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。     

不同管径毛细管的毛细蒸发特性实验

以无水乙醇为工质,采用3种不同管径的圆形毛细管进行毛细蒸发实验。研究结果表明：毛细管毛细蒸发过程中,蒸发界面移动后会延展形成一层液膜,这层液膜可以大幅提高液体蒸发速率。这是因为液膜蒸发引起的温度变化会通过Marangoni效应转化为表面张力差,使液膜在蒸发的同时得到不断补充,形成高效的蒸发-补充机制。随管径增大,液膜厚度增加,蒸发稳定性变好,速率变化幅度减小。工质整体蒸发速率随管径变大呈递减趋势。     

不同管径毛细管的毛细蒸发特性实验

以无水乙醇为工质,采用3种不同管径的圆形毛细管进行毛细蒸发实验。研究结果表明:毛细管毛细蒸发过程中,蒸发界面移动后会延展形成一层液膜,这层液膜可以大幅提高液体蒸发速率。这是因为液膜蒸发引起的温度变化会通过Marangoni效应转化为表面张力差,使液膜在蒸发的同时得到不断补充,形成高效的蒸发-补充机制。随管径增大,液膜厚度增加,蒸发稳定性变好,速率变化幅度减小。工质整体蒸发速率随管径变大呈递减趋势。     

立式蒸发式冷凝器传热传质的CFD模拟

基于VOF算法,建立了立式蒸发式冷凝器气-液两相顺流传热传质的计算模型.根据CFD模型,计算了在不同气、液相进口条件下,管壁温度的分布、气-液相界面处潜热和显热换热量的关系,模拟得到的管壁温度分布与实验数据吻合很好.计算结果表明,降低进口空气的相对湿度、增大气相流速或者液相流量,都可增强气-液相间热质交换的剧烈程度;气-液相界面处的换热主要形式是由于水蒸发引起的潜热换热,占80%以上,它远远大于由于温度梯度而引起的显热换热量;气-液相界面处的蒸发潜热主要受空气的相对湿度影响,其次是气相流速和液相流量.     

密闭LNG储罐内的压力和蒸发率

以LNG(液化天然气)为介质、以密闭LNG生产储罐为对象进行了储罐的压力及日蒸发气体量及蒸发率测试实验,结果证明:密闭LNG储罐内的温度场是非均匀的,即气相部分温度高于气液分界面处温度、气液分界面处液体温度高于液相主体的温度;在实验条件下,当初始充满率为0.475时,3部分的温差最大约为2～3℃。存在临界初始充满率,即当初始充满率小于临界充满率时,某一充满率下的日蒸发气体量和蒸发率随时间而增大;当初始充满率大于临界充满率时,某一充满率下的日蒸发气体量和蒸发率先随着时间增加而增大,然后又随着时间的增加而减小。     

基于可视化观测和红外测温技术的微通道中乙醇蒸发气液相界面特性研究

研究了乙醇在微通道中蒸发时气液相界面(即弯液面)的特性以及弯液面处蒸发的传热过程。实验选取三种不同尺寸的矩形微通道,水力直径为571,762和1454μm,对应的截面长宽比分别为20,20和10。首先通过可视化观测弯液面构型,以及由稳定界面向不稳定界面的转换。同时,运用红外测温技术获取了弯液面处微通道壁面的温度分布。实验研究了不同微通道中液体蒸发率和单位长度接触线上的蒸发率随热流密度的变化趋势。另外,讨论了弯液面处的温度梯度(即热沉效应)及其影响因素,分析了微通道截面形状对蒸发的作用效果。研究表明,弯液面的稳定性随着蒸发率的升高而下降。热沉效应沿弯液面不断变化,蒸发在弯液面两侧更加剧烈,促进了液体内部的热毛细对流。蒸发率随热流密度的升高而升高,相同热流密度下较大微通道中蒸发率较高。在蒸发率较低时可认为热量存储在贴近壁面的过热层内。此外,单位长度接触线蒸发率与微通道截面长宽比有关,长宽比越小,单位长度接触线蒸发率越高。     

低液速载气蒸发传热与操作特性的研究

载气蒸发是利用在垂直加热管的底部引入一种惰气作为载气,使液体的蒸发在气液两相界面上进行的过程。为减少热敏性物料蒸发过程中物料的停留时间而开发的升膜单程直通式载气蒸发器,要达到足够的浓缩效果,必须在低液速条件下进行,因而对低液速载气蒸发传热和操作特性的研究成为一个急需解决的问题。今在减压条件下,于φ27mm3mm,加热长度为1350mm的垂直不锈钢管中进行了低液速载气蒸发传热和操作特性的研究,实验中获知在一定的操作温度下,对于入口表观液速ul=0.032~0.321m穝-1时,当采用较低的表观载气速时,蒸发传热膜系数随表观载气速的增加而增加,而且较对流沸腾有明显提高,加热壁面温度降低;但当表观载气速过大时,传热膜系数反而随着表观载气速的增加而减小。同时研究中对低液速载气蒸发的操作机理进行了进一步的分析。     

