不同管径毛细管的毛细蒸发特性实验

以无水乙醇为工质,采用3种不同管径的圆形毛细管进行毛细蒸发实验。研究结果表明：毛细管毛细蒸发过程中,蒸发界面移动后会延展形成一层液膜,这层液膜可以大幅提高液体蒸发速率。这是因为液膜蒸发引起的温度变化会通过Marangoni效应转化为表面张力差,使液膜在蒸发的同时得到不断补充,形成高效的蒸发-补充机制。随管径增大,液膜厚度增加,蒸发稳定性变好,速率变化幅度减小。工质整体蒸发速率随管径变大呈递减趋势。     

金属3D打印复合毛细芯孔径配比对环路热管特性影响

环路热管（loop heat pipe,简称LHP）是一种利用工质相变进行热量传递的强化传热元件,广泛应用于余热回收、太阳能集热器以及电子器件散热等。而LHP蒸发器内毛细芯对其工作性能具有决定作用,3D打印毛细芯可克服烧结毛细芯孔径分布不均且随机性高的局限性。本文根据LHP蒸发器内气液两相的流动特点,将3D打印毛细芯的上层定义为吸液层,下层定义为蒸发层,并对其上下层孔径的配比进行研究后发现：在本文所研究的工况下,当蒸发层孔径一定时,增大吸液层孔径会使蒸发区内过热度降低;减小吸液层孔径会使蒸发区内出现干烧现象,二者皆会限制LHP的传热性能。此外,当吸液层孔径一定时,增大蒸发层孔径会造成热泄漏,减小蒸发层孔径可强化LHP在高负荷下的传热性能。蒸发层孔径为100μm、吸液层孔径为200μm的复合毛细芯具有更高的传热系数和热负荷。     

毛细微结构中延展薄液膜过渡区的蒸发特性

毛细力驱动下微细通道内延展薄液膜的蒸发是很多高效热控和热沉装置的关键换热环节。借助表观接触角的演化,建立起包含固有弯月面、过渡薄液膜和平衡区三部分的延展薄液膜形状及其表面蒸发的物理数学模型,并考虑液膜的结构、工质物性和通道特征尺度,引入分离压力和毛细压力比确定液膜不同区域的范围。分析结果表明,过渡薄液膜区域占整个延展弯月面区的比例很小,但气液界面的温度变化非常明显;薄液膜过渡区对传热的主要贡献不在于增加总换热量,而是通过界面温度变化产生的Marangoni效应,对整个液膜区域的流动产生显著的“泵吸”作用。描述了过渡薄液膜区表面蒸发率和液膜平均速度的变化规律,发现受液膜导热热阻和分离压力产生吸附作用的综合影响,该区域的蒸发率存在局部最大值。     

低压蒸汽环境中水蒸发界面温度和蒸发速率的实验研究

蒸发相变广泛存在于薄膜过程及晶体生长等工业生产和日常生活中,液层表面蒸发和热毛细对流相互影响、相互制约,使得蒸发界面能量传递机制变得非常复杂。为了深入了解水在低压纯蒸汽环境中的蒸发特性,对环形液池内水蒸发时的温度分布和蒸发速率进行了一系列实验研究。环形液池壁温控制在3~15℃之间,蒸发环境压力在394~1467 Pa之间变化,开始测量时液层深度为10 mm。结果表明,蒸发界面气相侧温度总是高于液相侧,气液界面存在明显的温度跳跃。随着压比减小,蒸发速率增加,界面温度跳跃随之增大;随着距壁面距离增加,局部蒸发速率降低,温度跳跃值减小;相同压比下,随着壁面温度的升高,气相侧热通量减小,蒸发界面温度跳跃值整体降低;在实验范围内测得的最大温度跳跃值为2.56℃。由于蒸发冷却效应和热毛细对流的耦合作用,蒸发界面下液相侧存在一个厚度为2 mm左右的温度均匀层,且壁面附近温度均匀层厚度大于中间区域厚度。在温度均匀层内,径向温度梯度诱导的热毛细对流将热量从壁面传输至气液界面以补偿蒸发所需汽化潜热;在温度均匀层以下,浮力对流和导热共同作用使得液相温度迅速升高。     

