微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为:质量流速100kg·m2·s~(-1),热通量12kW·m~(-2),饱和温度15℃。模拟结果显示:2mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。     

宽高比对矩形微通道内流动凝结的影响

基于VOF模型,建立了模拟矩形微通道内流动凝结的三维瞬态数值模型,速度进口采用分相流模型,并考虑速度与液膜厚度的进口段效应。通过对比参考文献流型图,验证了该数值模型。对R32在宽高比分别为2:3、1:1和3:2的三种矩形微通道内流动凝结进行了数值模拟,环状流、喷射流、泡状流和收缩泡状流沿着计算域依次出现。通过分析通道截面气液相分布与壁面热流密度分布规律可知:当矩形宽高比偏离1:1,通道截面液膜分布不均匀性增加,Gregorig效应增强,进而强化换热。换热强化使得环状流尾部气芯的Wev和Cav减小,导致喷射流更靠近入口,伴随更低的气弹脱离频率。计算结果表明:矩形宽高比显著影响流动凝结过程,与方形通道相比,严格矩形通道更有利于换热与抑制气液界面波动。     

铜基正弦波微通道内流动沸腾传热特性试验研究

基于超快激光技术加工铜基正弦波弯曲型微通道,以去离子水为流动工质,在不同质量流量和热通量条件下,对弯曲型微通道内流动沸腾特性进行试验研究。基于温度/压力数据和流动可视化结果,发现通道传热系数随出口干度增大,呈迅速增大后减小并趋于稳定趋势,正弦波微通道相较直微通道具有更好的换热性能,传热系数最大提高127.7%,压降仅增加14.4%。波状通道结构能明显抑制流动沸腾中不稳定现象发生。通过可视化试验发现,随热通量增大,流型经历泡状流-弹状流-环状流的转变,换热主导机制由核态沸腾逐渐过渡到薄液膜蒸发。     

微通道内流动沸腾可视化观察与流型转换研究

对去离子水在矩形微通道(0.54mm×1.6mm)中的流动沸腾进行了可视化观察和实验,观察到泡状流、弹状流、环状流三种流型,并对流型进行分类.根据流型转换实验数据,得到随千度和质量流速变化的流型分布图,在此基础上进一步拟舍得到流型转换预测的新关联式,对矩形微通道内流动沸腾换热的研究有重要的实际意义.     

入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响

微通道内气液两相流动规律是影响微通道换热器换热系数和流场温度均匀性的主要因素。以N2和H2O为工质，对间断、并联矩形微通道换热器内气液两相流型的起始、发展、稳定过程的演化以及并联通道内流量分配不均匀特性进行了数值模拟研究。结果表明，不同的进口Re对微通道内流型的演变过程和流动周期有重要影响，当进口Re为450时，气相工质在均流腔内以离散的散团状形态脉动扩散至微通道中，并联通道内气相工质从弹状流型态逐渐转变为泡状流型态；当进口Re增至为1600时，气相工质在均流腔内以较连续的椭圆状型态扩散至微通道中，并联通道内气相工质从环状流型态逐渐转变为泡状流型态。通道结构还将影响并联通道间的流量分配的均匀性，间断微腔的存在使微通道内工质质量流量分布均匀性提升38.7%，通过研究通道内压力分布规律，发现通道内静压的分布不均匀是导致两相工质从均流腔进入微通道时发生不均匀分配的重要原因。     

空温式气化器管内LNG流动沸腾模拟研究

基于FLUENT软件模拟研究LNG在空温式气化器翅片管内的流动沸腾传热特性,采用VOF多相流模型捕捉管内气液两相区的流型,结合管内对流传热系数变化分析不同流型对气化能力的影响,研究翅片管管内流动沸腾传热的温度场和气化率分布。结果表明：LNG在翅片管内的流动沸腾过程依次出现泡状流、弹状流、搅拌状流3种流型;管内流体与管外空气的换热存在滞后效应,沿管长方向流体的热量增加。气化过程中,管内不同流型对应的局部传热系数不同,近壁面滑移气泡的数量对管内换热有较强的促进作用。局部传热系数与气相体积分数呈倒U型关系,当气相体积分数为0.45时,局部传热系数最大。     

