不同蒸气压力下Marangoni凝结换热特性

在蒸气流速4 m·s^-1的条件下,通过实验研究了不同蒸气压力下纯水、纯酒精和不同酒精浓度水-酒精混合蒸气沿重力方向流过竖直铜平板表面上的凝结换热特性,并实现了实验的可视化,同时从理论上初步分析了混合蒸气压力对Marangoni凝结换热特性的影响.实验及理论分析结果表明,在相同蒸气浓度、蒸气流速和表面过冷度条件下,高压下的凝结换热强度比低压的大.且蒸气压力对凝结换热的影响因混合蒸气酒精浓度的不同而不同,在低浓度1%、2.28%和高浓度22%、51%时压力的增加对凝结换热特性的影响较小,而在中间浓度5.1%和9.8%时凝结换热系数随压力的增加明显.     

水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态

设计搭建了水平表面上凝结实验系统,利用高速摄像机对水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态进行观察记录,获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对凝结形态的影响规律。采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理,统计得到了作为定量表征Marangoni凝结形态参数之一的最大液珠半径的变化规律。研究结果表明：凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈,液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程,最终凝结形态基本保持不变,液珠成长时间数量级约为10 s。在凝结的初始阶段,当过冷度较大时,膜状凝结与珠状凝结同时存在于凝结表面;随着过冷度降低,小液珠数目增多;过冷度继续降低,凝结面全部被大量小液珠所覆盖。随着初始过冷度降低、酒精蒸气浓度增高,凝结液珠成长时间增长,液珠的生长速度变慢。蒸气流速对液珠的成长过程影响相对不明显。随着凝结进行,最大液珠半径从2 mm增大到10 mm的数量级;同一凝结时刻,随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低,最大液珠半径逐渐增大。     

水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态

设计搭建了水平表面上凝结实验系统,利用高速摄像机对水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态进行观察记录,获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对凝结形态的影响规律。采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理,统计得到了作为定量表征Marangoni凝结形态参数之一的最大液珠半径的变化规律。研究结果表明:凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈,液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程,最终凝结形态基本保持不变,液珠成长时间数量级约为10 s。在凝结的初始阶段,当过冷度较大时,膜状凝结与珠状凝结同时存在于凝结表面;随着过冷度降低,小液珠数目增多;过冷度继续降低,凝结面全部被大量小液珠所覆盖。随着初始过冷度降低、酒精蒸气浓度增高,凝结液珠成长时间增长,液珠的生长速度变慢。蒸气流速对液珠的成长过程影响相对不明显。随着凝结进行,最大液珠半径从2 mm增大到10 mm的数量级;同一凝结时刻,随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低,最大液珠半径逐渐增大。     

Marangoni凝结形态的影响因素

用实验方法研究了宏观温度场对一定浓度范围内的水-酒精蒸气混合物的Marangoni凝结的影响。根据拍摄记录的图片,观察到了膜状、珠状、珠状带块状、波动条纹状、溪状和珠状带溪状6种凝结形态。发现并非所有的凝结形态都出现在每个工况中,而且有些凝结状态之间并没有严格的界限。凝结形态随过冷度、浓度、流速、压力和表面温差的不同会发生变化,尤其是过冷度和浓度对凝结形态的影响最大。凝结形态与其对应的凝结表面传热系数有紧密的联系：在相同的实验条件下,当凝结表面传热系数出现峰值时,其对应的凝结形态均为珠状凝结。当凝结表面传热系数较低时,其对应的凝结形态为膜状凝结或较大液块凝结。最后对平块和斜块的Marangoni凝结形态进行了对比分析：可以看出斜块凝结面上液珠比较混乱,凝结形态不能简单地归结为珠状、条状、环状、平膜状和带起伏的膜状中的一种,一般是各种凝结形态都有一部分,或者说居于各凝结形态的中间过渡态。     

H2O-CO2、H2O-N2、H2O-He水平管外自然对流凝结换热特性研究

不凝性气体制约换热设备安全和系统效率,为研究不凝性气体-蒸气于水平管外自然对流凝结换热机理和特性,实验测量了不凝性气体He、N₂、CO₂质量分数分别为1.16%~18.18%、7.56%~60.86%、11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~101 kPa的H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂自然对流条件下水平管外凝结换热特性,对比分析了H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂的不凝性气体质量含量、壁面过冷度以及压力因素的影响。压力和壁面过冷度一定,相同质量分数时,实验凝结传热系数与Nusselt理论解的比值(Q/Q_Nu)由大到小依次为：H₂O-CO₂、H₂O-N₂、H₂O-He;相同摩尔分数时,Q/Q_Nu由大到小依次为：H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂。相同总压力和不凝性气体质量分数时,H₂O-He的Q/Q_Nu随着壁面过冷度的增加下降最为缓慢。相同不凝性气体质量分数和壁面过冷度时,H₂O-He的Q/Q_Nu值最小,其受压力影响最为显著。     

