蒸汽在过冷液体喷雾上直接接触相变换热过程实验研究

以水为工质,通过实验研究了饱和水蒸汽与过冷水喷雾逆流直接接触冷凝换热过程,考察了不同入口液相温度下液膜厚度及破碎长度变化、液膜轴向及径向的温度分布;基于实验数据计算出了液膜局部传热系数及总传热系数。实验研究的结果表明,直接接触冷凝换热过程中,低入口液相温度时的液膜厚度和破碎长度更大;液膜在径向方向上存在温度梯度变化,液膜表面的温度较高,中心存在1个最低温度;随着液膜运动轴向距离的增大,液膜温度逐渐升高,喷嘴出口处液膜的温升最快,在整个喷雾的冷凝换热过程中,液膜温升占喷雾换热总温升的80%～85%,因此相比液滴,液膜起主要换热作用;喷嘴出口处的局部传热系数最大,并随着轴向距离增大逐渐减小。实验得到总传热系数的值远大于传统的膜状冷凝传热系数,体现了蒸汽-过冷液体喷雾这类直接接触换热方式的优势。     

不凝气体对蒸汽射流冷凝的影响

对含不凝气体蒸汽射流在冷水中直接接触冷凝现象进行了实验研究,通过测量流场中的温度分布确定汽羽长度,进而推导其传热系数。实验使用直径为1.6 mm的圆形喷嘴,出口混合气体质量流量密度在100~330 kg·m^-2·s^-1之间,不凝气体的含量在0~15%之间,冷水温度在300~340 K之间。实验结果表明:不凝气体的加入,使喷嘴出口附近的温度下降减慢;汽羽长度随不凝气体含量的增加而变长,其受喷嘴出口质流密度和过冷度的影响规律与纯蒸汽射流一致;冷凝传热系数在0.7~2 MW·m^-2·K^-1之间,随过冷度的增大和不凝气体含量的增加而减小,受气体流量的影响较小。对实验数据进行拟合,获得了汽羽长度的关联式,并由此得到了冷凝传热系数关联式。     

含空气蒸汽冷凝传热特性数值模拟

根据已有的传热传质关系式,通过CFD软件在控制方程中加载控制方程源项,建立了含空气蒸汽冷凝的数值计算模型,运用此模型对两种实验的共10组工况进行了数值计算。结果表明,计算模型对两组实验在压力、温度、空气含量以及冷凝传热系数的预测方面均有较高的准确度;潜热传热系数及显热传热系数都随着空气含量的升高而减小;在空气质量分数低于50%的工况下,潜热换热是冷凝传热的主导因素;局部潜热传热系数沿传热管高度方向从下至上呈递减趋势,而局部显热传热系数则呈现相反变化。     

含空气蒸汽冷凝传热特性数值模拟

根据已有的传热传质关系式,通过CFD软件在控制方程中加载控制方程源项,建立了含空气蒸汽冷凝的数值计算模型,运用此模型对两种实验的共10组工况进行了数值计算。结果表明,计算模型对两组实验在压力、温度、空气含量以及冷凝传热系数的预测方面均有较高的准确度;潜热传热系数及显热传热系数都随着空气含量的升高而减小;在空气质量分数低于50%的工况下,潜热换热是冷凝传热的主导因素;局部潜热传热系数沿传热管高度方向从下至上呈递减趋势,而局部显热传热系数则呈现相反变化。     

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。     

水平管内低压蒸汽的冷凝

对水平管内低压蒸汽冷凝现象进行了实验研究.考察了冷却水流量、温度恒定条件下热流密度、蒸汽压力、蒸汽流速对冷凝传热膜系数及总传热系数的影响关系,同时考察了总传热温差、蒸汽进出口温差及压降随热流密度变化的关系.关联出了相应的水平管内冷凝传热膜系数的计算式,计算值与实测值的偏差在±15%以内.     