吸收过程的界面传质机理

以分子热力学为基础 ,对气体吸收过程进行了理论分析 ,导出了传质通量的数学表达式。根据该文分析 ,气液界面传质的源动力来自界面处气液两相的不平衡 ,即只要有传质发生 ,液相界面处的浓度就不会达到与气相呈平衡的浓度。对于气相阻力可以忽略的吸收过程 ,两相传质速率的大小主要取决于液相的溶质界面浓度和液膜厚度 ,影响溶质界面浓度和液膜厚度的主要因素是近界面液相侧的流场分布。利用近界面浓度与液膜厚度的激光测定结果 ,计算了甲醇、乙醇及正丙醇吸收CO2 气泡的传质通量 ,计算结果与实验值吻合良好     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

低温液氧贮箱晃动过程热力耦合特性

采用计算流体力学（CFD）技术数值研究了外部晃动激励下低温液氧贮箱内部热力耦合过程。计算中详细考虑了贮箱外部漏热以及气液相间传热的影响,分析了正弦激励对箱体所受晃动力、流体反作用晃动力矩、箱体压力以及箱内流体温度分布的影响。计算结果表明：外部正弦激励使箱体所受晃动力以及流体晃动力矩呈波动降低的变化;晃动使过冷液体对过热气相以及高温壁面产生良好的冷却作用,以致在整个过程中箱体压力近似线性降低。对于气液相温度测点,其距离界面越近,受流体晃动影响越显著。整体上,贮箱内部流体温度呈现上部高下部低、外部高内部低的分布。由于处在贮箱顶部的气相温度测点受箱体上封头影响较大,气相温度出现大幅波动;而处在贮箱底部的液相温度测点直接接受壁面对流换热,其温度值略高于其他液相测点。     

Experimental investigation on evaporation interface temperature and evaporation rate of water in its own vapor at low pressures

Evaporative phase transitions are widely present in industrial production and daily life such as thin film processes and crystal growth. The evaporation of the liquid layer and the thermocapillary convection affect each other and restrict each other, making the energy transfer mechanism of the evaporation interface very complicated. To understand the evaporation characteristics of water in its low-pressure pure vapor environment, a series of experimental studies were carried out on the temperature distributions and evaporating rate of water evaporation in the annular pool. The cylinder temperature of the annular liquid pool is controlled between 3℃ and 15℃, and the evaporation environment pressure ranges from 394 Pa to 1467 Pa, when the temperature measurement starts, the depth of water is 10 mm. The results show that the temperature of the vapor side on the liquid-vapor interface is higher than that of the liquid side and there is an obvious temperature jump across the vapor-liquid interface. With the decrease of the pressure ratio, the evaporation rate increases, and the interface temperature jump is enlarged. Meanwhile, with the increase of the distance from the cylinder, the local evaporation rate decreases, thus, the temperature jump decreases. At the same pressure ratio, as the cylinder temperature increases, the heat flux from vapor side decreases, the temperature jump decreases at all measurement points. Within the experimental controlled parameters, the maximum temperature jump obtained in the measurements is 2.56℃. Due to the coupling effect of evaporation cooling and thermocapillary convection, there is a uniform temperature layer with a thickness of about 2 mm under the evaporation interface. The thickness of the uniform temperature layer near the cylinder is always larger than that in the middle of the evaporation interface. In the uniform temperature layer, the thermocapillary convection induced by radial temperature gradient transfers heat from the cylinder to the liquid-vapor interface to compensate for the latent heat of evaporation. Below the uniform temperature layer, the temperature rises rapidly due to heat conduction and buoyancy convection.     

重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术（ECT）对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示：当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

盐水液滴降压蒸发析盐过程传热传质特性

针对单个盐水(NaCl溶液)液滴在降压环境下蒸发析盐的传热传质过程建立了数学模型。模型考虑了多孔盐壳在液滴表面的形成过程,降压过程引起的气流运动,液核通过多孔介质的传质扩散,以及液滴表面的蒸发换热和对流换热。将实验数据与计算结果对比,验证了模型的有效性。通过模型计算获得了液滴表面温度及液滴质量随时间的变化。结果表明盐水液滴在降压环境下蒸发析盐过程的温度变化分为4个阶段:温度骤降阶段、温度回升阶段、平衡温度阶段和温度上升阶段。平衡温度阶段,盐壳界面运动较慢,随蒸发进行,液核尺寸逐渐减小,盐壳界面运动速度加快。理论分析了环境压力对盐水液滴蒸发析盐过程的影响,环境压力越低,平衡温度越低,盐分完全析出时间越短。     