H2O-CO2、H2O-N2、H2O-He水平管外自然对流凝结换热特性研究

不凝性气体制约换热设备安全和系统效率,为研究不凝性气体-蒸气于水平管外自然对流凝结换热机理和特性,实验测量了不凝性气体He、N₂、CO₂质量分数分别为1.16%~18.18%、7.56%~60.86%、11.39%~70.95%,壁面过冷度为5~25 K,总压力为5~101 kPa的H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂自然对流条件下水平管外凝结换热特性,对比分析了H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂的不凝性气体质量含量、壁面过冷度以及压力因素的影响。压力和壁面过冷度一定,相同质量分数时,实验凝结传热系数与Nusselt理论解的比值(Q/Q_Nu)由大到小依次为：H₂O-CO₂、H₂O-N₂、H₂O-He;相同摩尔分数时,Q/Q_Nu由大到小依次为：H₂O-He、H₂O-N₂、H₂O-CO₂。相同总压力和不凝性气体质量分数时,H₂O-He的Q/Q_Nu随着壁面过冷度的增加下降最为缓慢。相同不凝性气体质量分数和壁面过冷度时,H₂O-He的Q/Q_Nu值最小,其受压力影响最为显著。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4 mm,质量流速G=143、300 kg·m^-2·s^-1,主流过冷度ΔT_sub=17、25℃,热通量q=1～20 W·cm^-2的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度N_a,气泡脱离直径D_d,气泡脱离频率f等。     

R134a/R125混合工质水平管外凝结换热

对纯工质R134a以及R134a/R125在三种不同组成比例下的混合工质,在光管和相同肋密度的二维及三维强化管外进行凝结换热试验研究。结果表明:R134a在光管外凝结表面传热系数与Nusselt数理论值的相对偏差均在±10%以内,R134a在光管及强化管外凝结表面传热系数变化趋势与Nusselt数理论解相一致。与纯R134a相比,含R125的混合工质管外凝结表面传热系数均所有下降;对于光管,含R125的混合工质管外凝结表面传热系数随壁面温差的增大而下降,但对于强化管,含6%及以上的R125混合工质,其凝结表面传热系数随壁面温差的增大而增大,有接近纯R134a凝结表面传热系数的趋势,表明混合工质凝结换热热阻分布与纯工质有较大差异。相同组分的工质,三维强化管凝结表面传热系数均高于二维强化管,二维强化管亦明显高于光管,在壁面温差为8K时,强化管HT-3D、HT-2D相对于光管的传热强化倍率分别为9.83和7.85。     

R134a/R125混合工质水平管外凝结换热

对纯工质R134a以及R134a/R125在三种不同组成比例下的混合工质,在光管和相同肋密度的二维及三维强化管外进行凝结换热试验研究。结果表明：R134a在光管外凝结表面传热系数与Nusselt数理论值的相对偏差均在±10%以内,R134a在光管及强化管外凝结表面传热系数变化趋势与Nusselt数理论解相一致。与纯R134a相比,含R125的混合工质管外凝结表面传热系数均所有下降;对于光管,含R125的混合工质管外凝结表面传热系数随壁面温差的增大而下降,但对于强化管,含6%及以上的R125混合工质,其凝结表面传热系数随壁面温差的增大而增大,有接近纯R134a凝结表面传热系数的趋势,表明混合工质凝结换热热阻分布与纯工质有较大差异。相同组分的工质,三维强化管凝结表面传热系数均高于二维强化管,二维强化管亦明显高于光管,在壁面温差为8 K时,强化管HT-3D、HT-2D相对于光管的传热强化倍率分别为9.83和7.85。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4mm,质量流速G=143、300kg·m~(-2)·s~(-1),主流过冷度ΔTsub=17、25℃,热通量q=1~20 W·cm~(-2)的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度Na,气泡脱离直径Dd,气泡脱离频率f等。     

含油R32管内流动沸腾换热特性测试及关联式开发

R32作为低温室效应制冷剂得到广泛应用,空调器中循环的介质是制冷剂与润滑油的混合物,掌握R32-润滑油混合物的流动沸腾特性是R32空调器优化设计的关键。本文的目的是参照空调器实际运行工况,测试R32-润滑油混合物的管内流动沸腾换热特性,开发传热系数关联式。新搭建了具有防爆功能的R32-润滑油混合物管内换热性能测试台,采用换热管为7 mm铜管,测试的质流密度200~400 kg/(m²·s)、干度0.2~0.7、油浓度0~5%。实验结果表明,R32-润滑油混合物管内流动沸腾传热系数随质流密度的增大而增大;在中低干度下传热系数随油浓度的增大而增大,在高干度下随油浓度增大先增大后减小并于3%油浓度处取得最大值。基于混合物物性与流型开发了传热系数关联式,预测值与85%的实验数据的误差在±20%内。     