浆池传热的实验研究

在模拟浆池中,由于传热过程和传质过程的相似,通过对温度场分布的研究,掌握浆池中的传热传质状况。通过对实验结果的分析,得出加强浆池中氧化空气与浆液之间的传热传质的措施有助于提高搅拌速度;布置更多的空气分布喷嘴,使得产生的气泡个数增加而体积减小;适当增加喷嘴的总面积,降低空气鼓出的速度。另外,对于实验中的浆池,提出了一个传热系数的拟合公式。     

低质量流率蒸汽真空水平管内凝结传热特性的实验研究

对换热长度为3.4 m、内径为38 mm的真空水平管内的蒸汽凝结流动换热特性进行了实验研究。分析了蒸汽质量流率小于9 kg/(m²·s),蒸汽饱和温度为50、60和70℃,换热温差为3~7℃时对凝结过程的影响。通过对分层流动冷凝换热机理分析,建立了热分区角计算模型。实验结果表明,热分区角随着质量流率的增加而增加,随着传热温差的增大而增大;饱和温度对管内凝结的局部传热系数和热分区角影响较小。通过以热分区角为分区界限,建立了局部传热系数经验关联式,在预测实验工况下,对于管顶部膜状冷凝区,预测精度在±25%以内;对于管底部冷凝液对流换热区,预测精度在+25%~-35%。     

激光成像技术在气泡生成行为研究中的应用

针对液相中单喷嘴的气泡生成过程,采用激光成像技术结合电荷耦合器件(Charge Coupling Device, CCD)摄像机照相方法研究了甘油水溶液中的气泡生成行为,结果表明该法能够获得清晰的二维气泡放大图像. 考察了溶液浓度、气室体积、喷嘴直径和气体流量对气泡分离体积的影响,发现气泡分离体积分别随着溶液浓度和气室体积的增大而增大;在所研究的喷嘴直径(1, 1.5和2 mm)范围内,气泡分离体积随着喷嘴直径的增大而减小;气体流量对气泡分离体积的影响与喷嘴直径有关,当喷嘴直径为1和1.5 mm时,气泡分离体积随着气体流量的升高而增大,但当喷嘴直径为2 mm时,气泡分离体积随着气体流量的升高先减小后增大.     

界面剪切力对蒸汽垂直下流膜状凝结传热的影响分析

界面剪切力对小径管中的蒸汽垂直下流凝结传热有重要影响.采用VOF模型数值模拟了蒸汽垂直下流凝结传热,分析了界面剪切力对局部凝结传热系数的影响.模拟中冷凝管壁面温度采用耦合计算冷却水的对流换热获得.计算得到了速度、界面剪切力和局部凝结传热系数的分布.计算结果表明:界面剪切力沿蒸汽流动方向逐渐减小,它对局部凝结传热系数的强...     

局部表面改性紫铜方柱阵列池沸腾传热特性和机理

以局部表面改性的紫铜直方柱和梯度方柱阵列为研究对象，实验研究了表面润湿性、表面形貌和表面活性剂对池沸腾换热性能和气泡生长特性的影响。实验工质为去离子水，浓度分别为100、200、400、800 mg·L^-1的异丙醇溶液和正庚醇溶液。实验结果表明：方柱阵列表面镀银之后润湿性变差，表面产生的气泡数量减少。向去离子水中添加异丙醇或正庚醇后，在热通量为66.1～202 kW·m^-2时，气泡脱离直径变小、数目减少，而当热通量增至413 kW·m^-2时，活性剂能够有效阻碍气泡合并，故池沸腾传热系数随着浓度增加先减小后增大。上下层宽分别0.5 mm和1 mm、间距为2 mm的梯度方柱阵列结构有助于气泡的合并，但由于促进了固体表面气膜的形成，从而降低了沸腾换热性能。     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

Numerical investigation of influence of non-condensable gas on steam jet condensation

The influence of non-condensable gas on the direct contact condensing behavior and heat transfer characteristics of steam jet in subcooled water is investigated by two-dimensional axisymmetric numerical model. Based on Euler-Euler two-fluid model in CFX, the steam condensation is calculated with thermal phase change model. The composition variation of steam-air mixture is realized using species transport equation for the gas phase. The gas mass flow at nozzle outlet is 300 kg/(m²·s), and non-condensable gas is within 15%. The results show that non-condensable gas obstructs the direct contact between steam and subcooled water, forming the thermal resistance and deteriorating the condensation heat transfer. The thermal resistance and the length of jet region increase with the increase of non-condensable gas. While the condensation rate decreases with the increase of non-condensable gas. The presence of non-condensable gas prevents vapor from being condensed completely, and the remaining vapor is independent of the original non-condensable gas.     