AN ANALYSIS OF FLOW FILM BOILING OVER AN INCLINED SURFACE EMBEDDED IN POROUS MEDIA

The rate of heat dissipation during flow film boiling from inclined surfaces embedded in porous media is investigated both theoretically and experimentally. The theoretical model relies on the well established Darcy model for the flow both inside the vapor layer and inside the forced convection layer surrounding the vapor film. The main focus is to study the effects of wall temperature, liquid subcooling, wall suction, and orientation of the heated surface on the heat transfer phenomenon. The resulting similarity equations are integrated numerically by use of the fourth-order Runge Kutta method. Systematic “shooting” is required to satisfy the boundary conditions at the liquid-vapor interface and at infinity. Results are reported for the behavior of the vapor film thickness and both the local and average heat transfer coefficients as a function of vapor superheat and liquid subcooling. Experiments were conducted in Freon-113 and a porous medium consisting of 2.8 mm glass beads to verify the theoretical findings, and excellent agreement was found between theory and experiments.     

THEORETICAL SIMULATION OF HIGHLY EFFECTIVE COOLING WITH AN EVAPORATING ANNULAR FLOW IN A VERTICAL TUBE

A new concept is proposed for the highly effective cooling of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using the downward annular two-phase flow of high-speed air and subcooled water in a small vertical tube. Numerical simulations based on the two-phase flow boundary layer model are performed to investigate the heat and mass transfer characteristics of the annular flow with uniform heat flux at the tube wall. The coupled heat transfer due to evaporation and convection and the effects of various relevant parameters on the temperature profiles on the wall and of the gas core are studied. It is shown that annular two-phase flow of air and subcooled water in a small vertical tube can provide high heat transfer rate through the evaporation of the water film, while still maintaining low wall temperature. This cooling method is found to be encouraging for use in the highly effective cooling of PEMFC.     

水膜闪蒸真空制冰的换热特性

引言当一定温度的液体突然暴露在低于其饱和压力的环境下时,液体由最初的平衡状态变成过热状态,液体中的过热量已经不能以显热的方式来包含能量,不能继续存在于液体中,会迅速转换为蒸发潜热,形成汽泡,同时液体温度迅速下降,这个过程被称为液体的闪蒸。由于闪蒸现象伴随着大量的水蒸气生成和剧烈的温度下降,在现代工业中,闪蒸被广泛应用在海     

高温高压喷雾闪蒸的蒸发特性

基于新型高温高压喷雾闪蒸实验台,以水为工质,研究初始条件和运行条件对闪蒸蒸发特性的影响。首次将液体初始温度提高至100℃以上,将闪蒸罐运行压力保持为正压,并使用具有独特双S形叶片的涡旋实心锥喷嘴,将液体向上或向下喷入闪蒸罐。实验过程中液体初始温度为135～150℃,闪蒸压力分别为121、126、131、136、141、146 kPa,液体过热度为30～46℃。实验结果表明,闪蒸蒸汽流量随初始温度的提高而增大,随闪蒸压力的提高而减小。液体向下喷射比向上喷射产汽量更高,蒸汽带水更少。闪蒸效率随过热度呈线性增长,在大量实验数据基础上拟合出二者之间的经验公式。实验结果为高温高压喷雾闪蒸的工业应用提供借鉴。     

蒸发-凝结流动的边界层现象及热短路效应

热管是一种高效传热元件,为了降低理论研究的复杂性,对其做出简化是必要的。针对一些基本假设的适用性,本文建立了一维蒸发-凝结流动传热模型。通过初积分,对控制方程进行了化简和数值计算。结果表明,温度、流速以及压力场,在蒸发和凝结相界面上明显存在着边界层,其中蒸发侧尤为明显,速度、压力梯度较大;在雷诺数很大的情况下,温度梯度也较大。由边界层现象推出了蒸发-凝结流动传热的热短路效应：汽相工质的最终趋势是达到均匀的温度场和饱和状态,汽相热阻为零。     

机械蒸汽再压缩蒸发系统的性能分析

机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发系统是一种新型高效节能蒸发技术。它有多个单元设备组成,每个操作节点的控制都对系统运行的稳定性和节能效率至关重要,其中包括进料温度、蒸发压强、蒸汽压缩比、冷凝液温度等。若操作条件不当,不仅会大大降低蒸发效率而且会对设备和管路造成损害。本文建立了一套充分利用能源的MVR蒸发工艺流程,并通过理论分析对每个操作节点进行了质量和能量衡算,同时利用Aspen Plus模拟软件建立了系统的流程模拟图。通过对操作单元的变量控制,研究了循环蒸汽量、补充水的量与进料温度、冷凝液温度、蒸汽压缩比以及蒸发压强等之间的变化关系。由数据分析可得：原料在饱和液体时进料最佳,冷凝液的温度应保持与蒸发温度的有效温差在5～8 ℃时较好,压缩机的蒸汽压缩比控制在1.8～2.2较为合理。同时可利用冷凝液和浓缩液的余热对原料预热,补充水也可从冷凝液中直接取用。