R513A在不同肋结构水平管内的流动沸腾换热性能

全球变暖日趋严重,新型环保型制冷剂研究迫在眉睫,制冷行业需要对现有的制冷剂工质进行替换并进一步强化换热器的传热效率。本文在不同肋结构的水平管内进行R513A的流动沸腾实验研究,探究了不同肋结构、质量流速[300~500kg/(m^(2)·s)]、蒸发温度(5~10℃)对传热系数及压降变化的机理。结果表明,R513A在内螺纹管的管内沸腾传热系数相比光管有23%~120%的提高,但其在内螺纹管内的压降均高于光管;对比肋结构对换热的影响,发现较大的螺旋角可以加剧管内二次流的产生,较大的齿条数可以增加沸腾传热的有效传热面积,使得换热增强;R513A沸腾传热系数和压降随着质量流速的增大而增大;随着蒸发温度升高,沸腾传热系数增大,而压降减小;通过比较单位压降传热系数可知4#螺纹管综合换热性能最优,肋结构参数对内螺纹管综合性能的影响集中在低、中干度区域,在高干度区域影响较小。在本实验工况下,Kaew-on关联式和Chisholm关联式分别对R513A在光管内传热系数和压降的预测精度最高,平均相对误差分别为-4.74%和7%;Yu关联式和Miller-Steinhagen关联式分别对内螺纹管内传热系数和压降的预测效果更好,平均相对误差分别为14.16%和3.66%。

竖直互连小通道内流动沸腾传热强化机理分析

为推动流动沸腾技术在燃料电池散热领域的应用,该文以R141b为工质,对不同流速下的并联直通道及互连小通道内流动沸腾情况进行三维瞬态数值模拟。利用换热系数、基底温度及综合换热因子等参数对比各结构的换热性能,并探究互连小通道的换热强化机理。研究表明:换热趋势随气泡行为呈周期性变化,气泡脱离时的换热效果最佳;由连通口引发的二次流促进热量传递与壁温升高,使通道可提前2 ms满足成核条件,且气泡在10^(-4) m/s以上的二次流速作用下率先脱离;五连通通道的换热系数较并联直通道可提升19.6%~23.3%,继续增加连通口数,换热系数的相对增长率均不足3.5%;涡结构使压降随连通口数增加而增大,且增势并不减弱,八连通通道的压降较并联直通道增加29.5%~42%。可见,二次流在影响气泡行为、强化换热的同时也带来压力损失,综合换热性能与连通口数目不成正相关。

针状电极作用下相分离结构逆流微细通道流动沸腾传热性能

为研究针状电极与相分离结构强化技术组合作用下微细通道流动沸腾传热性能,该研究提出了一种平行逆流微细通道热沉,针对顺流和逆流微细通道,通过高低压切换实现气相分离。以乙醇为试验工质,改性聚偏二氟乙烯多孔疏液膜(polyvinylidene fluoride,PVDF)作为气液相分离工具,在入口过冷度为10℃,有效热流密度范围为48.08~87.29 kW/m^(2)工况下开展流动沸腾试验,引入饱和沸腾传热系数传热强化因子(Fht)研究不同相分离结构孔数(4孔PSS-1、6孔PSS-2、10孔PSS-3)(phase separation structure,PSS)和不同电场强度(200、400、600 V)组合作用下的微细通道沸腾强化传热特性规律和机理。研究结果表明,在相同工况下,与普通微细通道(无相分离结构0孔PSS-0和无电场)相比,单独相分离结构和单独针状电极作用下微细通道的传热性能均得到有效提高,10孔相分离结构和600 V电场强度分别作用时的最大Fht为1.14和1.20,相分离结构和针状电极组合作用下微细通道传热性能得到进一步提升,10孔和600 V电场强度组合条件下的最大Fht为1.29,结果表明相分离结构和针状电极2种强化技术存在一定的协同效果。研究结果为微尺度复合强化沸腾传热技术提供参考。

