-60℃水平圆管表面结霜特性的实验研究

为了探索在-60℃以下较低温区冷表面的结霜特性,设计并搭建了基于复叠制冷系统的-60℃水平圆管表面结霜特性可视化实验台,并对套管形式换热器内水平圆管外表面上湿空气顺掠管的结霜特性进行了实验研究,着重分析了结霜过程中霜层厚度及其增长速率的特性。实验结果表明:-60℃水平圆管表面霜层厚度生长速率比常温区冷表面更快,约为-15℃冷表面的两倍,同时又保持了与-15℃以上冷表面相似的生长趋势,即前期生长速率较快,然后逐渐降低。此外,还发现并分析了呈周期性出现的融霜现象和大幅突降的霜层崩塌回融两种不同特征的融霜过程。初步探索了受限通道内-60℃水平圆管表面的结霜特性,丰富了霜层特性研究数据,可为今后更加全面系统的实验研究奠定基础。     

受限流道沿程参数变化对竖直圆管表面结霜特性影响的实验研究

为研究换热器受限流道内沿程湿空气参数和壁温同时变化对霜层生长的影响,搭建了竖直布局的可视化结霜实验台。实验研究了受限流道内沿程霜层厚度、壁温、霜层生长率等参数的变化规律,以及逆流工况下入口湿空气温度、相对湿度、空气流速对受限流道内圆管表面的结霜量和平均霜层密度的影响。实验结果表明：沿制冷剂流动方向,制冷剂入口段霜层逐渐变薄,中间段霜层厚度趋于平坦,出口段霜层厚度上升。因受限效应的影响,在结霜初期流道内的霜层生长率逐渐降低;在结霜中期流道内水蒸气浓度随时间升高,可使霜层生长率出现小幅提升;在结霜后期霜层生长率降低。在壁温越低、水蒸气浓度越高的位置,霜层生长率出现局部增大的时间越早。更高的入口湿空气温度、相对湿度、空气流速会提升结霜量,而平均霜层密度随入口相对湿度升高而下降。     

低温冷表面结霜性能实验研究及应用

针对低温冷表面结霜情况搭建了结霜实验系统,采用显微镜、CCD摄像机观察冷表面结霜全过程,并通过改变环境温度及冷液温度研究霜晶生长状况。实验结果表明:在冷表面划痕、凹陷处率先结霜;冷液温度及环境温度对霜晶生长状况影响很大,随着冷液温度的降低,霜晶粒径减小,分布密集,生长较快;随着环境温度的降低,霜晶生长缓慢。     

微量水蒸气条件下低温表面结霜过程的实验研究

为研究微量水蒸气在低温表面上的结霜过程,搭建了低温表面微量水汽混合湿氮气的可视化结霜实验台。实验对比了常规湿度和微量水汽含量条件下,-180℃冷表面上常温氮气流中水蒸气结霜过程和形态,研究了不同微量水汽含量以及环境压力对低温结霜特性的影响。结果表明：相比于常规湿度条件下冷凝-冻结机制主导的结霜过程,微量水蒸气(体积分数71×10^-6)在低温表面主要通过凝华机制生成微小冰晶沉积在冷表面,形成不均匀分布的无明显枝干的霜晶,随后形成平整疏松的霜层。凝华机制主导的霜层生长过程主要体现为霜层厚度的增大,而密度无明显增大。在微量水蒸气条件下,随着水汽含量由1.53×10^-6升高至500×10^-6,霜层逐渐增厚并伴随着霜层形态由平坦均匀薄层向簇状霜团转变,增大的接触面积使霜层生长速率加快。环境压力由109 kPa升高至190 kPa时,增大的水蒸气分压本质上是由水蒸气绝对含量增加引起,霜层生长加快,表面的不平整程度会升高,霜晶形态更丰富。随时间推移,同一时刻不同环境压力下霜层厚度的差异逐渐增大。最后拟合了适用于低温表面上微量水蒸气条件...     

结霜与微尺度表面特性的实验研究

针对翅片式蒸发器表面的结霜问题，提出了一种新的实验研究方法，即利用CSPM2000(扫描探针显微镜)对两类材料冷表面进行扫描记录，同时利用专门的CCD摄像与显微镜系统，观测两类材料表面的整个结霜过程，从而探讨微观表面结构与材料表面霜层形成的关系．实验结果表明，材料的表面粗糙度对结霜有很大影响，表面光洁度好，霜沉降量较小。     

