电场强化乙醚自然对流和池沸腾换热

外加电场强化传热是将电场及其理论引入传热学领域,利用电场力与流场和温度场的相互作用而达到强化传热的一种有效方法．     

石墨烯/镍复合微结构表面的池沸腾传热特性

采用电刷镀和表面改性技术,在紫铜表面制备了纯镍微结构（TS1）、亲水性石墨烯/镍复合微结构（TS2）以及疏水性石墨烯/镍复合微结构（TS3）。采用扫描电镜和接触角测量仪分别对三类微结构的表面形貌和润湿性进行了表征;以去离子水为工质,对三类微结构表面的池沸腾传热特性进行了实验研究,发现含有石墨烯的TS2和TS3较TS1的沸腾传热性能均显著改善,其中,TS3具有最大的传热系数和最高的临界热流密度,与TS1相比,其最大传热系数和临界热流密度分别提高了135%和97%。分析表明,TS3具有复杂三维堆叠微结构,疏水性微结构减小了气泡成核的活化能,增加了核化密度,是传热系数提高的主要因素,同时,三维堆叠微结构增加了受热表面的毛细吸液再润湿能力,是临界热流密度提高的主要机理。     

纳米管表面和自润湿溶液相耦合的传热性能

采用阳极氧化法在光滑钛板表面制备了高度有序的纳米管表面，利用扫描电镜、原子力显微镜和全自动接触角测量仪表征了纳米管表面和光滑表面的形貌及表面特性，配制自润湿溶液并进行热物性测定，将不同的加热面(光滑表面和纳米管表面)与不同工质(蒸馏水和自润湿溶液)组合进行池沸腾实验，从不同角度对比了不同组合工况的传热效果，从微观和宏观两方面对纳米管表面和自润湿溶液耦合强化传热的机理进行了分析。结果表明，具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与自润湿性溶液耦合时，最大传热系数和临界热流密度较高，分别为11.963 kW/(m2?℃)和623.706 kW/m2，比光滑表面与蒸馏水的常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。纳米管表面和自润湿溶液对系统的最大传热系数和临界热流密度强化作用稍有不同，二者协调强化沸腾传热性能。纳米管表面具有更多的有效汽化核心、更大的粗糙度和更好的润湿性，结合自润湿溶液特殊的表面张力特性形成冷热液体微循环，促进冷热液体运动，及时进行二次润湿，大幅减小气泡脱离直径，提高其脱离频率，出现微气泡，增加了对系统的扰动，有效增强了传热性能，是提高系统最大传热系数和临界热流密度的主要原因。     

A review on boiling heat transfer enhancement with nanofluids

There has been increasing interest of late in nanofluid boiling and its use in heat transfer enhancement. This article covers recent advances in the last decade by researchers in both pool boiling and convective boiling applications, with nanofluids as the working fluid. The available data in the literature is reviewed in terms of enhancements, and degradations in the nucleate boiling heat transfer and critical heat flux. Conflicting data have been presented in the literature on the effect that nanofluids have on the boiling heat-transfer coefficient; however, almost all researchers have noted an enhancement in the critical heat flux during nanofluid boiling. Several researchers have observed nanoparticle deposition at the heater surface, which they have related back to the critical heat flux enhancement.     

蒸发温度对水平正反齿压花齿型肋管池沸腾换热的影响

随着节能减排的大力推广,管外沸腾强化传热技术得到了广泛的研究和发展。设计建立了水平双侧强化管管外沸腾试验系统,以R134a为循环工质试验研究了不同热通量工况下,蒸发温度对正反齿压花齿型三维肋管池沸腾换热特性影响,并结合试验结果分析探讨了其理论描述方法。结果表明:蒸发传热系数随蒸发温度变化趋势线的斜率随热通量呈现非线性变化;在同一蒸发温度下,管表面传热系数均随热通量单调递增,但增长率随热通量增加而逐步降低;回归分析获得不同热通量下蒸发温度对正反齿压花齿型蒸发管表面传热系数影响的统一表达式;等热通量工况强化传热因子在热通量超过10kW·m^-2后升至2以上,在热通量接近20kW·m^-2时达到极大值2.588,但在热通量接近5kW·m^-2时接近1;蒸发温度及其与热通量合同对正反齿压花齿型蒸发管表面传热系数的作用机理与理论描述方法有待进一步深入研究。     

