固体吸附作用对热管真空闪蒸水分离过程的影响

液滴的过热度是维持其蒸发的关键因素,直接决定了盐水分离设备的水分离率。提出和设计了一种集高效热管传热和固体吸附技术为一体的盐水分离装置,并对质量分数为3%的NaCl溶液进行水分离实验,结果表明:热管能以高热通量快速传递液体闪蒸后二次沸腾所需的热量,显著增加单位时间内的水分离容积速率;引入吸附床后,蒸发室压力在吸附过程前半段有明显降低,降幅约为0.4~1 kPa,即降低了液滴的沸点,提升了过热度,这为更低品位的热源在盐水分离方面的利用提供了新途径;降低热源温度,吸附剂的吸附能力相应降低,要达到同样的水分离速率,需增加吸附剂用量。     

基于热管传热的盐水真空分离

将热管高效传热和高压喷雾技术应用于单级真空蒸发器,对含盐量3%的人造海水进行试验,结果表明:热管吸收40～80℃的低品位热源热量并以高热通量传递给闪蒸后的液滴,能保持甚至提高液滴蒸发过程的过热度,显著增大水分离率;冷热源温度取代初始过热度成为影响分离效果的主要因素,但要避免干壁现象;改变冷热源温度、初始过热度及流量能实现对分离率的调节。该方法对低品位热源在海水淡化工程中的有效利用、提升单位体积装置淡水产量和制取浓盐水均有重要参考价值。     

基于热管传热的盐水真空分离

将热管高效传热和高压喷雾技术应用于单级真空蒸发器,对含盐量3%的人造海水进行试验,结果表明:热管吸收40~80℃的低品位热源热量并以高热通量传递给闪蒸后的液滴,能保持甚至提高液滴蒸发过程的过热度,显著增大水分离率;冷热源温度取代初始过热度成为影响分离效果的主要因素,但要避免干壁现象;改变冷热源温度、初始过热度及流量能实现对分离率的调节。该方法对低品位热源在海水淡化工程中的有效利用、提升单位体积装置淡水产量和制取浓盐水均有重要参考价值。     

盐水液滴降压蒸发析盐过程数值模拟

盐水溶液的降压蒸发广泛应用于海水淡化和工业制盐等领域,因此研究盐水在降压过程中的蒸发特性具有重要意义,有助于解决我国水资源缺乏问题。本文通过数值模拟的方法研究了降压环境下盐水液滴蒸发析盐过程,获得了盐析质量和液滴温度随时间的变化。采用的工质为饱和盐水,液滴的初始温度分别为20℃、15℃、10℃;环境压力从0.1MPa降至2000～10000Pa。通过与实验数据相对比,验证了本文模型的有效性。通过该数学模型,分析了影响析盐率和液滴温度变化的主要因素。结果表明:液滴直径越大,在蒸发过程中其析盐率越高,但温度变化越慢;压降速率越快,液滴蒸发速率越快,析盐率越大,温度变化也越快;液滴初始温度越高,蒸发速率越快,液滴表面析盐率越高,但不同初始温度的盐水液滴,在蒸发过程中其最终温度趋于一致。     

水滑石焙烧产物对阴离子染料萘酚绿B的吸附动力学试验

研究了水滑石焙烧产物对萘酚绿B溶液的吸附动力学,考察了苯酚初始浓度和吸附剂投加量对吸附的影响,并用动力学模型进行了拟合。结果表明水滑石焙烧产物对萘酚绿B的吸附动力学过程可以用准二级模型进行描述。吸附平衡容量随着萘酚绿B初始浓度的增加、吸附剂投加量的降低而增加,而吸附速率随着萘酚绿B浓度的增加、吸附剂投加量的增加而降低。水滑石焙烧产物对萘酚绿B的吸附平衡遵循Langmuir等温线模型。颗粒内扩散模型分析表明水滑石焙烧产物在萘酚绿B溶液的吸附过程中,颗粒内扩散不是唯一的速率控制步骤。     

高温辐射环境中液滴的沸腾效应

建立了液滴在高温对流和辐射环境中的受热和蒸发模型,结合液滴均质沸腾模型,编制了计算程序。以正十二烷液滴为例,考虑液滴的膨胀效应以及液滴与周围气流的热物性变化,数值模拟了高温辐射与对流加热下的液滴升温和蒸发过程。分析了不同对流和高温辐射条件下,液滴内部是否能够发生沸腾。研究表明,液滴在高温辐射和对流加热下,蒸发伴随热膨胀;高温热辐射加热可导致液滴内部温度高于表面温度,升温到一定程度后可达到液滴内部沸腾状态;影响液滴沸腾的因素有液滴半径、辐射温度、环境气流温度等;同时,随着液滴蒸发,高温环境中液滴的沸腾过热度逐渐增大。     