完全蒸发法制备聚氨酯多孔膜及膜结构与性能的研究 (二) 蒸发速度常数与膜结构和性能的关系

本文主要研究了聚氨酯多孔膜的结构和性能的关系。考察了铸膜液组成和蒸发条件变化对膜结构和性能的影响。并对成膜机理进行了探讨,认为膜结构的形成与蒸发速率有着密切的关系。借助扫描电镜观察了我们制备的聚氨酯膜为不对称膜,上层为致密的皮层,下层为多孔的支撑层。     

静电场中极板表面液膜蒸发特性研究

以静电场中水分子的极化和受力特性为基础,对热干烟气中极板表面液膜内水分子输运过程进行分析。考察了电场特征、液膜物性对静态高压电场中液膜蒸发特性的影响并提出了蒸发模型;同时研究了多场(温度、速度和静电)耦合作用下液膜蒸发过程中的主导作用机制。结果表明:离子风为静态高压电场中液膜蒸发的主要动力,蒸发速率是自然蒸发的6.7倍(25 kV)。液膜蒸发为等速过程,蒸发速率与电场强度呈正相关关系;液膜加入溶质,蒸发过程受抑制,蒸发模型变为等速和降速两个过程,最终液膜表面析出溶质;流场耦合静电场作用下,液膜蒸发速率随电压升高先缓慢上升(U20 kV)后快速上升(U20 kV),流速和电压分别是这两阶段的主要影响因素;温度场耦合静电场作用下,蒸发速率大于单场叠加数值。研究结果为热干烟气中极板表面稳定成膜、系统水耗及空间电场中温湿度分布等问题的研究提供理论支撑。     

热管在化工中的应用

热管是一种高效传热和节能元件。目前主要有毛细管型和重力型二种,它能在温降极小的情况下传递大量的热流。该元件是由外壳容器、毛细吸液蕊和载热工质三部分构成。在轴向分为蒸发、冷凝、绝热三段(一般无绝热段),两端焊有端盖及排气咀,组成一个密闭系统。抽真空后再注入载热工质,工作时外部热源使蒸发段受热,毛细吸液蕊里的工质汽化,不断产生蒸汽,使压力升高,蒸汽靠压差经热管中间通道迅速流向冷凝段,冷凝成液体并释放出潜热。冷凝液通过毛细吸液蕊又回到蒸发段,如此不断循     

薄液膜蒸发传热影响因素分析

用数值方法求解了蒸发薄液膜区域的控制方程,得到了不同过热度下界面的形状和液膜内部的压力分布,计算结果显示:在蒸发薄液膜区域存在着很大的热流密度,脱离压力起到了液体输运的主导作用,表面张力系数的改变对本区域换热影响很小.毛细微槽宽度较大时(μm量级),其改变对薄液膜区域的影响也很小.选取汽化潜热较大的工质和采用降低液体黏...     

水平管外壁液膜流动状态及其对传热的影响

采用智能化薄膜厚度测试仪对水平管外液膜流动状态进行了研究 ,得到液膜厚度的几率分布和平均厚度 .液膜的平均厚度不仅随液体负荷的增加而加大 ,而且与管外壁不同角度有关 ;液膜的波动状态受制于液体负荷与管径的共同影响 .定义了量纲 1波高 ,并通过实验数据回归得到量纲 1波高的经验关系式 .还进行了初步的传热实验 ,得到水平管外蒸发侧传热膜系数随量纲 1膜厚和量纲 1波高的变化 ,为进一步揭示蒸发侧传热的决定因素提供实验依据     

