三相流重力热管冷凝段传热性能研究

为拓展三相流强化传热和防、除垢技术的应用领域,优化重力热管的传热性能,设计并构建了1套三相流闭式重力热管系统。考察了固含率、加热功率、充液率等参数对于三相流重力热管冷凝段传热性能的影响。结果表明,三相流重力热管可以强化传热。冷凝段对流传热系数随着加热功率的增加而增大,随着充液率的增加而减小。充液率较低时,冷凝段对流传热系数随着固含率的增加而增大;而当充液率较高时,随着固含率的增加,对流传热系数则呈现出先增加,后降低,然后再增加的变化趋势。     

闭式重力热管的强化传热研究进展

重力热管具有传热性能优良、工作可靠、结构简单、制造方便、成本低廉、热流密度可变性、二侧热阻可调性等优点,使其应用领域不断增加。但随着能源的高效利用和强化传热技术的进一步发展,在某些特殊场合,普通重力热管满足不了传热和冷却的需求。为了从根本上提高管内的沸腾和凝结换热系数,提高重力热管的传热能力,科学研究者提出了多种强化传热的途径。文中主要从改变热管自身表面结构强化传热、热管内插件强化传热、多相流强化传热3个方面,综述了近年来闭式重力热管强化传热的途径及强化传热的效果,并对今后重力热管的强化传热研究的方向进行了展望。     

螺旋槽重力热管强化传热实验研究

为了提高重力热管的传热能力,用螺旋槽表面结构来强化重力热管传热,并以水为工质进行了传热特性实验研究。自制热电偶和热管并搭建实验设备,改变加热功率,测得在不同的蒸汽温度下的热管壁温。实验结果表明:以管内等效对流换热系数为评价指标,与普通重力热管相比,螺旋槽重力热管的对流换热系数提高了10%—23%,其中槽深和螺距对传热有很大的影响。     

干燥用振荡流热管强化传热研究

振荡流热管（OFHP）在干燥领域有广阔的应用前景。提出了两种强化振荡流热管传热过程的方法：①用脉冲加热代替传统的连续加热；②采用非均匀热管流通截面。实验结果表明，这两种方法都能增强热管内的振荡过程，并使传热性能显著改善。脉冲加热的振荡流热管比相同功率下连续加热时的传热热流量提高15％～38％，当量热导率提高12％～63％。当加热功率大于100W时，非均匀截面振荡流热管比均匀截面振荡流热管的热流量和当量热导率也有明显提高。     

小倾角自湿润纳米流体重力热管传热特性

以质量分数为0.01%的氧化石墨烯分散液和质量分数为0.5%的正丁醇水溶液按3∶4的体积比混合后的混合溶液为工质，对小倾角下不同加热功率的重力热管传热特性进行分析，并与正丁醇溶液和去离子水的传热特性做对照。结果表明：在小倾角下氧化石墨烯的加入能够减小自湿润流体热管的传热热阻，但其强化作用与加热功率相关；低加热功率下氧化石墨烯的强化作用并不明显，当加热功率为20—120 W时氧化石墨烯的强化作用较为明显，当加热功率超过120 W后，氧化石墨烯的强化作用逐渐减弱。在正丁醇质量分数不变的情况下，当加热功率小于120 W、氧化石墨烯质量分数小于0.06%时，氧化石墨烯质量分数越大热管热阻越小，氧化石墨烯质量分数大于0.06%时热阻反而增大。当加热功率大于120 W后，质量分数越高热管热阻就越大。     

两种不同结构的回路型重力热管性能比较

将回路型热管和重力热管的优点相结合,设计了回路型重力热管。通过试验的方法分析两种不同结构的回路型重力热管的传热性能,结果表明:A型回路型重力热管的传热性能优于B型,不同的倾斜方向对两种回路型重力热管几乎没有影响。通过数值模拟的方法研究了齿形翅片对回路型重力热管的影响,结果表明:齿形翅片可以有效强化自然对流传热,增加回路型重力热管的传热功率。     

超长重力热管传热性能实验研究

用于干热岩热能开采的增强型地热系统存在投资高、风险大、工质漏损、设备腐蚀、地面沉降等问题,利用超长重力热管进行地热开采可以有效规避这些问题。搭建了超长重力热管实验平台,实验研究了超长重力热管的适宜充液量、运行的稳定性和不同冷却水流量下的传热性能并分析了其可能的原因;研究表明在恒定加热功率下,热管的合适充液量为蒸发容积的40%左右,在运行期间,与传统短热管相比,超长热管展现出了强烈的振荡性,振荡频率与加热功率和充液量息息相关;在恒定加热功率下,随着冷却水流量的增加,热管采出功率先增加后逐渐趋于平缓。此外,特别探讨了热管在极端充液量下的传热性能,研究表明在极端充液量下,热管底部形成一定高度的气柱,由于气柱的持续存在导致热量无法传递到热管顶端。实验结果初步证实了超长重力热管在开采干热岩热能上的可行性,为下一步的实际应用提供了基础支持。     

氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性

以氧化石墨烯分散液(浓度为0.5mg/mL)和正丁醇水溶液(质量分数为0.5%)的混合溶液(体积比2:5)为工质,充液率为50%,对不同加热功率条件下环路脉动热管稳定运行的传热特性进行实验研究,并与正丁醇水溶液和去离子水的传热性能进行对比,分析了混合溶液在脉动热管稳定运行时冷热端温差和传热热阻的变化特点,探究了氧化石墨烯对自湿润流体传热性能的影响。研究结果表明:在自湿润流体中加入氧化石墨烯能够强化脉动热管的传热特性,但是和脉动热管的加热功率密切相关;在低加热功率下,氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性没有强化作用;随着加热功率的增加,强化作用明显增强,而当加热功率过大时,强化作用又会逐渐减弱。     