基于多功能热管的高效吸附式制冰机组回质回热实验研究

设计了一种基于多功能热管的高效吸附式制冰机组,采用氯化钙/活性炭复合吸附剂和氨作为吸附工质对。吸附床的加热解吸、冷却吸附及回热过程均由热管工作完成,对该新型吸附制冰机组进行了回质回热研究,结果表明,回质回热型循环可使机组的制冷性能系数COP提高25.5 %,加热量减小约13 %,同时冷却器负荷降低约21 %;采用先回质后回热方式,在回质过程中继续加热解吸床可进一步增加机组制冰量。与传统回质相比,系统COP和单位质量吸附剂制冷功率SCP提高幅度均在15 %以上,且机组SCP的提高幅度高于COP的幅度;吸附制冰机组性能随冷却水温度的升高而下降,但系统的SCP始终维持在较高的水平。当冷却水温度为27℃、蒸发温度为-18.9℃时,系统的SCP仍然高达356.5 W·kg-1。     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

高温辐射环境中液滴的沸腾效应

建立了液滴在高温对流和辐射环境中的受热和蒸发模型,结合液滴均质沸腾模型,编制了计算程序。以正十二烷液滴为例,考虑液滴的膨胀效应以及液滴与周围气流的热物性变化,数值模拟了高温辐射与对流加热下的液滴升温和蒸发过程。分析了不同对流和高温辐射条件下,液滴内部是否能够发生沸腾。研究表明,液滴在高温辐射和对流加热下,蒸发伴随热膨胀;高温热辐射加热可导致液滴内部温度高于表面温度,升温到一定程度后可达到液滴内部沸腾状态;影响液滴沸腾的因素有液滴半径、辐射温度、环境气流温度等;同时,随着液滴蒸发,高温环境中液滴的沸腾过热度逐渐增大。     

水平及竖直基底上微小固着液滴的蒸发特性分析

为揭示非水平表面上微小蒸发液滴的传热传质特性,本文在准稳态模型的假设下构造三维液滴模型,综合考虑了蒸气扩散、蒸发冷却以及气相域中的自然对流这3种传输机理,对水平以及竖直基底上液滴的蒸发过程进行数值研究。通过分析气液界面上温度分布、蒸发通量分布及总蒸发率的变化,重点探究了基底过热度以及重力的改变对液滴蒸发特性的影响。结果表明：与水平基底上温度的对称分布不同,竖直基底上气液界面温度分布表现出明显的非对称性,且非对称性随基底过热度的升高而增强,最低温度点不再位于液滴顶点,而向一侧偏移。此外,水平基底上气液界面局部蒸发通量呈对称分布,各截面分布相似,而竖直基底上局部蒸发通量分布则呈现出显著的非对称性以及各截面异性,非对称性随着基底过热度的升高而增强,这是重力改变后气相域自然对流发生改变的结果。与水平基底相比,竖直基底上蒸发率更高,总蒸发时间更少。最后,基底由水平变为竖直时,液滴内部流场由对称双涡转变为非对称单涡,单涡流速显著大于双涡流速,液滴内流速随基底过热度的上升而增大,单涡环流造成了气液界面温度分布的改变以及最低温度点的偏移。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

ELECTROHYDRODYNAMIC ENHANCEMENT OF NUCLEATE BOILING HEAT TRANSFER IN HEAT EXCHANGERS

The effect of a radial d.c. electric field on nucleate boiling heat transfer was investigated experimentally using a single-tube shell/tube heat exchanger. A dielectric liquid (Freon R. 114) was used in the shell and the tube was heated by circulating water through it.

It was found that the application of a sufficiently intense electric field to the boiling heat transfer surface resulted both in the elimination of boiling hysteresis and the enhancement of heat transfer for the range of superheat studied. An application of approximately 20 kV was more than sufficient to eliminate the hysteresis.