R290在水平光滑管内的沸腾换热

对内径为4、6 mm水平光滑铜管内R290的沸腾换热特性进行了实验研究,分析了质流密度、热通量、饱和温度、管径对沸腾传热系数以及临界干度的影响,选择5种适用于R290的水平光滑管内沸腾换热关联式,对实验工况下R290的沸腾传热系数进行预测,并与实验值对比。结果表明,管径越小、质流密度越大,或者饱和温度越高,则沸腾传热系数越大;在干度逐渐增大的过程中,沸腾传热系数随热通量的增大先增大后减小。热通量、管径相比质流密度、饱和温度对临界干度的影响更明显,且热通量越大,临界干度越小;管径越小,临界干度越大。5种关联式中,Fang关联式的预测能力最佳。     

R290在小管径水平微肋管内沸腾传热的实验研究

实验研究小管径水平微肋管内R290的两相流沸腾传热特性,分别在内径为4、6 mm,有效长度为900 mm的紫铜管内,得到R290在质量流量密度100～250 kg·m^-2·s^-1、饱和温度7～11℃、热通量13～24 kW·m^-2以及干度0.1～0.9范围内的沸腾传热系数;分析了质量流量密度、饱和温度、热通量、管型以及干度对R290沸腾传热系数及临界干度的影响。结果发现：沸腾传热系数随质量流量密度、饱和温度的增大而增加;随着热通量的增大,传热系数出现先增后减的现象;热通量越高,临界干度越小;微肋管相比于光滑管临界干度更大;且随着R290的沸腾汽化,干度逐渐增大并出现干涸现象,导致沸腾传热系数先增至一极值后降低。分别采用6种常用的沸腾传热关联式预测R290的沸腾传热系数,对比实验结果得出Fang等和Choi等的预测精度比较高。     

电场分布对R123沸腾换热的影响

采用6种不同电极布置方式,进行了不同电势和热流密度下的R123池沸腾换热的试验研究。通过数值分析,计算了不同电极布置下换热面上的电场强度及分布。不同的电极布置,会导致换热面上电场强度和电场均匀性两方面的变化。结合试验和电场分布的计算结果,分析了电场均匀性、电场强度、热流密度与沸腾换热效果之间的关系。结果表明,在低热流密度下,电场分布对沸腾换热影响较大;而在高热流密度下,影响较小。电水动力学（EHD）强化换热效果是电场强度和电场均匀性综合作用的结果。     

不同压力下HFE-7100在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验

池沸腾是重要的传热模式之一,广泛应用于诸多工业领域。饱和压力的变化会影响传热工质的热物性,进而引起表面核化及气泡动力学参数的改变,因此饱和压力对池沸腾传热性能具有显著影响。本文在不同饱和压力（0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa）工况下对HFE-7100工质在纳米级粗糙度光滑铜基表面的池沸腾传热及可视化实验进行了研究,针对饱和压力对池沸腾传热的影响机制进行了深入探讨,同时采用相关池沸腾传热及临界热通量预测模型对传热性能曲线进行了对比分析。光滑铜基表面的平均粗糙度为19nm,HFE-7100工质在其上的静态接触角为9.83°。可视化图像展现了沸腾孤立气泡生成、充分发展合并及核化沸腾向膜状沸腾转换的过渡状态。实验数据表明,饱和压力的提升可强化池沸腾传热能力及提升临界热通量。相较于0.07MPa低压池沸腾,0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa条件下池沸腾的最大传热系数分别提升29%、59%及75%,传热系数的平均提升率分别为24%、50%和63%,而临界热通量分别增加27%、48%及64%。相对而言,Forster和Zuber（1955）建立的池沸腾传热预测模型及Guan等（2011）建立的临界热通量预测模型较为准确地预测了本研究操控条件下的池沸腾实验数据。     