平行流热管管内两相流动可视化实验研究

平行流热管换热器综合热管轴向高效换热和平行流换热器管外高效换热的优点,是一种新型的热管换热器。为了研究平行流热管工作机理及管内流动过程,搭建了平行流热管可视化实验台并对不同结构参数、不同加热功率和不同充注工质下的启动特性和传热传质规律进行了实验研究。实验结果表明：平行流热管工作机理复杂,并联管路内气柱和液柱在重力和不平衡压力的共同作用下进行互激振荡流动,并且管内出现泡状流、弹状流、环状流等多种流型,同时较高的加热功率和较大的管径会加剧工质在并联各管路之间的往复振荡,增加工质在蒸发段和冷凝段的扰动,提高热管的换热性能。     

翅片重力热管传热性能实验研究

热管是一种利用工质相变传热,具有传热温差小、热响应速度快、换热量大等优点的传热元件。为研究翅片重力热管的传热性能,实验测试了翅片重力热管与平板重力热管（铝-丙酮工质）的传热性能,比较了其瞬态热响应速率,获得了翅片与平板重力热管在蒸发段不同电功率稳定加热条件下表面温度沿高度方向的变化规律,计算了平板热管的等效热导率,并与铝板测量结果进行了对比。结果表明：重力热管传热速度快、表面均温效果好,热导率随功率的增大先升高后降低,整体上热导率高达纯铝的84~258倍,翅片热管相比于平板热管具有更好的均温性和散热效果,在建筑供暖、车载电池散热、余热利用等领域具有广泛的应用前景。     

垂直管内三相流化床沸腾传热特性

研究了三相流化床沸腾传热的特性和影响传热系数的诸因素。在传热过程中，由于固体粒子的存在，强化了传热。以玻璃球粒子为固相的三相流化床沸腾传热系数，是相同条件下汽液两相流沸腾传热的二倍。以铜粒子为固相的三相流化床沸腾传热系数，是相同条件下汽液两相流沸腾传热系数的３倍。     

三相流沸腾传热

对三相流沸腾传热进行了理论分析和实验研究，研究了三相流沸腾传热特性，提出了三相流沸腾传热系数的计算方法，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－液两相流沸腾传热系数的两倍。固体粒子的存在，能有效地防止和清除传热壁面上的污垢。     

高温熔盐热管的启动和等温性能

高温热管是高温领域高效传热的关键技术。为进一步研究开发高效热管,提升工业过程传热性能,以熔盐作为热管的传热工质,搭建了高温热管传热实验台,研究了传热工质和倾斜角对热管启动和等温性能的影响。结果表明,在450～700 K工作温度范围内,AlBr₃和TiCl₄熔盐热管在倾斜角为45°和60°的条件下,均达到最优的启动性能;在热管倾斜角为60°时,两种熔盐热管等温性能均达到最佳。无机盐AlBr₃和TiCl₄作为传热工质,重力热管具有良好的启动和等温性能。     

热管式气液固三相固定床鼓泡反应器的传热性能

为了研究热管式气液固三相固定床鼓泡反应器的传热性能,在一内径为50 mm、高800 mm床内充以多孔填料,内插一根φ16 mm×2 mm的水-不锈钢热管的固定床反应器中,用并流向上的热水和氮气进行传热试验研究.研究结果表明：传热量随气相速度u_g增大而增多,在气相速度达到某一数值后,气相速度对传热的影响不显著;并采用最小二乘法拟合得到了试验条件下固定床鼓泡反应器床层与热管加热段管壁之间传热系数的经验计算式.所得到的方程得到了热模试验的验证.     

Heat Transfer and Pressure Drop of Vapor-Liquid-Solid Three-Phase Boiling Flow of Binary Mixtures

Experimental studies on vapor-liquid-solid three-phase flow boiling heat transfer and overall pressure drop of ethanol-water binary mixtures in a vertical tube with solid particles added were carried out. Based on the analysis of the heat transfer characteristics of this three-phase flow boiling, a mathematical model for predicting the three-phase flow boiling heat transfer coefficients of ethanol-water binary mixtures was developed. The results show that with the presence of inert solid particles in binary mixtures, flow boiling heat transfer is enhanced and is about twice that of vapor-liquid two-phase heat transfer. The predicted results of the flow boiling heat transfer coefficients of ethanol-water binary mixtures agreed well with the experimental data.     

FLOW BOILING HEAT TRANSFER IN A NEW VAPOR-LIQUID-SOLID THREE-PHASE CIRCULATING FLUIDIZED BED EVAPORATOR

In order to enhance heat transfer and solve the fouling problems in boiling processes, a boiling system was designed by adding solid particles to the boiling liquid. In this paper, both theoretical analyses and experimental studies on the flow boiling heat transfer in a vapor-liquid-solid three-phase circulating fluidized bed evaporator were carried out. Based on the analysis of the heat transfer characters of this three-phase flow boiling, a mathematical model for predicting the flow boiling heat transfer coefficients of the vapor-liquid-solid three-phase circulating fluidized bed evaporator was developed. The experiments show that, in the presence of solid particles the flow boiling heat transfer is enhanced and is about 2 times that of the vapor-liquid two-phase one. The predicted results of the flow boiling heat transfer coefficients agreed well with the experimental data.