静电场中极板表面液膜蒸发特性研究

以静电场中水分子的极化和受力特性为基础,对热干烟气中极板表面液膜内水分子输运过程进行分析。考察了电场特征、液膜物性对静态高压电场中液膜蒸发特性的影响并提出了蒸发模型;同时研究了多场（温度、速度和静电）耦合作用下液膜蒸发过程中的主导作用机制。结果表明：离子风为静态高压电场中液膜蒸发的主要动力,蒸发速率是自然蒸发的6.7倍（25 kV）。液膜蒸发为等速过程,蒸发速率与电场强度呈正相关关系;液膜加入溶质,蒸发过程受抑制,蒸发模型变为等速和降速两个过程,最终液膜表面析出溶质;流场耦合静电场作用下,液膜蒸发速率随电压升高先缓慢上升（U＜20 kV）后快速上升（U＞20 kV）,流速和电压分别是这两阶段的主要影响因素;温度场耦合静电场作用下,蒸发速率大于单场叠加数值。研究结果为热干烟气中极板表面稳定成膜、系统水耗及空间电场中温湿度分布等问题的研究提供理论支撑。     

振荡热管模型中液膜的分析与假定

在经典Nusselt膜理论的假定基础上,结合毛细管内液膜的特点,考虑了液膜附加压力、界面热阻、液膜过热度,分别对平衡液膜区、过渡液膜区和宏观液膜区进行了详细分析,建立了相应的控制方程,研究了毛细管内液膜稳态蒸发过程中液膜厚度、传热系数等参数的变化特性;根据毛细管内稳态蒸发液膜的轮廓和特性,对振荡热管内的动态液膜作出了相应的假定,并提出了如何确定动态液膜的厚度、长度以及相变传热系数。     

水平管外壁薄膜蒸发侧表面传热系数

采用智能化薄膜厚度测试仪,在考察液体负荷、蒸发侧沸点、蒸发侧传热温差、传热管管径等因素对水平光滑传热管外液膜厚度及其波动状况影响的基础上,研究了蒸发侧表面传热系数随液膜厚度的概率分布和平均厚度变化的趋势,讨论了多种操作参数对蒸发侧表面传热系数的影响。针对水平管降膜蒸发流动的波动特性,定义了G (δ⁺)和h (α)⁺₂,得到蒸发侧表面传热系数的关系式,突出了液膜波动的影响,为进一步揭示蒸发侧表面传热系数的影响因素以及进行工业设计提供实验依据.     

刮膜式分子蒸馏过程的研究

对刮膜式分子蒸馏传热方程进行数值求解,针对0 25m2 刮膜式分子蒸馏器,以DBP(邻苯二甲酸二正丁酯)为物料进行了模拟计算。初步探讨了进料温度、进料速率2个参数对蒸馏器内头波温度及液膜表面蒸发速率的影响。模拟结果表明,头波温度随进料温度的升高而升高、随进料速率的增大而降低;液膜表面蒸发速率随进料温度的升高而增大,随进料速率的增大而减小。     

脂肪酸甲酯降膜蒸发器沸腾传热性能

利用传统的多管排列式蒸发器对高黏度、易结垢的混合物进行蒸发,容易造成布液器堵塞,且结垢后的传热管难以清理。因此根据物料特性,本文设计了一种新型的降膜蒸发器,采用大降液孔加倾斜环板进行布膜,利用内径较大的锥筒作为传热壁面,并以粗甲酯作为试验工质对蒸发器的降膜蒸发传热系数随蒸发器筒体半锥度角、液膜流动雷诺数以及输入热通量之间的关系进行了试验研究。结果表明：该型蒸发器对于上述工质具有较好的适用性,蒸发系统能够在保持较高的传热系数的条件下,连续运行而不发生堵塞;蒸发器筒体锥度角有效地强化了降膜蒸发传热过程,而较大的热通量及进料流量在一定程度上却不利于蒸发传热。最后建立了降膜蒸发传热系数随蒸发器筒体半锥角和流动准数之间的经验关联式。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

毛细管内蒸发传热机理的分析

对微细毛细管内的蒸发传热过程进行了理论分析,提出了其传热性能的计算方法,并作了实例计算.毛细管内的蒸发弯月面可分为平衡稳定液膜区、过渡液膜区和弯月面弯曲区.热质传递过程发生在过渡液膜区和弯月面弯曲区.计算结果表明:在过渡液膜区具有很高的换热系数;毛细管径的增大将导致毛细管内换热系数的下降.     

