我国低温相变传热技术的开发研究取得重大成果

国家自然科学基金《简报》2 0 0 2年 12月 3日第 14期 ,专题对西安交通大学教授、《西安交通大学学报》编委吴裕远主持的研究项目进行了介绍 .在两项国家自然科学基金的资助下 ,吴裕远教授及其合作者开展了类环状流微膜蒸发板翘式冷凝蒸发技术的研究 ,首创了类环状态流沸腾传热强化新机理和紊流液膜冷凝传热强化新机理 ,发明了具有国际领先水平的类环流新型冷凝传热器 ,达到了显著的传热强化效果 ,并已取得明显的社会经济效益 .该项目的技术指标和运行性能全面优于国内外的同类产品 ,具有高效、节能、安全、环保、紧凑等显著优点 .专家鉴定…     

弦月形通道内热虹吸沸腾强化传热的数值计算

弦月形狭缝通道热虹吸沸腾传热具有明显的传热强化效果 ,以溴化锂水溶液为工质的实验测试表明 ,其传热系数达到5～ 6kW/ (m2 ·K) .基于这种狭缝通道气泡底部薄液膜蒸发机理 ,建立了狭缝沸腾传热组合机理模型 .计算结果表明 ,随着时间的延续 ,膜内温度逐渐趋于线性分布 ;热流密度增大 ,液膜厚度变薄 ;沸腾传热系数随着热流密度的增大而增大 .分析了不同边界及初始条件下的气泡底部液膜蒸发传热特性 ,解释了气泡受挤压变形后气泡底部的液膜厚度减薄是传热效率得到增强的主要原因 .该传热模型的求解结果与实验结果吻合良好 ,说明本模型是合理的     

中温碳钢—萘热管传热特性的实验研究

本文实验的基础上，对碳钢－萘热管的传热性能等进行了研究，在加热段内，管内的沸腾传热过程随热负荷的变化大致可分三个区域，即以自然对流为主的沸腾区，核化沸腾区和传热恶区，加热段的沸腾传热热阻随其径向热流密度的变化而改变。文章叙述了，在外界工况改变的情况下，萘热管内传热热阻的变化规律。本文用流体力学和边界层理论对重力试热管冷凝因 液的流动特性进行了分析，对液膜成膜厚度和膜内速度分布进行了论述。认为，在液膜较薄的区域，液膜流动特性较差，最容易造成液膜破断，发生局部传热恶化。在分析讨论中，就萘热管的某些传热特性和水热管进行了对比。     

液氮在狭缝中热虹吸两相流传热的强化实验研究

狭缝中液体的沸腾换热是以变形的扁平汽泡为特点的，以微液膜蒸发为主导机理，热量通过扁平汽泡底部的液膜传给主流流体，试验结果表明：狭缝间隙尺寸对传热有直接影响，当间隙尺寸为０．５～１．０ｍｍ时，狭缝沸腾换热系数比光管增加３～５倍，达到人工烧结多孔表面管相当的水平；当狭缝通道中流型大部分转变为环状流时，传热效果达到最佳状态；对１／１０长度的狭缝通道起始段采用人工凹孔表面处理，使这种流型转变在较小热流密度下提前发生，换热系数进一步提高，传热温差进一步下降，随间隙减小，这种趋势尤为明显．     

小型热虹吸管脉动流动传热特性的可视化实验研究

采用高速显微成像系统对小型热虹吸管中气液两相流型演化进行了可视化实验研究,并对其脉动流动传热特性进行了分析讨论.研究结果表明,在两端压差和重力的耦合作用下,液塞的随机形成和沿槽道方向的脉动是脉动流动的典型特征.塞状流和环状流是小型热虹吸管脉动情况下的主要流型,液塞的脉动速度约为-1.5~1.5 m/s.对于脉动流工况,在启动过程中管壁导热和气液两相的膜态蒸发、膜态冷凝是小型热虹吸管的主要传热方式,该过程中热虹吸管的壁面温度持续升高,未出现温度波动;脉动启动后,小型热虹吸管内出现了液塞的随机形成和脉动运动交替冲刷壁面现象,此过程中小型热虹吸管主要靠对流蒸发、冷凝实现热量传递,且各段壁面温度皆表现出脉动特性.     