不凝气体对蒸汽射流冷凝影响的数值研究

通过二维轴对称数值模型研究了空气等不凝性气体对蒸汽射流与过冷水直接接触冷凝行为和传热特性的影响。采用CFX中的欧拉-欧拉双流体模型,结合热相变模型计算蒸汽的冷凝量、组分传递模型计算混合气体中组分的变化量;喷嘴出口的气体质量流量为300 kg/(m²·s),不凝气体含量在15%以内。结果表明,不凝气体阻碍了蒸汽与过冷水直接接触,形成热阻,恶化了冷凝传热,且热阻随不凝气体含量增加而增加;冷凝速率随不凝气体含量增加而减小;射流区长度随不凝气体含量增加而增加;不凝气体的存在,使水蒸气不能被完全冷凝,而剩余水蒸气的含量与初始不凝气体含量无关。     

蒸发热水塔内固体颗粒对气泡运动的影响

以蒸发热水塔为研究对象进行可视化实验,借助高速摄像机以及图像处理软件研究热水塔内单孔筛孔塔板上方单个气泡的运动周期及运动特性,孔径为3 mm,在蒸汽中加入不凝性气体N₂和N₂/固体颗粒的混合物,研究固体颗粒对气泡生成、破碎与过程的影响。实验结果表明：气泡整个生长周期包括生成区、上升区、破碎区。气泡长径比在生成区由大变小,在上升区先增大后减小,在破碎区增大趋势明显;气泡的等效半径在整个运动周期中一直增大,其中在生成区的增大速度最快;生成区气泡的Y向运动速率呈现增大趋势,上升区以及破碎区气泡的上升速率平稳波动。当N₂带入煤粉颗粒后,发现气泡的上升区时间比例大大降低,破碎区的占比增加明显,有利于塔内的热质传递。     

风洞真空排气系统直接接触传热过程

某风洞真空排气系统在运行过程中,会产生大量含水蒸气的混合气体。为了提高排气效率降低能耗,本文引入冷凝塔工艺,采用直接接触换热冷凝方式使来流含水蒸气的混合气体降温冷凝。基于微元塔高传质模型,对进入冷凝塔的热流气体与冷却水直接接触换热过程分析,推导出传质系数数学方程表达式。结合实验数据考察了进气压力与冷凝降温排出气体中水蒸气含量的影响,并拟合得到一定温度下进气压力与该气体水蒸气含量的数学表达式;也考察了冷却水质量通量和气液比变化对传质系数、体积传热系数、出气温度的影响,在此基础上拟合得到针对风洞气流直接接触换热气液比与体积传热系数数学关系式,并计算出最优气液比。实验得出的规律对风洞气流的直接接触换热优化设计和应用起到了指导作用。     

超声波场中蒸汽气泡凝结过程及传热特性

利用高速摄像仪记录有、无超声波时注入过冷水中蒸汽气泡的凝结过程,以分析超声波对蒸汽气泡凝结过程及传热特性的影响。结果表明:在超声波场中,蒸汽气泡表面会形成晶格状毛细波,有效增加气泡表面积,并加强气泡周围流体热边界层扰动,从而导致凝结换热的强化及气泡凝结速度加快。基于15～60 K过冷度下,有、无超声波时较大蒸汽气泡凝结的实验数据,拟合得出有、无超声波时的气泡凝结换热经验关联式,预测误差在±30%以内。     

Collapse of a condensing bubble in compressible liquids

The collapse of a condensing bubble in compressible liquids has been analysed with the aid of some simplifying assumptions. The energy equation is solved by applying the integral method whereas the bubble wall motion is obtained by means of the Kirkwood-Bethe hypothesis. Some numerical results for steam bubbles in water illustrate the main features of the model. Compressibility and finite velocity of sound cause a reduction of the pressure pulses when compared with the ones predicted by an incompressible model.     

Hydrodynamics of slug flow inside capillaries

Understanding the motion of long gas bubbles (gas slugs) inside capillaries is a challenging problem that is relevant in many processes of chemical and biological interests. It has been proved by many workers that such long gas bubbles can be used successfully in enhancing mass and heat transfer in many chemical and biological processes. In order to quantify and understand this enhancement a light was shed on the hydrodynamics of such a flow pattern. The volume of fluid method implemented in the commercial CFD package, Fluent, is used for this numerical study. Velocity and bubble profile were obtained as functions of capillary number. Computed values of the bubble velocity and diameter were in excellent agreement with published experimental measurements. The detailed velocity field around the bubble was also computed and compared favourably with those experimental results reported in literature.