逆流相分离结构微细通道流动沸腾传热与均温性

为探究不同相分离结构参数对强化微细通道流动沸腾传热性能和均温性的影响,加工制作了带有不同相分离结构的平行逆流微细通道试验段,分别为相分离结构(PSS)位置不同的PSS-1(上下游均匀分布)、PSS-2(上下游靠近中部)和PSS-3(上下游靠近两端),其中PSS-1分为A、B、C三种,分别对应4孔、6孔、10孔。以乙醇为试验工质,在有效热通量为17.12~87.25 kW/m^(2)、入口温度为70℃、质量流速为86.11 kg(/m^(2)·s)的工况下,对截面为2 mm×2 mm的矩形微细通道开展流动沸腾试验,并利用高速摄影仪对通道进行可视化研究,通过引入传热强化因子和壁面温度标准差研究了不同相分离结构对强化微细通道传热性能和均温性的影响以及相分离结构在高压通道和低压通道内的强化机制。研究表明,传热强化效果随相分离排气孔数增加而提升,相分离结构位置对传热特性的影响在高压通道和低压通道内有所不同。PSS-1-C微细通道的温度均匀性最好,在热通量为83.11 kW/m^(2)时微细通道平均壁面温度较无相分离相同通道降低了1.9℃,温度标准差降低了14.2%。可视化图像表明,相分离结构在压差作用下能实现气相转移,进而强化传热。

相分离结构与电场协同作用下微细通道流动沸腾传热

为研究相分离结构与电场协同作用下微细通道内流动沸腾传热特性,以质量分数为30%的甘油水溶液为试验工质,在入口温度为70℃、质量流率为121.25 kg·m^(-2)·s^(-1)、热流密度为90.31~151.23 k W·m^(-2)的工况下,针对0、800、1 600 V不均匀电场,在截面为2 mm×2 mm的不同相分离结构逆流微细通道内开展流动沸腾试验,研究不同电场和不同相分离结构协同作用下微细通道内局部饱和沸腾传热系数及影响规律,结合可视化结果分析相分离结构与电场协同作用下受限气泡长径比变化以及强化机理。利用平均传热综合性能评价指标评估相分离结构与电场协同作用下微细通道的传热综合性能。结果表明,相较于无电场无相分离结构,相分离结构与电场协同作用下,局部饱和沸腾传热系数和受限气泡单位时间长径比变化比率ζ分别最大提高了61.22%、605.5%;平均传热综合性能评价指标最高可达1.50。

V槽的偏斜度及其分布对微通道流动沸腾特性的影响

运用VOF模型与用户自定义函数,数值模拟水在V槽微通道内的流动沸腾过程,分析V槽的偏斜度及其分布对通道内气泡的生长、脱离及气液两相流流型变化的影响.研究结果表明:V槽偏斜度会影响微气泡的脱离直径和脱离时间;偏斜度为1.0的V槽对应的气泡脱离直径较偏斜度为0和0.5的V槽分别减小0.063、0.025 mm,脱离时间分别缩短5.20、2.40 ms,气液两相流由泡状流向受限气泡流的转变沿流动方向往后推移2.7 mm,且片段环状流占据区间有所减小;对于偏斜度为1.0的V槽,当其沿流动方向的分布不同时,微通道内气液两相流动呈现不同特征,前疏后密的V槽分布能更好地抑制通道内气泡聚并,通道全程未见片段环状流发生,近壁区液膜可以避免受热面局部干涸,提升微通道流动沸腾换热的稳定性和可靠性.

微型翅片疏水复合强化管管内流动沸腾换热预测模型

采用实验的方法对比制冷剂在一根光滑管(ST管)与三根强化管内的流动沸腾换热特性。实验所采用的三根强化管分别为具有疏水表面的换热管(HYD管)、具有人字形微翅片的换热管(HB管)和同时具有人字形微翅片与疏水表面复合结构的换热管(HB/HYD管)。在饱和温度为279、283与288 K,质量流速范围为50~150 kg/(m^(2)·s),进出口干度分别保持在0.2和0.8的工况下进行实验。从结果分析可以看出,HB管与HYD管的传热系数分别约为光滑管的1.37倍与1.42倍,而具有复合表面结构的HB/HYD管具有最高的传热系数,约为光滑管的1.45~1.63倍。针对所测传热系数选择了6种经验预测关联式模型,并利用光滑管进行验证,证明所选关联式可靠。结合强化管的结构特点开发新型关联式模型,该模型对所研究强化管的传热系数预测较好,三种强化管约有90%以上的数据点在误差范围为±10%以内,这对工业设计换热器的方案进行了优化,进而提高换热器的效率与可靠性。