加工参数对热柱蒸发端微沟槽形貌的影响

犁切挤压加工的微沟槽具有很好的强化沸腾及冷凝效果。提出了热柱蒸发端微沟槽加工的实验过程,建立了犁切挤压刀具加工微沟槽的有限元模型。利用deform软件模拟犁切挤压刀具加工热柱蒸发端的正交微沟槽,分析了微沟槽的成形机理。结果表明犁切挤压深度和进给量对微沟槽表面形貌有很大的影响。在加工环状沟槽时表面形成了U形沟槽及V形沟槽。最后加工径向沟槽时表面形成了正交的中间凹陷四周隆起的微沟槽。     

燕尾形轴向槽道热管的蒸发冷凝传热特性

建立了燕尾形轴向槽道热管蒸发和冷凝薄液膜传热特性理论模型,并对模型进行了数值求解.对蒸发薄液膜区液膜厚度、接触面温度和热流密度分布进行了分析,给出了汽液接触面蒸发/冷凝传热系数沿轴向的变化.研究表明:在蒸发薄液膜区域,薄液膜厚度沿槽壁方向呈线性增加;汽液接触面的温度在起点几乎和壁面温度相同,随着薄液膜厚度的增加而迅速降低;在薄液膜的起始段,热流密度快速达到最大值,随即迅速减小.蒸发段的蒸发传热系数大于冷凝段的冷凝传热系数,蒸发/冷凝传热系数在整个绝热段并不都为零.同时,通过实验验证了模型的正确性.     

平板微热管的研究进展回顾与展望

热管是一种具有高热导率的多尺度传热材料,被广泛应用于换热器的余热回收再利用、太阳能集热器和数据中心冷却等领域。从循环动力和性能表现两方面入手探讨微热管传热影响因素的研究实验。针对平板微热管的结构组成和工作机理,综述了平板微热管微槽结构、充装工质及其充液率、工作状态的性能研究进展,剖析了蒸发段和冷凝段的状态对流动状态与传热特性之间的关系,如曲率半径、循环工质流量和有效导热系数等参数的表现,总结了平板微热管的模型结构设计与理论预测研究进展,并结合强化换热和沸腾传热,对微热管微通道的发展方向进行了展望。     

紧凑管束蒸发换热器内水的沸腾强化换热特性

设计了一种新式满液型蒸发换热器,利用水平传热管管束间狭窄受限空间内早期沸腾强化换热机理和同一管束中两管缝隙强化沸腾换热机理,将中小热负荷条件下的自然对流换热转化为充分发展核态沸腾换热,其换热性能大大优于传统的满液型蒸发换热器.对水平传热管管束在受限空间内沸腾强化换热的实验研究表明,这种水平管蒸发换热器具有良好的换热性能;管束距离和传热管在管束中的位置对各个传热管换热特性都有很大影响,且存在着一个最佳管束距离;随着压力增加,受限空间内沸腾强化换热的强化效果显著增强.     

热虹吸管相变传热行为CFD模拟

基于VOF模型和改进的相变模型对热虹吸管稳态相变传热过程进行CFD模拟,根据温度分布实验数据和可视化实验进行验证,并分析充液率对热管蒸发-冷凝传热行为的影响。研究结果表明:CFD模型能够较准确地描述热管工质的蒸发和冷凝过程,模拟得到热管各段均温的最大偏差为10.2 K,相对误差2.9%,采用改进的相变模型,温度分布模拟值与实验值一致性更好;模拟得到蒸发段工质流型转变过程与可视化实验定性相符;热管冷凝段以膜状冷凝传热为主,充液率的改变对其影响不大,充液率主要影响蒸发段的传热行为,进而影响热管的传热性能。该工作有助于对热管运行机理的理解,并为其CFD模拟提供指导。     

气—液两相流传递研究

阐述了在气－＝液两相流传递研究方面的工作,包括气升式环流系统中的流体力学和传递、降液膜动下的传热和传质、“载气蒸发”技术的研究和开发等。并由研究惰气气冲击冷剂液浴中放热壁面强化冷却的操作机理,提出了“界面汽化热阱增强传热的原理”。     

多孔表面微细结构内的蒸发换热

为了研究多孔槽道几何参数对多孔表面沸腾换热性能的影响 ,从分析多孔结构内微液膜蒸发和气液两相流的机理出发 ,借鉴微热管的研究方法 ,建立了描述多孔表面沸腾换热的细观动态模型。通过对沸腾起泡点分布的简化处理 ,进行了数值求解 ,计算结果与已有文献的实验数据一致。计算结果还表明 :对于微液膜换热 ,存在最佳液膜厚度 ,使液膜换热热阻最小。利用该模型 ,导出了多孔表面在常用沸腾工质中沸腾换热时的结构优化参数。这一模型对多孔表面微细结构的尺寸优化有理论指导作用     

火箭发动机液氢预冷回路非稳态传热特性研究

针对液氢预冷火箭发动机自然循环回路的流动与传热过程,建立了一维非稳态均相模型来研究预冷过程中管路的温降特性.在膜态沸腾阶段引入过渡膜态沸腾,保证了弥散流膜态沸腾向反环状流膜态沸腾的合理过渡.一般流体的膜态沸腾起始壁温T_L大于核态沸腾最高壁温T_(CHF),而氢的T_L小于T_(CHF),使得氢的沸腾曲线不同于其他流体,造成计算时传热与流型转换的不连续,因此考虑以T_(CHF)作为膜态沸腾起始壁温,以T_L作为核态沸腾最高壁温,通过增加过渡沸腾区来确保计算顺利进行.计算发现:预冷过程中,回路管壁温沿流动方向表现出从高到低的逆向分布规律,最高壁温点位于反环状流向弥散流过渡区间处,最高壁温点位置随时间逐渐向下游推进.     