羟基化多壁碳纳米管/R141b纳米流体核沸腾

向多壁碳纳米管引入羟基基团,改善了其在制冷剂R141b中的分散性和稳定性。同时研究了不同质量分数纳米流体热导率、表面颗粒沉积、接触角变化对核沸腾传热性能的影响。结果表明:羟基化碳纳米流体强化沸腾传热,强化率随质量分数的增加而增加,沸腾后期有所下降。在测试浓度范围内,质量分数为0.05%,热通量为87.4 kW·m^-2时,强化率达到最大168%。流体的热导率随着质量分数的增加而增大,质量分数为0.10%时其热导率是纯R141b的1.18倍。分析认为:纳米流体热导率的增加、表面沉积颗粒及纳米颗粒扰动是强化传热的主要影响因素,接触角变化的影响可忽略不计。结论由质量分数为0.03%纳米流体沸腾过程高速成像得到验证。     

基于自润湿溶液的纳米表面传热性能

采用阳极氧化法在钛板表面制备出TiO₂纳米管阵列,并以其为加热表面。以含不同浓度丁醇的自润湿溶液为实验工质,考察了自润湿溶液浓度变化对系统临界热流密度和传热系数的影响,并从气泡行为的不同分析了两者耦合强化传热的机理。结果表明：相比于光滑表面和蒸馏水的常规组合,TiO₂纳米管表面和自润湿溶液耦合传热使得系统的临界热流密度大幅度提高,随自润湿溶液浓度的升高,传热系数依次降低。具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与1%（质量分数,下同）自润湿性溶液相耦合时,其最大传热系数和临界热流密度分别为11.963 kW·m^-2·℃^-1与623.706 kW·m^-2,比常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。由气泡可视化可知,耦合传热在沸腾过程中产生的气泡细小,脱离速度快,不易团聚,合并后的气泡易破碎,易形成微气泡,从而使系统进入剧烈的微气泡沸腾状态。气泡的高脱离频率和特殊有效的液体补充路径,是提高系统传热系数和临界热流密度的主要原因。     

惰性粒子对水沸腾传热强化的实验研究

通过加入不同种类和体积分率的惰性粒子,在垂直管中进行了水的流动沸腾传热实验,研究了三相流沸腾传热特性。实验中预先对水加热,采用了沸点进料。实验发现,传热膜系数随热通量、液体流量的增加及粒子体积分率的增大而增加。对于不同粒子,这种变化趋势比较一致,但不同粒子对沸腾传热的强化效果不同。实验结果表明:由于固体粒子的存在,强化了沸腾传热,三相流沸腾传热系数是相同条件下汽液二相流沸腾传热系数的1.3—1.7倍。     

Infrared thermometry study of nanofluid pool boiling phenomena

Infrared thermometry was used to obtain first-of-a-kind, time- and space-resolved data for pool boiling phenomena in water-based nanofluids with diamond and silica nanoparticles at low concentration (<0.1 vol.%). In addition to macroscopic parameters like the average heat transfer coefficient and critical heat flux [CHF] value, more fundamental parameters such as the bubble departure diameter and frequency, growth and wait times, and nucleation site density [NSD] were directly measured for a thin, resistively heated, indium-tin-oxide surface deposited onto a sapphire substrate. Consistent with other nanofluid studies, the nanoparticles caused deterioration in the nucleate boiling heat transfer (by as much as 50%) and an increase in the CHF (by as much as 100%). The bubble departure frequency and NSD were found to be lower in nanofluids compared with water for the same wall superheat. Furthermore, it was found that a porous layer of nanoparticles built up on the heater surface during nucleate boiling, which improved surface wettability compared with the water-boiled surfaces. Using the prevalent nucleate boiling models, it was possible to correlate this improved surface wettability to the experimentally observed reductions in the bubble departure frequency, NSD, and ultimately to the deterioration in the nucleate boiling heat transfer and the CHF enhancement.     