弯曲正方形截面微通道内气液两相流流型研究

以空气-水为工质,在不同曲率比下利用高速摄影仪对正方形截面为0.8mm×0.8mm的弯曲微通道进行了气液两相流流动特性实验研究,获得了典型流型毛细泡状流、弹状流、间歇流和环状流,发现了非典型毛细泡状流和少见的波状分层流,并将实验结果与相关文献进行对比,为合理设计微型换热器和微化工混合器的气液流动分布结构、保证微通道内优异的传热传质特性提供理论指导和技术支撑。     

水平细圆管内非共沸混合工质的流动沸腾

以非共沸混合工质R32/R134a为实验工质,进行了水平细圆管内流动沸腾换热实验.在获取大量实验数据的基础上,分析了质量干度、热通量和质量通量密度对沸腾换热的影响,讨论了各种工况下的换热机理,比较分析了细圆管和常规管道内流动沸腾换热性能.实验结果表明：在本实验范围内,水平细圆管内流动沸腾换热主要受热通量的影响,绝大部分实验工况下核态沸腾占主导地位.尺度效应是引起微细通道内流动沸腾换热特性不同于常规管道的主要原因.     

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。     

微通道内伴有化学吸收的气液二相流型

采用高速摄像仪对T型进口的矩形微通道内气液二相流型进行了实验研究,实验物系采用单乙醇胺(MEA)水溶液-N2和单乙醇胺水溶液-CO2。对于无相间传质的单乙醇胺水溶液-N2二相流动过程,观测到了泡状流、弹状流、弹状-环状流和液环流;对于伴有化学吸收的单乙醇胺水溶液-CO2二相流动过程,未观测到泡状流,而观测到弹状-泡状流。在实验范围内,随着深宽比减小,无论是否伴有化学吸收,弹状流区域均减小;对伴有化学吸收的气液二相流,随化学反应速率的增大,流型转换线向右移动。以化学反应速率为控制参数,分别给出流型转换判别式,预测结果与实验数据吻合良好。在弹状-泡状流型中,随着气相表观流速的下降和液相表观流速、深宽比以及化学反应速率的上升,微通道内临界泡状距离减小。     

R290在小管径水平微肋管内沸腾传热的实验研究

实验研究小管径水平微肋管内R290的两相流沸腾传热特性,分别在内径为4、6 mm,有效长度为900 mm的紫铜管内,得到R290在质量流量密度100～250 kg·m^-2·s^-1、饱和温度7～11℃、热通量13～24 kW·m^-2以及干度0.1～0.9范围内的沸腾传热系数;分析了质量流量密度、饱和温度、热通量、管型以及干度对R290沸腾传热系数及临界干度的影响。结果发现：沸腾传热系数随质量流量密度、饱和温度的增大而增加;随着热通量的增大,传热系数出现先增后减的现象;热通量越高,临界干度越小;微肋管相比于光滑管临界干度更大;且随着R290的沸腾汽化,干度逐渐增大并出现干涸现象,导致沸腾传热系数先增至一极值后降低。分别采用6种常用的沸腾传热关联式预测R290的沸腾传热系数,对比实验结果得出Fang等和Choi等的预测精度比较高。     

新型制冷剂R1234ze(E)水平圆管内流动沸腾换热特性

新型制冷剂R1234ze(E)(trans-1,3,3,3-tetrafluoropropene)因较低的GWP值备受制冷行业关注,有望替代R134a。在内径为8mm水平圆管内对R1234ze(E)流动沸腾换热特性进行实验研究,并在相应实验工况下与R134a进行对比。本研究的实验工况:流动沸腾换热的饱和温度为10℃±0.5℃,热通量为5.0和10kW·m^-2,质流密度范围为300~500kg·m^-2·s^-1。分析质流密度、热通量以及干度对R1234ze(E)和R134a饱和流动沸腾传热系数的影响。结果表明,R1234ze(E)和R134a的流动沸腾传热系数随质流密度和热通量的增大而增大;在低质流密度300kg·m^-2·s^-1工况下,R1234ze(E)传热系数较R134a偏低14.68%左右,但随质流密度增大到500kg·m^-2·s^-1,其偏差缩小为7.35%。最后将实验结果同4种常见预估关联式进行比较,结果表明Kandlikar关联式计算结果较优,全工况范围内Kandlikar关联式对R1234ze(E)和R134a的预估值与90%的实验数据偏差在±25%以内,平均偏差分别为23.13%和11.50%,满足工程设计要求。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

