雾冷却未来研究方向进行了展望。     

浸没燃烧式气化器换热管内跨临界液化天然气的传热特性

浸没燃烧式气化器(SCV)换热热阻主要存在于换热管内部,研究管内跨临界液化天然气(LNG)传热特性对提高设备整体的换热效率具有重要意义。本文建立了能够描述换热管内跨临界LNG流动与传热过程的数值计算模型,分析了换热管内LNG的传热规律,获得了入口速度、入口压力和壁面热通量对局部传热系数的影响规律,提出了适用于预测管内跨临界LNG传热特性的量纲为1关联式。结果表明,沿着LNG流动方向,局部流体传热系数先增大后减小,且最大值出现在拟临界温度附近,超临界条件下LNG热物性剧烈变化是引起强化传热的主要原因;在一定范围内,提高入口速度可以有效地强化流体传热能力,局部流体传热系数的最大值主要取决于入口压力,增加壁面热通量会缩短局部流体传热系数达到最大值所需的时间;提出的量纲为1传热关联式平均绝对相对误差为6.53%,且预测值落在±25%相对误差范围内的比例为99.42%。该研究成果可为掌握SCV设计方法和高效运行技术提供参考。