带矩形重入腔的直肋微通道内流动沸腾换热特性

为揭示矩形重入腔强化直肋微通道内流动沸腾换热的机理,采用实验方法研究了带矩形重入腔的直肋微通道内的流动沸腾换热特性,获得了不同质量流率(200~500 kg·m^(-2)·s^(-1))和不同热流密度(0~78.16 W·cm^(-2))条件下微通道内的传热系数和压降,并与无矩形重入腔的直肋微通道内的流动换热性能进行了对比。结合流态可视化测量结果,对微通道内流动沸腾过程中的流态进行了分析。实验结果表明:相比无矩形重入腔的直肋微通道,带矩形重入腔的直肋微通道内表现出更好的传热特性,尤其是在高质量流率G>400 kg·m^(-2)·s^(-1)条件下,各流态下带矩形重入腔的直肋微通道的传热性能均有所提升,G=500 kg·m^(-2)·s^(-1)时提升了14.8%;重入腔结构对液相工质的毛细牵引效应,提高了直肋微通道在高热流密度下的换热能力和临界热流密度;带矩形重入腔的直肋微通道的临界热流密度比无重入腔直肋微通道提升了15.2%;在单相区,带矩形重入腔的直肋微通道内的压降损失略高于无重入腔直肋微通道;G=500 kg·m^(-2)·s^(-1)时,在两相区带矩形重入腔的直肋微通道内的压降损失相比无重入腔直肋微通道下降了约48%。

竖直多波纹板式换热器内R134a的流动沸腾实验研究

针对竖直多波纹板片内R134a的流动沸腾进行实验研究,采用高速相机捕捉并分析两相流型的衍变规律,分析干度对换热系数、压降的影响。结果表明:板片内部的汽液相于其所处平面沿水平方向存在交替分布特征;随着干度上升,板片左上角部分流域出现相对停滞的液膜区,其面积随着干度的增加而扩大;波纹板片内的主导换热机制由核态沸腾逐渐转变为对流沸腾。当干度x较低时(x<0.4),换热系数随干度的增加缓慢增加;随后换热系数随干度的上升速率加快(0.4<x<0.6),并于x=0.6时达到最大值;高干度时(x>0.7),板片内出现局部干涸现象,换热系数迅速下降。当质量通量相同时,板片的摩擦压降随干度的增加而增加,而饱和压力的上升会使得摩擦压降有所降低,最大降幅为20.4%。

R513A在水平管内流动沸腾传热特性的研究

全球变暖已成为各国关注的全球性问题,因此第4代新型环保制冷剂的研究迫在眉睫。制冷剂在蒸发器内的沸腾传热特性直接关系到该制冷剂的应用。R513A是R134a的替代制冷剂,通过实验研究R513A和R134a在12.7 mm水平光滑管和内螺纹管内的沸腾传热特性,分析质量流速、蒸发温度、热流密度和内螺纹结构对传热系数及压降变化的机理。实验工况:制冷剂的质量流速为100~200 kg/(m^(2)·s),蒸发温度为5~10℃。结果表明:沸腾传热系数随着热流密度的增大发生显著变化;随着质量流速的增加,沸腾传热系数增大15.06%~42.33%,压降增大26.16%~61.83%;随着蒸发温度升高,沸腾传热系数增大13.27%~38.25%,压降减小19.53%~33.27%;内螺纹管的传热系数显著高于光滑管,强化倍率最大为2倍。相同工况下,R513A的沸腾传热系数比R134a增大约25.61%~30.74%,R134a内螺纹管内压降比R513A平均高约12.33%;随着热流密度的增加,R513A的流型转变较R134a提前,此时沸腾传热系数急剧下降。

HFE-7100平行微通道流动沸腾实验

微通道流动沸腾冷却技术兼具相变潜热和微尺度效应的诸多优点,是解决微电子器件热致失效问题的重要方法之一.HFE-7100是一种安全环保的电子氟化液,特别适用于微电子器件的冷却.本文在水力直径为0.5 mm的矩形平行微通道内,对HFE-7100的流动沸腾传热和两相流动特性进行了实验研究,测量范围为常压下质量流率88.9-277.8 kg·m^(-2)·s^(-1)、入口过冷度20.5-35.5℃和有效热流密度12-279 kW·m^(-2).本文分析了质量流率、入口过冷度、有效热流密度和干度对传热系数和压降的影响,发现在较低的入口过冷度下HFE-7100出现了沸腾迟滞现象,且增大入口过冷度和质量流率会延缓沸腾起始点的发生,且会提高传热系数和临界热流密度.两相压降受有效热流密度影响较大,且在定干度下不同质量流率的两相压降在塞状流和环状流阶段有明显差异.同时,通过观测两相流型,对流动沸腾传热现象进行了分析.本文还将两相压降实验数据与文献关联式预测值进行了对比,与Lockhart提出的关联式预测值偏差为19.6%.本文研究结果可为微电子器件散热设备的优化设计提供理论指导:以HFE-7100作为传热工质并将微通道流动沸腾冷却技术应用于微电子器件散热设备,可以提高设备的稳定性和可靠性;在不同热流密度的设备中通过控制入口过冷度和质量流率可有效地提升其散热性能;采用Lockhart提出的两相压降关联式可预测散热设备所需的泵功.