强制对流下翅片管蒸发器表面结霜实验

翅片管蒸发器表面结霜是阻碍制冷系统高效运行的主要不利因素之一。利用恒温恒湿箱搭建强制对流下蒸发器翅片管表面结霜可视化实验平台,在环境温度0～8℃、相对湿度55%～75%及迎面风速0.8～2.4 m/s时,实时记录霜层动态生长过程,研究了环境温度、相对湿度和迎面风速对霜层生长特性及蒸发器换热性能的影响规律。结果表明：环境温度和迎面风速是影响蒸发器结霜的主要因素,结霜50 min,环境温度为0℃的霜层厚度比环境温度为8℃的提高了12.78%,迎面风速为2.4 m/s的霜层厚度比迎面风速为0.8 m/s的提高了14.66%,结霜量与换热量提高趋势相同。在结霜初期,相对湿度越大,换热量越大;结霜后期,相对湿度越小,换热量越大,并得到了换热量关于环境参数与时间的相关关系。     

翅片表面特性对结霜过程影响的实验研究

为研究翅片表面特性对空气源热泵结霜的影响,构建了翅片结霜实验平台,对接触角不同的4种翅片表面(亲水性铝翅片、普通铝翅片、疏水性铝翅片、超疏水性铝翅片)的结霜过程细微观特征进行了可视化研究,获得了翅片表面特性对结霜过程细微观物理特征及霜层热工特性的影响规律.结果表明,在霜晶生长初期,接触角越大,凝结形成的液滴粒径越小,分布越稀疏,液滴开始冻结的时间越滞后.霜层生长过程中,接触角大的表面霜晶相对矮小且疏松,枝晶分布不均匀,而接触角小的表面霜晶纤长且致密,枝晶多且分布均匀.随着接触角的增大,霜层的高度和导热系数减小,表面温度降低.超疏水性表面霜高比亲水性表面减少了45%,接触角越大的表面其抑霜效果越明显.     

结霜工况下R410A翅片管式蒸发器的换热特性

在焓差实验装置和热泵性能测试系统中,对一台R410A空气源热泵的翅片管式蒸发器在结霜工况下的换热特性进行了试验研究.通过改变蒸发器制冷剂侧和空气侧的流体温度、流量等参数,利用显微摄影机对室外侧换热器的平直翅片表面结霜过程进行动态跟踪.实验表明,结霜速率和霜层厚度的变化对制冷系统的换热量、蒸发温度、制冷剂侧压降、整体传热效率都有不同程度的影响.在蒸发器的结霜初期和结霜后期,系统性能的衰减程度有较大区别.在空气温度为0℃~-4℃,相对湿度大于80%的情况下,换热器表面结霜速度最快.     

结霜工况下平行流换热器的换热性能

测试了平行流换热器在结霜工况下的换热性能.研究了换热器的换热面积及表面换热效率随霜层厚度的变化,并采用对数平均温差（LMTD）法对结霜状况下霜层表面的换热系数进行了计算.结果显示,当霜层厚度达到0.4 mm时,换热器的换热面积下降18%左右,表面换热效率下降17.42%～24.78%;而换热系数的降低是换热器性能降低的重要因素,试验中换热器的换热系数均下降50%左右,百叶窗的霜堵是导致换热系数降低的主要原因.     

水平圆管在大空间内自然对流换热的实验与数值分析

通过实验与数值计算相结合的方法,对大空间水平圆管的自然对流换热过程进行研究.实验得出圆管自然对流换热系数随管壁温度的升高而增大,并拟合了实验条件下的自然对流换热实验关联式.以Fluent为平台,对水平圆管在大空间内的自然对流换热进行数值分析.结果表明,自然对流换热强弱取决于圆管壁面与周围流体温差的大小,温差越大,自然对流流动发展越快,最大流速越大,圆管周围空气在温差产生的浮升力驱动下形成不断上升的气流.     

桥式翅片流动和传热性能的实验研究和数值模拟

对设计的桥式翅片换热器空气侧的传热和阻力性能进行了实验研究,将大量的实验数据进行了线性回归,得出了在实验雷诺数范围内传热和阻力性能关联式及特性曲线.对比可知,在相同泵功情况下桥式翅片换热器比相同尺寸的平直翅片换热器具有更高的传热性能.同时,对以上两种翅片空气侧的温度场和速度场进行了数值模拟,并利用场协同原理对模拟结果进行了分析.分析结果表明,桥式翅片换热器具有更高传热性能的根本原因在于翅片的桥式布置能有效地改善翅片温度场和速度场的协同性.     

