喷雾参数对喷雾冷却换热特性影响的实验研究

搭建了一套封闭式喷雾冷却实验系统(水为工质),利用高速摄像仪对实验进行了可视化研究,分析对比了喷雾高度和喷雾压力在光滑表面及微结构表面对喷雾冷却换热特性的影响。结果发现:相比于光滑表面,在微结构表面上,喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却换热的影响更加明显。当喷雾高度较高时,降低喷雾高度可明显提高热流密度,直至喷雾高度较低且喷雾底圆与换热面内接时,继续降低喷雾高度,热流密度也略有上升;反之,提高喷雾高度则会降低热流密度,减小工质的有效流量,使换热表面过早出现干涸,表面温度均匀性变差。但大幅降低喷雾高度会延迟喷雾冷却进入两相区换热,降低喷雾冷却效率,并不利于换热。所以,喷雾高度对喷雾冷却换热特性的影响具有两面性,而喷雾压力的影响则趋于单一性,增大喷雾压力能提高喷雾冷却热流密度,增强表面温度均匀性,尤其在单相区,随着喷雾压力的增大,热流密度明显增大,最后趋近于一个固定值。     

微槽道表面喷雾冷却的实验研究

本文建立了以蒸馏水为工质的开放式喷雾冷却系统,研究了工质体积流量、槽道宽度、槽道高度对喷雾冷却系统换热性能的影响。结果表明:保持槽道高度为0.8 mm,喷雾流量为0.45 L/min时,随着槽底宽度从4 mm减小至1 mm,传热系数增加了41%;而当喷雾流量为1.25 L/min时,表面传热系数仅增加了8.5%,因此减小槽底宽度对喷雾冷却效果有一定的促进作用,但大流量时并不明显;保持槽底宽度为2 mm,改变槽道高度,当喷雾流量为0.45 L/min时槽道高度对热沉表面的换热影响较大,存在最优槽道高度(0.8 mm),此时热流密度和表面传热系数分别为198.5 W/cm~2、2.75 W/(cm~2·K),与光滑面相比增加了21.25%和30.95%,且存在最低表面温度;而当喷雾流量增至1.25 L/min时,喷雾冷却效果随着槽道高度的增加而持续增加。在以上基础上推导了微槽表面喷雾冷却强化换热机理,得出反映槽道尺寸对换热影响的微槽群表面无量纲准则方程。     

R134a喷雾冷却系统换热性能研究

本文建立了以R134a为冷却工质的封闭式喷雾冷却系统,研究了工质过冷度、质量流量和热流密度对喷雾冷却系统换热性能的影响。其中,工质过冷度由喷嘴入口前的过冷段控制,质量流量通过变频齿轮泵调节,热流密度通过改变加热电源电压和电流控制。实验结果表明,在热流密度和质量流量保持不变时,改变过冷度对热源表面温度和换热系数的影响并不明显;在热流密度和过冷度保持不变的条件下,系统存在一个临界质量流量值,在质量流量达到临界值之前,热源表面温度随质量流量的增大而降低,当质量流量高于临界值时,热源表面温度随质量流量的增大而升高;当质量流量和过冷度保持不变时,存在一个热流密度使液滴的蒸发量等于补充量,在此热流密度下热源表面系数能达到最大。     

以乙醇溶液为冷却工质的开式喷雾冷却系统实验研究

在开式循环喷雾冷却系统上研究质量分数分别为10%、20%、30%、50%、70%、99%的乙醇溶液对喷雾冷却效果影响,结果表明:热沉表面热流密度和传热系数先随乙醇水溶液浓度的增大先增大,当乙醇质量分数为50%时达到最大值,随后随乙醇浓度的增大而减小。体积流量0.944 46L/min,乙醇质量分数为50%时,喷雾冷却传热系数为6.41 W/(cm~2·K),热流密度为216.04W/cm~2,较之纯水传热系数增加了34.95%,热流密度增加了24.9%。结果表明使用乙醇溶液作为冷却剂的喷雾冷却系统能同时满足高热流密度和低换热表面温度的要求,具有良好、稳定的换热冷却能力。推导了反映介质喷雾特性和蒸发强度对换热影响的光滑表面量纲一换热准则方程,涉及的物理参量较少,因此可方便用于工程设计。     

喷雾参数对豆腐真空冷却效果的影响

真空喷雾冷却因其可以有效降低食品真空冷却过程的失水率而受到广泛关注。本文研究了喷雾高度、喷雾流量、喷雾时间、喷雾倾角对豆腐真空喷雾冷却过程冷却时间和失水率的影响。结果表明：喷雾高度对降低质量损失具有显著作用。随着喷雾高度的增加,食品冷却时间增加,失水率呈先减小后基本不变的趋势。在较小的喷雾流量下（5~14 mL/min）,当喷雾高度相同时,喷雾流量对食品失水率无显著影响,但冷却时间随喷雾流量的增大而增加。喷雾时间增加,冷却时间增加,但其失水率会显著降低,当喷雾时间由0 min增至14.50 min时,冷却时间由8.08 min增至15.50 min,增幅为91.83%,失水率由10.49%降至2.93%,降幅达72.07%。当喷雾倾角由90°降至45°,失水率由2.97%增至6.44%,冷却时间呈先降低后基本不变的趋势。     