微流控氧化硅纳米流体强化流动沸腾传热

利用纳米流体增强微通道流动沸腾传热是提高高功率电子设备传热性能的有效方法。然而,传统的纳米流体面临制造过程复杂、稳定性差以及无法控制纳米颗粒尺寸的挑战,对整体传热效率产生负面的影响。开发了一种简单的微流控合成策略,能够以连续、高效和高通量的方式制备高度稳定且尺寸可控的二氧化硅纳米流体。特别设计的螺旋微通道反应器仅需通过流速调节,便可实现连续流一步法合成具有30~110 nm可控粒径的稳定纳米流体。流动沸腾传热实验结果表明,在较高的流速下(0.4 m/s),较小尺寸的纳米颗粒(≤55 nm)的传热性能优于较大尺寸(110 nm)的纳米颗粒,对于临界热通量(CHF)和传热系数(HTC)的增强分别达到90.9%和68%。沸腾表面润湿性的提高、表面高效成核以及改善的汽泡动力学特性为传热性能的强化提供了理论解释。这些发现不仅为纳米流体的可控制备提供了新方法,还为航空航天、电力电子等功率器件的高效两相芯片冷却提供了新思路。

R134a及其替代工质R513A在微通道管中的流动沸腾实验研究

研究了R134a及其替代工质R513A在微通道管内流动沸腾时,干度、饱和温度、热流密度、质量通量对传热系数与压力梯度的影响,并横向对比了2种制冷剂在同一工况下的差异。测试工况覆盖了干度0~1,进口饱和温度10~30℃,热流密度2~8 kW/m^(2)和质量通量100~200 kg/(m^(2)·s)。结果表明:饱和温度对R134a的传热系数几乎无影响,对R513A的传热系数有轻微影响,高饱和温度下,制冷剂压力梯度更低。热流密度对二者的传热系数影响均很显著,当传热系数增至4倍,传热系数极值增幅超过30%,低干度下传热系数增幅超过80%;但对压力梯度影响不显著。质量通量对制冷剂在中间干度时影响较显著,且高于热流密度的影响,其翻倍后传热系数上升超过50%,同时质量通量对压力梯度影响巨大。横向对比R134a与R513A相同工况下流动沸腾特性不同,R513A的传热系数较高且压力梯度较低。

水在竖直矩形窄通道内流动沸腾传热特性的数值研究

针对应用于升膜式换热器的竖直矩形窄通道内的流动沸腾传热特性进行了数值模拟研究,明确了通道内流动沸腾各阶段的传热特性,为设计高效的换热设备提供参考。建立了尺寸为1400 mm×250 mm×3 mm的竖直矩形窄通道模型,采用多相流VOF模型,获得了不同高度通道中的温度、汽相和流速分布。对两相流动划分了子区域,对气泡运动进行了分析。结合流型,对各子区域的传热特性及影响因素进行了定量分析。结果表明:流动沸腾过程中流型主要包括气泡流、弹状流、块状流和搅拌流;入口温度的提高可以加强部分发展的核态沸腾阶段的局部换热,而对于完全发展的核态沸腾阶段影响较小;质流密度的增大会削弱核态沸腾初始阶段的换热,但对于距离汽化核心较远的区域,换热则会增强;不同区域的传热特性随干度的变化趋势不同。

凸台板式换热器流动沸腾的数值研究

使用Fluent仿真软件对凸台板式换热器水侧的流动沸腾换热机理进行了数值模拟研究。结果表明:流动沸腾换热伴随着汽泡的生成、长大、合并和破裂等过程,沸腾换热系数随着入口流速的增加而增大,最佳流速为0.125m/s。相对于最低流速,沸腾换热系数提高了96.6%-102.3%。但是,随着流速的增加,含气率明显降低。如果想要得到更多蒸汽,需要降低流速,并考虑凸台板式换热器末端干涸现象,以防止传热恶化。在凸台板片的凸台间距为18mm时,流动沸腾换热系数最佳。