矩形涡流发生器结构参数对圆形换热管传热特性的影响

为了提高圆形换热管的换热效率,采用SST(shear-stress transport)k-ω湍流模型(k为湍动能,ω为耗散率),对内置矩形涡流发生器的圆形换热管进行了数值模拟研究,分析了涡流发生器长高比和攻角对流动和传热特性的影响。结果表明：V型排布的4个矩形涡流发生器产生了两对反向旋转的纵向涡流,增强了冷热流体的混合,改善了圆管内的场协同,提高了换热性能;随着涡流发生器长高比的增加,换热管性能比较指标增大,但是增加幅度逐渐减小,当长高比为2时,换热管具有较好的综合性能;随涡流发生器攻角的增大,性能比较指标先增大后减小,当攻角为30°时,多数工况下性能比较指标具有最大值,换热管具有最佳综合性能。可见,矩形涡流发生器的结构参数对换热管的传热特性有巨大影响,研究结果可为换热管的设计和改进提供参考。     

新型强化传热管——抑泡孔管的管束传热实验

实验研究了抑泡孔管管束的排列方式、管间距、加热管子根数、热负荷大小、沸腾工质物性等因素对抑泡孔管管束沸腾传热性能的影响规律。实验结果表明,抑泡孔管束与光管束、低肋管束的沸腾传热性能截然不同,而与机加工多孔管束和烧结粉末表面管束有某些相似之处。管束中的沸腾管数增加,有轻微恶化传热的趋势;高负荷时这种趋势更明显;管间距直径比的变化对管束特性影响不显著;乙醇为工质时,管束排列方式和热负荷大小等对沸腾传热的影响甚微。     

变截面管管内传热与阻力性能研究

根据正交实验设计提出了9种变截面管强化传热管的结构尺寸,并由实验结果回归得到了变截面管的传热与阻力关联式,经过管型的分析比较,筛选出性能比较好的变载面管尺寸参数。     

细管内氮气-过冷水环状两相流传热特性实验研究

利用高速氮气和过冷水在竖直细小管内形成环状两相流并对其传热特性进行了实验研究．管长和管内径分别为400和2．3mm,氮气流速变化范围10～40m／s,入口初始氮气和水温变化范围16～60℃,壁面热流密度变化范围1～100kW／m^2．实验探讨了各种气液流动条件、加热条件等系统参数对环状两相流传热传质特性的影响．结果表明,竖直细小传热管内环状两相流表现出优异的强化换热特性,适用于高热流密度、低壁温的冷却条件,实验数据和数值模拟结果较为吻合。     

热源塔结构特性对其换热性能的实验与分析

利用搭建的开式热源塔实验平台进行实验,从塔身设置和进口参数两方面对热源塔换热性能进行分析。塔身设置包括：喷嘴位置、进风口位置及有无填料层。进口参数包括：室外空气温度、溶液进口温度及截面风速。实验结果证明热源塔下进风时的吸热效率优于上进风,其中无填料上喷下进风式换热性能最优;填料层可以促进气液之间的热质交换,但进风阻力变大,热源塔能耗比降低。对于进口运行参数,在下进风工况下,当风速增大时,热源塔的吸热效率均得到提升,但风速过大,吸热效率仅有微小提高,且塔身能耗比下降较快;溶液进口温度升高,热源塔的吸热效率提高幅度在30.1%~34.6%之间,进出口溶液温差降低了0.9 ℃~1.2 ℃;室外空气温度升高热源塔的进出口溶液温差明显增大,但吸热效率降低。     

钛合金螺旋扁管换热器流阻与传热性能实验研究

为研究钛合金螺旋扭曲扁管换热器壳侧选用高黏度导热油的传热规律,对钛合金螺旋扁管换热器的壳侧在层流(Re2 000)与过渡流(2 000Re9 000)状态的传热性能进行实验研究,与分别采用钛合金圆管与螺旋槽管作为换热元件的折流板换热器进行比较,根据实验数据并采用多元线性拟合对扁管壳侧的努塞尔数Nu与阻力系数f进行拟合,其最大拟合误差都是±10%。实验结果表明,螺旋扁管换热器的壳侧在层流与过渡流均有明显的强化传热效果,其强化传热指标h/Δp是螺旋槽管换热器的1.7~2.5倍,光管换热器的2.3~4倍。在层流与过渡流状态下,扁管尺寸、Re、Pr对传热影响较大,螺旋扁管换热器特别适合层流换热。     

换热器中强化传热表面传热性能的评价

以热力学第二定律为基础，在熵产分析的基础上提出了新的传热性能评价判据－强化传热性能因素。     

波纹管降膜蒸发器强化传热机理与传热性能研究

从传热机理出发，对波纹管降膜蒸发器的结构特点和传热特性进行了分析，在一定的实验条件下，进行了波纹管蒸发浓缩葡萄糖溶液的传热性能实验研究，得到了湍流传热分系数经验关联式，为降膜蒸发器的改进和设计提供了依据。     

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

对2排X型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究, 在实验的 Re范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线.比较得出,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与单向开缝翅片相比,X型双向开缝翅片的性能更好.通过数值模拟得出了 X型双向开缝翅片的效率计算曲线.应用场协同原理,对数值模拟得到的气流在2片翅片之间的温度场、速度场、对流换热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析.结果表明,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性.