黏度对二元混合液毛细蒸发选择性的影响

为了获得黏度对二元混合液毛细蒸发选择性的影响规律，结合CCD相机搭建了变径单毛细管蒸发装置，研究具有不同黏度的甲醇-水、丙二醇-丙三醇混合液的蒸发特性。结果表明黏度在0.399～0.822m Pa·s时，管口近液面Marangoni对流状态随黏度变化，进而影响二元混合液的毛细蒸发选择性。当黏度小于0.612 mPa·s时，甲醇-水混合液出现“先快后慢”的选择性蒸发现象，但选择性随黏度升高而不断下降。丙二醇-丙三醇混合液在低黏度(0.597m Pa·s)时也出现选择性蒸发。研究方法和结果为后续微型换热器用混合换热介质开发提供参考。     

水平管外降膜蒸发的传热实验

为了提高水平管降膜蒸发的传热性能,提出了在水平管间增加肋板结构来强化传热。研究了以蒸馏水为介质的水平管外降膜蒸发的传热性能,结果表明,管外降膜蒸发传热系数随传热喷淋密度、传热温差和管间肋板宽度的增大而增大,随管径的增大而减小。     

池沸腾孤立气泡生长过程中微液层蒸发影响的实验和模拟耦合分析

微液层蒸发是沸腾过程中重要的换热机理。本文旨在通过单个气泡池沸腾实验中测得的气泡动态参数探究孤立气泡生长过程中加热表面的换热机理。首先通过沸腾池和加热表面的严格设计实现了单个气泡沸腾。进一步通过对孤立气泡生长时序图像的处理,得到了气泡在一个生长周期内气泡直径、纵横比以及气泡根部基圆半径的变化。对比发现,气泡生长速率与气泡根部基圆半径随时间的变化呈现显著正相关,而与大液层区域的变化相关程度较低,这表明微液层蒸发直接影响气泡体积变化,在孤立气泡沸腾过程中起主导作用。在此基础上进一步建立了加热表面换热过程的数值模型,基于实验中测得的气泡动态参数对气泡底层的微液层厚度进行了预测;通过多次迭代计算并匹配气泡生长速率和加热棒的温度发现,当表面过热度为4.82 K时,气泡底层微液层厚度约为3.43 μm,与相关文献中的微液层厚度测量值基本一致,进一步证实了微液层蒸发在孤立气泡沸腾换热过程中的重要性。本研究揭示了孤立气泡池沸腾过程中近壁面处的换热机制,为进一步的孤立气泡沸腾传热过程数值模拟奠定了理论基础。     

毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性

采用相对坐标系方法,研究毛细管(d 2mm)内充分发展垂直上升气液Taylor流动,分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。结果表明:随着两相表观速度(V_tp)增大,Taylor气泡长度增大,气泡尾部曲率半径增大。气泡长度及内部回流区随着气泡体积分数(ξ_g)增大而增大,量纲1液膜厚度与气泡上升速度与毛细数(Ca)正相关,模拟结果与经验公式吻合较好。摩擦阻力因子(f_c)随V_tp与ξ_g的增大而降低,N₂/乙二醇为工质的Taylor流动f_c低于单相情况,而N₂/水为工质的Taylor流动f_c高于单相情况。Kreutzer等的流型依赖公式以及Lockhart等的分离模型可较好预测本文的两相压降,模拟结果与预测值的误差在±10%以内,常规通道所推荐C 5仍然适用于本文毛细管情况。