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。     

螺旋管丙烷流动沸腾换热特性

丙烷作为自然工质具有良好的换热性能并且对环境影响较小,是替代传统制冷剂的选择。目前对于丙烷在螺旋管中沸腾传热的研究较少。实验测量了丙烷在管内径8 mm、螺旋半径42 mm、螺距21.5 mm的螺旋管中的流动沸腾传热系数。实验采用套管的形式,在螺旋管外用恒温水对丙烷进行加热,调整水入口温度与水流量得到不同的热通量。实验表明,螺旋管对流动沸腾换热具有一定的强化作用。实验数据与已有的螺旋管流动沸腾换热关联式进行了比较,在6 kW·m⁻²以下的低热通量时,Guo（1998）换热关联式比Ji（2015）预测准确度更高,推荐使用Guo（1998）关联式。     

高热通量水平管外池沸腾传热

在制冷空调的满液式蒸发器中,制冷剂在壳侧沸腾蒸发,管内为水的单相对流传热。实验研究了高热通量下R134a在一根光管和一根强化管（No.1）外的池沸腾传热,并将光管实验结果和Cooper公式进行了比较。在不同的饱和温度下,热通量10～250 kW·m^-2的范围内,研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热系数随热通量的变化关系。光管和强化管外径分别为15.93 mm 和 25.36 mm。通过研究发现,在热通量10～250 kW·m^-2的范围内,光管的池沸腾传热系数和Cooper公式符合较好,偏差小于±15%。在双对数坐标下传热系数和热通量实验结果拟合直线斜率为0.67。在较高热通量,即热通量大于250 kW·m^-2时,光管的传热系数相对Cooper公式偏差开始增大。对于高效管,在小于40 kW·m^-2热通量下的传热效果最好。强化管的强化倍率随热通量增加一直减小,在较高热通量250 kW·m^-2下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台,研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性,分析了纳米石墨对含油制冷剂流动沸腾换热的影响。实验测试段为总长2.5 m、外径9.52 mm、内径8 mm、壁厚0.76 mm的紫铜管。在质量流速为150、200、250、300 kg·m^-2·s^-1下,分别测量纯R600a、含油R600a、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.2%)纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。实验结果表明:纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热。实验获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式,关联式的预测值与94.5%的实验数据偏差在±15%以内。     

垂直上升内螺纹管内流动沸腾传热特性

在压力9～22 MPa,质量流速450～2000 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷200～700 kW·m^-2的参数范围内,试验研究了用于1000 MW超超临界锅炉φ28.6 mm×5.8 mm垂直上升内螺纹水冷壁管内汽水流动沸腾传热。研究表明：内螺纹管内壁螺纹的漩流作用可抑制偏离核态沸腾（DNB）传热恶化,内螺纹管在高干度区发生蒸干型（DO）传热恶化。增大质量流速可推迟壁温飞升,壁温飞升幅度随质量流速增大而降低。热负荷越大管壁温越高,随热负荷增大管壁壁温飞升提前,且传热恶化后壁温飞升值增大。随着压力增加,壁温飞升发生干度值减小。内螺纹管汽水流动沸腾传热系数呈π形分布,传热系数峰值出现在汽水沸腾区。文中还给出了亚临界压力区内螺纹管单相区和汽水沸腾区的传热系数试验关联式。     

0.5 MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50～200 kg·m^-2·s^-1,热通量为8.0～36.0 kW·m^-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5～0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。