It was also observed that there appeared to be a transition between two situations. At lower superheat there is an appreciable improvement in the heat transfer coefficient due to both initial (0 to 10 kV) and incremental (10 to 20 kV) voltage increases. At higher superheat, however, the greater improvement (about four times) is obtained with the initial voltage application     

表面活性剂对水过冷池沸腾特性影响实验研究

以Tween20、Span20及两者复配物为表面活性剂,实验研究了其对水过冷池沸腾传热特性影响。基于实验结果与表面张力、接触角、临界胶束浓度等基础物性分析发现,单一表面活性剂对沸腾传热的影响由其添加种类、浓度及热通量共同决定。一方面,不同于饱和沸腾情形,过冷状态下Tween20能够有效降低沸腾起始点温度与壁面过热度,但其沸腾强化效果在高热通量下减弱;另一方面,Span20只在低浓度下表现出强化效果,其浓度增大将引起壁面过热度大幅攀升。此外,尽管Tween20与Span20都具有强化沸腾传热的潜力,但两者复配表面活性剂在实验研究浓度范围内均恶化了沸腾传热过程。研究结果可为传热强化复合工质过冷池沸腾传热特性分析提供基础依据,并为其配制提供指导。     

多物理场耦合模拟微波蒸馏反应器：升温和沸腾过程

使用COMSOL Multiphysics软件建立了耦合电磁场、流体流动、传热以及物质传输的多物理场模型用于模拟蒸馏型反应器的微波能量利用过程,探究了蒸馏反应器中水负载在微波能辐射作用下从升温至沸腾过程,阐明了在升温阶段,样品温度呈上下层分布,上层温度较高,最大温差达20 K,自然对流的产生改善了温度分布的不均匀性;在沸腾阶段,由于下层温度较低,沸腾现象有延迟,气泡的产生消除了部分过热,其中表面蒸发量更大,最大时约为内部蒸发量的3倍,与此同时湍流现象明显改善了温度均匀性。探究了馈入功率对全沸腾状态的影响,揭示了全沸腾状态的最终温度取决于馈入功率和蒸发损耗功率的相对大小。研究结果可为微波辅助分离、反应等化工过程及装备设计提供理论基础与借鉴。     

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。     

烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性

实验研究了热通量为0.1~160 kW·m^-2时,去离子水在光管及烧结型多孔表面管管外的池沸腾传热特性,分析了换热管布置方式(垂直与水平)、管径大小(20、25和32 mm)与多孔层颗粒尺寸(30~105 μm)对池沸腾传热特性的影响规律。结果表明:去离子水在多孔管表面的起始沸腾过热度小于光管,比光管低3 K左右;多孔表面管可明显强化核态沸腾传热,其沸腾传热系数可达光管的3~4.5倍;大热通量下,换热管水平布置时的传热效果较垂直布置佳,且布置方式对多孔管换热效果的影响比对光管的影响小;随管径增大,光管与多孔表面管的沸腾传热系数降低;大颗粒尺寸多孔层的强化效果优于小颗粒尺寸多孔层。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

高热流条件下过冷沸腾流动阻力特性试验研究

过冷沸腾在高热流冷却场合得到了广泛的应用,如聚变堆偏滤器冷却、压水堆堆芯冷却。其中,过冷沸腾流动阻力是换热系统设计的关键内容之一。试验研究了高热流条件下竖直通道内水的过冷沸腾流动阻力特性,试验段为内径6 mm、长径比44.4的不锈钢圆管。试验参数范围：热通量7.5~12.5 MW/m²,质量流速6000~10000 kg/(m²?s）,系统压力3~5 MPa,进口流体温度80~200℃。分析了质量流速、热通量、压力、沸腾数、Jacob数等参数对阻力的影响。结果显示,过冷沸腾流动阻力随着热流及质量流速的增加而增加,随压力增加而减小。将试验数据与文献中的经验关联式作对比,结果表明各关联式的预测误差较大,主要归结于拟合参数及工作流体的差异。研究发现管径尺寸效应也是影响阻力的一个因素,为此在前期成果的基础上,提出了一个添加管径因素修正项的经验关联式,该关联式的预测误差在±18%范围内。     

全氟烷基表面活性剂强化池沸腾换热

针对不同浓度的全氟烷基碘化物（Le-134）水溶液进行了核态池沸腾换热实验研究。首先对Le-134的界面吸附特性及在紫铜表面的润湿性进行了研究。结果表明，其静态表面张力随浓度增大而减小，动态表面张力下降速度随浓度增加而加快，在超过临界胶束浓度（critical micelle concentration，CMC）的较高浓度下（≥40mg/L），10s以内溶液表面张力即降低到20mN/m以下。Le-134水溶液在紫铜表面接触角随浓度增加而减小，在300mg/L时接触角仅为21°，具有良好的润湿性。沸腾过程与去离子水相比，Le-134水溶液产生的汽泡数量明显增多，汽泡尺寸减小，汽泡合并现象减少。结果表明，Le-134的添加可以有效强化池沸腾换热，同热流密度下随浓度增大强化效果越显著；同浓度下，随热流密度增大强化效果有所减弱。在10W/cm²下，300mg/L的Le-134相对去离子水工况强化效果最明显，沸腾表面过热度减少49.3%，沸腾换热系数增加109.1%。