微圆管内非共沸混合工质流动沸腾传热强化

分别进行了R32/R134a在水平微圆管、细圆管和小尺寸常规管道内的流动沸腾传热试验.在定义微圆管传热强化系数Ec(相对于细圆管和小尺寸常规管道的传热强化系数分别用Ecm和Ecs表示)的基础上,从不同强化管内流动沸腾传热机理的角度分析了Ecm和Ecs在不同试验工况下的变化规律及其与传热机理的关系.结果表明,试验工况范围内Ecm和Ecs分别在1.01～2.33和1.03～3.54之间变化.绝大部分试验工况下Ecm的值较小且变化很小,Ecs则较大且有明显变化;高热通量和高质量干度下Ecm和Ecs的值都较大.微圆管内流动沸腾传热强化效果与传热机理及其转变区域密切相关,当微圆管内传热开始出现恶化和较高热通量下微圆管内核态沸腾传热占绝对主导地位时,微圆管传热强化效果明显.     

分离式热管蒸发段传热特性的试验研究

在研究分离式热管蒸发段流特性的基础上，对其传热特性进行了试验研究，获得了一些重要的结论。文中着重分析了核态沸腾传热区及飞溅降膜传热区的传热原理；根据试验数据回归整理了相应的换换系数无量纲准则关系式，计算值与试验数据吻合相当好；分别与大空间池沸腾传热和整体式热虹吸管热管蒸发段降膜区传热进行了比较，其结果为分离式热管的研究及工程应用提供了理论的依据。     

R_（113）在水平管环隙空间强化冷凝传热研究

本文研究了花瓣形翅片管（ＰＦ管）在水平套管之环形通道内强制对流冷凝的传热性能及传热强化机理．实验结果表明：Ｒ１１３在ＰＦ管外的冷凝给热系数是光滑管的１１～１８倍，通过分析实验结果及观察实验现象得知：由于ＰＦ管具有特珠的翅片结构，既能充分发挥冷凝液的表面张力作用，又能干扰气液两相流的流态，增加边界层的湍流，因而对强化套管环隙间冷凝具有明显效果。     

几种强化传热与节能技术在工业中的有效应用

本文介绍了５种在工业上行之有效的强化传热与节能技术：粘性液体的传热强化；新型壳程折流板；花瓣形翅片管强化冷凝；Ｔ－形翅片管强化沸腾传热；错齿圆翅片管强化苯酐凝华过程。同时，对以上５种技术的研究思路及工业应用效果进行了分析。     

SEVERAL HEAT TRANSFER ENHANCEMENT AND ENERGY CONSERVATION TECHNIQUES EFFECTIVELY USED IN INDUSTRY

本文介绍了５种在工业上行之有效的强化传热与节能技术：粘性液体的传热强化;新型壳程折流板;花瓣形翅片管强化冷凝;Ｔ－形翅片管强化沸腾传热;错齿圆翅片管强化苯酐凝华过程．同时,对以上５种技术的研究思路及工业应用效果进行了分析．     

液体火箭发动机自然循环回路预冷非稳态数学模型

针对液体火箭发动机自然循环回路预冷过程中的非稳态流动与传热问题,构建了一组涵盖主要传热工况的管壁与低温流体间的传热模型,耦合了循环回路的释热方程和低温流体间的流动传热方程,并采用二分法迭代求解自然循环回路预冷过程中的非稳态循环流量,建立了液体火箭发动机自然循环回路预冷的一维非稳态均相流动数学模型.与已有传热模型相比,在膜态沸腾阶段引入了反环状流膜态沸腾模型和弥散流膜态沸腾模型,保证了膜态沸腾从全液相到全气相过渡过程中物理意义上的逻辑自洽性,并以输送管为例,验证了液体火箭发动机自然循环回路预冷模型的有效性.     

紧凑型滚压强化管管束内水和盐水的沸腾强化换热特性

对水平光滑和滚压强化两种传热管管束在不同压力条件下的窄小空间内沸腾强化换热进行了实验研究，确认了窄小空间能够有效强化沸腾换热特性，存在着一个换热强化效果最好的最佳管距．当管距很小时，光滑管几乎具有和强化管相同的换热特性．实验范围内盐水浓度对换热特性几乎无影响．实验证明，对紧凑满液型蒸发换热器，利用传热管管束狭窄空间内早期沸腾强化换热机理，可以将中小热流密度条件下的自然对流换热转化为旺盛核沸腾换热，其换热性能大大优于传统的降膜式蒸发换热器．