改性SiO2纳米颗粒沸腾沉积层的形成原理及其沸腾换热

实验研究了改性SiO₂纳米流体液滴蒸发后的沉积图案,以及改性SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对沸腾换热的影响。液滴蒸发实验研究表明：改性官能团会影响改性SiO₂纳米颗粒是否吸附在液-气界面,从而推断出在沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。沸腾实验研究结果表明：用聚乙二醇基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层使加热面的平均粗糙度从160 nm大幅增长到977 nm,且能增强纯水的沸腾传热系数;而用磺酸基团改性的SiO₂纳米颗粒沸腾沉积层对加热面的平均粗糙度的改变不明显,只使其增大了60 nm,且恶化了纯水的沸腾传热系数。通过沸腾换热实验结果较好地验证了通过液滴蒸发实验推断出的沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。     

电火花改性表面池沸腾换热特性

通过电火花成型加工技术在铜基换热表面制备微纳结构改性表面,以自制换热表面性能测试装置进行改性表面的池沸腾换热性能实验。改性表面随加工电流改变而具有不同粗糙度、孔隙率和粗糙度因子,表面接触角范围在117.4°~133.5°。实验结果表明,改性表面的微纳结构提高换热面的池沸腾换热效果,临界热流密度较光滑铜表面提高了26%~87.8%,最大传热系数提高了48.1%~213%。改性表面的传热系数随着粗糙度增大而减小,而临界热流密度则是先增大后减小;孔隙率的增大使得改性表面的传热系数也随之增大,临界热流密度则是随着孔隙率的增大而先增大后减小;临界热流密度随着粗糙度因子的增大而降低,传热系数则是先增大后降低。粗糙度对沸腾换热的强化效果较小,孔隙率和粗糙度因子是强化池沸腾换热的关键,孔隙率和粗糙度因子分别影响了气泡核化密度和实际接触面积,提高了气泡脱离频率,带走更多的热量,但两者间存在互相制约的平衡关系。     

微柱群流动及换热研究进展

微柱群结构能够增大有效传热面积并增强流动扰动,在航空航天、核电站、空调制冷等领域有广阔的应用前景。但是宏观流动传热机理在微尺度下不一定适用,在微尺度领域流动换热受更多因素影响。本文针对结构、纳米粒子以及不同重力水平对微柱群流动换热影响机理进行了综述,总结了国内外在这方面的研究成果。流线型微柱群结构具有较好的传热性能。文中指出微米或毫米级的粒子在液体中易沉降,堵塞微柱群通道,而纳米流体在微柱群通道压降小、纳米粒子不易沉淀且单位体积内的热导率更高,但纳米流体的物性只能在短时间内保持稳定不变。无论是常重力还是微重力下沸腾换热,微柱群结构都存在毛细吸引力,可及时向受热面供给液体并且提供稳定的气泡成核位点,有助于提高传热系数。本文提出临界热通量和气泡离开直径的变化规律是微重力下微柱群结构沸腾换热的研究重点。     

电场强化乙酸乙酯自然对流和沸腾换热的实验研究

对沉浸于强极性有机液体工质乙酸乙酯中的平板表面上的自然对流和沸腾换热的外加电场强化进行了实验,得出了自然对流和沸腾换热的表面传热系数、强化效果与电场电压、热通量的关系.实验数据表明,外加电场对平板表面自然对流换热的强化效果好于对沸腾换热的强化效果.实验条件下,当施加外电场时,平板表面的自然对流换热的传热系数最大可达到无外电场时的6～7倍,沸腾换热的传热系数最大可达到无外电场时的4～5倍.     

朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量（CHF）。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%～90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。     

外加电场对弱导电工质管外沸腾传热强化的实验研究

针对化工过程和能源工程中常遇到的弱导电工质,通过施加一高压直流电场进行管外沸腾传热的强化实验,得出了外加电场电压、热流密度与沸腾换热系数及强化系数之间的规律.比较分析了工质不同组分对电流体动力学(EHD)强化效果的影响,并对外加电场的功耗进行了分析,为探索EHD强化沸腾换热的机理以及将其推广到工程应用中提供了一定依据.     

多级复合芯结构的强化沸腾传热研究

采用固相烧结技术制备了均匀多孔层、复合16芯和复合32芯三种多孔结构,并且建立了池沸腾传热测试系统来研究不同芯数量、粒径与结构高度对多孔结构沸腾传热性能的影响。实验结果表明,在测试范围内复合层高1 mm的多孔复合32芯结构传热性能较强,临界热通量(CHF)最高为386 W/cm²,传热系数最高达到9.5 W/(cm²·K)。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。可视化数据表明,相比于光滑表面,在高热通量下多孔复合表面上气泡周期更短,脱离更快,气泡的离开带来了更多的液体补充,进而不断提升传热性能,获得更高的CHF值。