R410A-油混合物在7 mm强化管内流动沸腾的换热特性

实验研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在强化管内的流动沸腾换热特性,探索了质流密度、干度和平均油浓度对换热特性的影响。实验测试管为内螺纹强化管,长度为2000 mm、外径为7.0 mm。实验结果表明,纯制冷剂R410A的传热系数随干度的增大先增大后减小,峰值出现在干度为0.7～0.8左右;对于R410A-油混合物,在干度小于0.5的工况下,油的存在增强换热,在干度大于0.6的高干度情况下,传热系数随平均油浓度和干度的增大迅速降低。基于混合物性开发了R410A-油混合物在7 mm强化管内流动沸腾的换热关联式,新的关联式预测值与89%的实验数据的误差在±30%以内,平均误差为17.3%。     

HFC245fa水平光管与强化管管束外冷凝换热

试验研究了新型环保工质HFC245fa在光管与强化换热管管束上的冷凝换热特性。试验管束由4列排深为5排的列管构成,换热管公称外径为19.05mm、有效换热长度为1000mm。试验中,通过改进的Wilson图解法获得强化换热管水侧对流传热系数,利用2接点温差电偶测试蒸气与冷却水温差(±0.025℃),利用热电偶通过小周期标定法获取试验管进出水温差(±0.01℃);考察了冷凝温度、热通量对冷凝换热的影响。研究结果表明:HFC245fa在光管单管外冷凝传热系数与Nusselt模型预测值一致性较好;同热通量下,强化换热管单管上的冷凝传热系数为光管的13.5倍;光管管束上的试验结果比Nusselt管束模型预测值高20%～50%;强化管冷凝换热性能受作用热通量的影响较大。试验结果对工质与新管材推广、应用具有指导意义。     

R404A在水平内螺纹管中的冷凝传热研究

经过实验与理论对比,研究了R404A在外径9.52 mm内螺纹管内局部平均冷凝换热系数。采用Cavallini纯工质与混合工质关联式分别计算的冷凝换热系数,最大偏差不到4%。在工程计算R404A内螺纹管内冷凝换热系数时,可将其以纯质来对待。分析比较Cavallini,Yu-Koyama和Kaushink-Azer关联式,各自的理论预测值和实验结果相比,表明Cavallini关联式的预测精度最高,其标准偏差为7.76%。因此Cavallini关联式对于R404A在管内的冷凝换热预测有较好的适用性。研究结果对R404A冷凝器的工程设计及其优化具有一定的参考意义。     

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。     

V型导液槽对HFC245fa水平管束外冷凝换热影响

试验研究了HFC245fa在水平光管与强化管管束外的冷凝换热特性,提出在管束中加装V型导液槽来消除管束效应的方法,并通过试验研究了V型导液槽对管束冷凝换热特性的影响。试验管束由4列排深为5排的列管构成,带导液槽管束的前4排管下方加装了两段长度为450 mm的导液槽;试验换热管公称外径为19.05 mm、换热长度为1000 mm。试验中,以Wilson描点法获得强化换热管水侧对流传热系数,以对比试验方法研究了V型导液槽对水平管束外冷凝换热性能的影响。结果表明：传统的管束效应模型仅在较小的热通量范围适用;凝液在管间的迁移形态与流态随管上作用凝液量的系列变化是导致管束效应变化的主要因素;加装导液槽可有效控制凝液在管间的迁移,控制管束效应;加装导液槽使光管单管冷凝传热能力下降10%左右,使光管管束总体换热能力提升4.5%相似文献   

内壁填充环状金属泡沫的管内流动凝结换热

通过采用在圆管内壁填充环状金属泡沫的方法强化管内对流凝结换热,实验研究了制冷剂R134a在内壁填充环状金属泡沫管内的流动凝结的压降和换热,克服了完全填充金属泡沫管流动阻力大的缺点。用于计算传热系数的管壁温度通过热电偶测量得到。综合分析了质量流速和两相流体干度对流动凝结压降及传热系数的影响。研究结果表明内壁填充环状金属泡沫管压降远大于光管,压降随质量流速和干度的增加而迅速增大且呈非线性。通过壁面温度分布和温度波动对内壁填充环状金属泡沫管内的两相流型进行判别,发现影响该类强化管凝结换热的两种主要流型：分层流和环状流。内壁填充环状金属泡沫管的凝结传热系数大于光管,且随着质量流速和干度的增加传热系数增大,该类强化管流动凝结传热系数是光管的2倍左右。