轮毂电机螺旋通道流动沸腾散热的应用与分析

为应对分布驱动式纯电动汽车轮毂电机的温升问题,文章采用了一种新型的螺旋通道流动沸腾散热的方式进行散热,并运用Fluent软件对其散热特性进行了仿真分析。选取10 kW的永磁同步轮毂电机作为研究对象,根据轮毂电机在峰值工况下的运行情况,对冷却液为R134a的螺旋通道流动沸腾散热与水冷散热进行有限元仿真分析,以流速和沸点为变量,对螺旋通道流动沸腾散热特性进行研究。研究结果表明,螺旋通道流动沸腾散热效果与流速呈正相关,与沸点呈负相关的关系,当R134a的沸点控制在8℃时,螺旋通道流动沸腾散热效果要优于水冷散热,并且这种优势随着流速的增加变得更加明显。因此,采用新型散热方式对降低轮毂电机温度、提高轮毂电机性能有着重要意义。

多孔针肋阵列结构流动沸腾换热特性实验研究

高热流下微通道流动沸腾不稳定性易导致沸腾极限的提前发生。为进一步提升性能,此研究针对改进的烧结针肋阵列结构,以去离子水为工质,进行过冷流动沸腾换热实验对比研究,进口水温维持在60℃,针肋结构采用30、90与150μm球形铜粉烧结而成。研究发现:颗粒尺寸对针肋结构内流动沸腾的换热系数和临界热流密度q_(CHF)有显著影响,在质量通量为52 kg·m^(-2)·s^(-1)下,150μm粒径样品综合性能最优,高热流时壁面过热度相对最低,q_(CHF)可达到134W·cm^(-2)。可视化研究发现:较大粒径样品具有较低的压力幅值并且压力脉动曲线更为有序,从而提升微通道的沸腾换热性能;增加质量通量可使干湿区域分界线后移,保证后半段的充分供液,可大大降低流动沸腾的不稳定性。结果表明烧结针肋阵列结构在提升流动沸腾性能方面具有极佳的潜力。

基于数据驱动的蒸发器中流体流动沸腾传热性能预测方法

为了准确预测蒸发器中流体流动沸腾传热性能,基于实验数据驱动,采用机器学习中多层感知器(MLPN)为通用逼近器,粒子群算法(PSO)用于优化网络权重和偏置,建立PSO-MLPN模型预测12种流体流动沸腾传热特性。神经网络输入参数包括管内径、质量流密度、热流密度、气相质量分数、液体物性参数组合和其他参数(Martinelli数,摩尔质量和汽化潜热),输出参数为流动沸腾传热系数。网络隐藏层数和神经元数由模型精度和灵敏度分析决定。结果表明,预测值与实验值的平均绝对误差、均方根偏差和决定系数分别为3.74%、10.09%和0.984,其中约90%数据的偏差在±20%以内,与传统经验关联式对比也证明了预测模型的优越性。研究提出的PSO-MLPN模型可为今后两相流传热性能研究提供参考,并可用于实际蒸发器设计优化。

R245fa在丁胞型扁管内流动沸腾传热和压降特性的实验研究

实验研究了丁胞型扁管内R245fa的流动沸腾传热和压降特性,重点分析了干度和热流密度的影响。实验结果表明:随着干度的增大,表面传热系数呈先增大后减小的趋势,并且表面传热系数最大位置处对应的干度受热流密度的影响。当热流密度为2、5、10 kW/m2时,表面传热系数分别在干度为0.35、0.40、0.45时达到最大值,随后逐渐降低。增大热流密度对摩擦压降的影响很小,但有利于提升表面传热系数。分析表明,表面传热系数随着干度的增大而降低是由于核态沸腾受到抑制所致。对比R245fa和R134a的实验结果发现,干度和热流密度对表面传热系数的影响不同。此外,在相同工况下,R245fa和R134a的表面传热系数比值在0.64~1.31之间。

垂直圆管内液氮流动沸腾的理论模型及数值模拟

分析了液氮流动沸腾过程中气液两相间动量、能量以及质量的传输规律,建立了相应的理论模型,新模型重点修正了界面面积浓度和气泡挣脱直径的计算式;采用新建立的理论模型作为封闭方程对CFX-4.3中内建的双流体模型进行了修正,并采用修正后的双流体模型模拟了液氮在垂直圆管内的流动沸腾过程.数值模拟的结果与文献中的实验数据吻合较好,证明了本文所建模型的合理性.通过数值模拟发现,两相流参数分布的不均匀性对液氮流动沸腾过程中的热质传输特性有重要影响.