摇摆激励喷雾冷却实验装置设计

喷雾冷却技术广泛应用于高热流密度机载设备的高效换热。为更好地开展喷雾冷却换热特性实验研究，设计并搭建了摇摆激励喷雾冷却实验装置。首先，通过监测温度、压力及流量等实验数据，以及对模拟加热源进行热沉壁面温度、热流密度和传热系数的不确定度分析，设计了喷雾换热腔系统、摇摆控制系统和数据采集分析系统。然后，通过开展不同幅度摇摆激励下的稳态喷雾冷却换热特性实验来验证所设计装置及方法的可行性。结果表明，喷雾冷却分为浸没喷雾、半浸没喷雾及正常喷雾三个阶段；摇摆激励引起的换热废液不正常排出导致喷雾冷却换热行为发生了变化，在摇摆过程中热沉壁面温度和热流密度剧烈波动；摇摆停止后积液开始不断减少，随着积液高度的不断降低，喷雾冷却换热特性随之变动。在喷雾冷却过程中，幅度不同的摇摆激励下热沉壁面温度的增幅最高可达26.47%，约升高了10.915℃；铜柱热流密度的降幅高达5.42%，约下降了4.126 W/cm²。所设计的实验装置稳定可靠，对机载设备喷雾冷却换热特性的研究和工程应用具有一定价值。     

润滑油对喷雾冷却性能影响

通过搭建基于制冷循环的喷雾冷却实验台,实验研究了润滑油对喷雾冷却流动性能和换热性能的影响。冷却液中含油量的增加会使得冷却液流经喷嘴时的阻力增加,流量减小;随着含油量的增加,热源表面温度呈微小下降趋势,这一现象在热流密度越高时越明显,系统换热系数随含油量增加呈增大趋势,在含油量达到7.2%时,系统换热系数增加了3000W/m2K,表明润滑油的存在使得流动沸腾得到强化,有利于喷雾冷却换热能力的提高。     

机载喷雾冷却换热特性关键影响因素实验研究

为详细研究喷雾冷却系统在大热沉表面积和无沸腾区下的换热特性,并为喷雾冷却系统的机载应用提供技术基础,搭建以水为冷却介质的开放式喷雾冷却实验台。基于实验数据从特征参数和无量纲数两方面研究加热功率、喷雾入口压力对换热性能的影响;并根据飞行工况考查重力角度的影响。得到实验结果:在加热功率500~1 400 W及入口压力0.45~0.85 MPa的条件下,热沉表面温度均能控制在80℃以下。加热功率一定时,系统表面传热系数随入口压力的增加而增加,且增加速率随着功率的增加而增加;热沉表面温度随入口压力增加而减小,且减小速率随着功率增加而增加;表面传热系数随Re和We的增加而增加,增加速率随功率增加主要是由于蒸发强度的增加。此外,与重力方向夹角为30°或120°时,喷雾冷却性能最好。结果表明各工况下喷雾冷却换热效果良好,表面参数均处于合理范围,为该技术在机载领域的应用提供技术参考。     

脉冲式喷雾冷却传热性能实验研究

搭建了以水为工质的喷雾冷却系统,通过变频器调整工质喷雾周期和占空比,获取其传热性能变化规律,研究结果表明:当加热功率小于1 000 W时脉冲喷雾冷却系统存在最佳喷雾周期,当加热功率增至1 200 W喷雾冷却传热系数始终低于连续喷雾;随着加热功率增加不同占空比均对应最优工况,当占空比为0.5,加热功率1 000 W时,表面传热系数为4.02 W/(cm²·℃),比连续喷雾时增大了80.1%;随着占空比的减小,槽道表面传热系数呈现先增大后减小的趋势,而光滑表面呈现增大趋势;采用脉冲式喷雾时不仅可以缩短达到热平衡的时间而且工质量也有大幅度的减少,当喷雾流量为0.45 L/min,达到热平衡时占空比0.4工况比连续喷雾节省了80.9%的工质。     

椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能实验研究

本文搭建了蒸发式冷凝器性能测试系统,采用控制变量法实验研究了迎面风速、喷淋密度、湿球温度、循环水温度、冷却水流量各参数变化对椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能的影响。实验结果表明：该冷凝器实验系统的最佳迎面风速和喷淋密度分别为3.1 m/s和0.005 6 kg/(m·s),冷凝器管外空气压降随迎面风速的增大而迅速增加;随着空气湿球温度升高,冷凝器外传热过程的热流密度(即外热流密度)降低67.5%,而内传热过程的热流密度(即内热流密度)增大47.5%,依靠内传热过程的增强,冷凝器性能良好;随着循环水温度升高,冷凝器的内热流密度降低率高达64.6%,传热性能急剧下降;随着冷却水流量增大,冷凝器的内热流密度大幅提高2.92倍,总热流密度增大21.1%,传热性能显著增强;该冷凝器在低湿球温度、低循环水温度、大冷却水流量的工况下传热性能较优。     

竖直矩形通道内不凝性气体对凝结换热特性的影响

本文以去离子水为工质,实验研究了竖直矩形窄通道内少量残余不凝性气体对蒸汽凝结换热特性的影响。采用热阻分离法得到凝结侧换热表面传热系数,分析了不凝性气体的含量、冷却水质量流速、进口温度和热流密度对蒸汽凝结侧表面传热系数的影响。结果表明:当热流密度为1.668 kW/m~2,即蒸汽质量流速较小时,2%体积分数的不凝性气体使凝结侧表面传热系数下降了33%,但当热流密度为3.887 kW/m~2,蒸汽质量流速较大时,2%体积分数的不凝性气体仅使凝结侧表面传热系数降低了14%,此外,凝结换热表面传热系数随冷水质量流速和不凝性气体分数的增加而变小,随冷水进口温度和热流密度的增加而变大。     

Surface heat transfer characteristics of R404A pulsed spray cooling with an expansion-chambered nozzle for laser dermatology

Cryogen spray cooling is applied to protect epidermis from thermal damage in laser dermatology. However, R134a shows insufficient cooling capacity for minimizing the laser energy absorption by melanin in darkly pigmented human skin. By contrast, the cooling capacity of R404A can be improved with a low boiling point. This study examined the temporal and spatial variations in surface heat transfer during R404A spray cooling using a straight-tube nozzle with an expansion chamber. Substitution of R134a with R404A increases the maximum heat flux by 19%, whereas introducing an expansion chamber enhances the maximum heat flux by 18%. Results indicate that surface heat transfer during R404A spraying exhibits intense temporal and spatial non-uniformity. A sub-region of uniform cooling with a radius of 2 mm appears around the spray center with a high transient heat flux above 300 kW/m². This finding can help physicians precisely control the therapy area with enhanced laser energy.     

间冷冰箱回风道的优化除霜设计

间冷冰箱蒸发器霜层分布对除霜加热器除霜热量分布的不一致性会导致除霜时间增加和除霜效率的降低,因此,本文提出一种间冷式冰箱回风道的优化除霜设计方法。首先通过实验测量除霜加热器表面温度分布,确定除霜加热器除霜热量分布,进而确定与除霜热量相匹配的蒸发器结霜分布;然后基于蒸发器结霜分布确定回风道出口的最优风量分布;最后基于最优的风量分布设计回风道,使蒸发器上霜层分布与除霜加热器除霜热量分布相一致,达到优化除霜的目的。通过某间冷冰箱回风道的优化设计案例表明,优化后的回风道可实现出口风量分布与除霜加热器除霜热量分布相匹配,除霜时间缩短了38.9%,同时使冰箱的制冷量增加了3.43%。     

Investigation of the Effect of Electric Field on the Characteristics of Heat Transfer in a Combustion Chamber with a Porous Cooling Flow Train

The effect of an external electric field on the characteristics of heat and mass transfer is investigated in a combustion chamber whose cooling flow train is filled with a porous material. It is found that, if a constant negative potential of 900 V is applied to the combustion chamber, the heat flux from the combustion products to the firing wall increases (by a factor of 2.7), and in the case of a positive potential this heat flux decreases. The obtained experimental data are explained by the effect of ionic wind which interacts with the boundary layer of the firing wall to cause a variation in its geometric and thermophysical parameters, as well as leads to a change in the flame surface. The observed effect may be used to develop an effective system of cooling the combustors of power plants.     

板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

根据能量守恒和质量守恒定律,对板式蒸发式冷凝器中制冷剂、冷却水与空气之间的传热传质过程,建立了热质交换过程的二维数学模型,由此分析板式蒸发式冷凝器中冷却水温度、空气温度和空气含湿量等参数的分布规律,以及空气流速、干湿球温度、冷却水喷淋密度和冷凝温度对板式蒸发式冷凝器热流密度的影响,并将模拟结果通过实验进行了验证,两者之间的误差在10%以内。研究表明:板式蒸发式冷凝器的热流密度随进口空气流速的增加而增大,随湿球温度的升高而减小,几乎不受进口空气干球温度的影响;热流密度随着冷却水喷淋密度的增加逐渐增大,但增大至一定量后不再对热流密度有明显影响;冷凝温度越高,其热流密度越大。上述结论对板式蒸发式冷凝器的优化设计具有指导意义。