基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性

通过实验研究了基于碳纳米管（CNTs）的含油纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和碳纳米管组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了碳纳米管对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响。实验中采用了外径为15~80nm、长度为1.5~10μm的四种碳纳米管。实验的饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油（碳纳米管和润滑油的混合物）的质量分数为0~5%;在纳米油中碳纳米管的质量分数为0~30%。实验结果表明：碳纳米管增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加61%。当纳米油中碳纳米管浓度为20%不变,纳米油浓度由1%提高到5%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%降低至23%~55%;当纳米油的浓度为1%不变,纳米油中碳纳米管浓度由20%提高到30%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%升高到33%~61%。通过实验获得了基于碳纳米管的含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式的预测值与96%的实验数据偏差在±10%以内。

蒸发温度对强化换热管管外核态池沸腾换热性能的影响

对R134a在水平强化管（Φ25 mm）外核态池沸腾进行了实验研究。通过Wilson图解法求得管内换热准则关系式,通过改变蒸发温度（5.6℃,0℃,-2℃,-4℃,-6℃,-8℃）和热流密度（4-55 k W/m^2）,得到了管外沸腾换热系数随热流密度和蒸发温度变化的规律。实验表明,管外沸腾换热系数随着热流密度和蒸发温度的升高而增加。结合实验数据,提出了一个新的管外池沸腾换热关联式,该关联式与实验数据点的偏差显示,95%的数据点的相对误差在±20%以内。

含油金刚石纳米制冷剂的核态池沸腾换热特性

研究了含油金刚石纳米制冷剂(即由制冷剂R113、润滑油VG68和金刚石纳米颗粒组成的纳米流体)的核态池沸腾换热特性,分析了金刚石纳米颗粒对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响.实验中饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10～80 kW/m2;纳米油(纳米颗粒和润滑油的混合物)的质量分数为0～5%;在纳米油中金刚石纳米颗粒的质量分数为0～15%.实验结果表明:金刚石纳米颗粒增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加63.4%,并且增加幅度随纳米油中纳米颗粒质量分数的增加而增加,随纳米油质量分数的降低而增加.开发了含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式预测值与94%的实验数据偏差在±20%以内.

过冷核态池沸腾中的Marangoni效应

分析了过冷核态池沸腾过程中气泡横向运动现象,指出其成因在于相邻气泡界面温度差引起的Mara- ngoni对流对周围液体的吸引.通过对该流动的尺度分析,得到了气泡横向运动特征速度及其可观测度的估算公式,其预测结果与实验观测相一致.特别是对极细小的初始核化气泡,该公式预测了强烈的横向Marangoni对流会导致气泡顶端微射流的形成.该效应在加热面水平向下或微重力沸腾等气泡脱落频率较低的情形中尤为重要.

核态池沸腾传热现象中的重力标度规律

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特别对基于地基短时失重飞机准稳态沸腾实验结果提出的Raj-Kim-McQuillen重力标度律模型(RKM模型)进行了详细评述,讨论了其中关于核态池沸腾曲线起、止端点(沸腾起始点和临界热流点)及其渐近性能的基本假设和隐含假设.通过与经验知识(包括实验观测数据和数值模拟结果)比较,明确了RKM模型的贡献与不足,建议了进一步的低重力实验和深入系统的数值模拟等,以推进该领域研究深入开展.

乙烷核态池沸腾中的气泡生长、脱离和上升

利用高速摄影仪对乙烷在水平铜表面饱和核态池沸腾中的气泡行为特性进行了实验研究,并开展了理论分析,实验测量压力为0.2 MPa,热流密度范围为14.65~80.79 kW m^(-2).实验中观测到气泡的生长、脱离和上升过程,得到单个气泡的生长周期,同时绘制出单个气泡生长周期内的直径变化曲线,并将其分为快速、慢速和稳定增长3个阶段,且气泡直径与时间呈幂函数关系.鉴于其分段特性,推荐采用分段预测模型.发现了气泡脱离直径及频率随热流增大而增大,气泡脱离形状随热流增大而呈现球型、椭球型和不规则形状的变化.还观察到气泡合并,轨迹变化,附加运动和流型变化等现象,并分析讨论了其形成机理,发现系统压力、加热壁面性质液体物性对气泡的行为特性有较大影响.相比文献中的常温液体,乙烷气泡生长周期有差异,其脱离形状有椭球型及不规则形状,且气泡上升轨迹变化相对简单.

石墨烯纳米制冷剂核态池沸腾换热的实验研究

为分析单层石墨烯纳米片对核态池沸腾换热的影响机理,对基液为R141b、分散相为单层石墨烯纳米片的纳米制冷剂的核态池沸腾换热特征进行了测定,采用Hot Disk热物性分析仪和铂金板法分别测定了石墨烯纳米制冷剂的热导率和表面张力,采用接触角测量仪和扫描电子显微镜(SEM)观测了沸腾后加热表面的润湿性和形貌特征。实验中,单层石墨烯纳米片的质量百分含量(ω)为0.02%~0.50%,实验压力为一个标准大气压,热流密度为20~200 kW/m^2。实验结果表明:单层石墨烯纳米片的加入,使制冷剂R141b的核态池沸腾换热得到强化;当ω=0.2%时,换热系数提高比例出现峰值,为57.7%。伴随ω的增加,石墨烯纳米制冷剂的热导率增大、表面张力减小,沸腾表面润湿性增强且微腔数先增后减,综合作用的结果导致存在一个最佳的单层石墨烯纳米片浓度(即ω=0.2%)使换热系数最高。

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符。

Y型三维微肋管管外池沸腾传热特性

为了提高换热管的传热效率,选用1根光滑管和2根不同肋间距的Y型三维微肋管进行了R410A的管外池沸腾传热实验。研究发现,受气泡行为的影响,Y型三维微肋管的管外传热系数随热流密度升高而降低,传热强化效果削弱并逐渐趋于光滑管;提高饱和温度和肋间距可以增大管外传热系数,但在高热流密度下,饱和温度对管外传热系数的影响不大;与其他商用强化管相比,2根Y型三维微肋管的传热系数在热流密度在低于25 kW/m^(2)时更具优势,但在热流密度高于45 kW/m^(2)时强化倍率较低。为了预测Y型三维微肋管的管外表面传热系数,拟合了一个传热关联式,该关联式92.62%的计算值与实验值相对误差不超过30%。

微重力池沸腾现象中的汽泡行为特性

本文对准稳态加热条件下的微重力核态池沸腾中的汽泡行为特征进行了实验研究,分析了初始核化过程、汽泡数密度、汽泡尺寸及其运动速度等的变化趋势,探讨了过冷度及加热历史等因素对相关特性的影响.实验发现。微重力条件下汽泡生成后沿加热面不停地移动;原生汽泡会聚合形成大汽泡,大汽泡不断捕掠小汽泡而长大,直到大汽泡覆盖整个加热面;汽泡生长速度随过冷度增加而变慢.

单气泡池沸腾传热中的重力效应数值模拟

本文数值模拟了不同重力条件下饱和状态的FC-72在厚度5 mm的SiO2固壁上的单气泡池沸腾传热现象及相应的气泡动力学和传热性能。固壁底面给定均匀过热度10 K,其瞬态热响应被考虑在内。通过多个气泡周期的计算,得到了准稳态的沸腾过程。结果表明,在小热流密度下,气泡脱落直径Db反比于重力的1/2次方,且与Fritz模型一致;气泡脱落频率f则正比于重力。传热特性存在2个明显不同的区域,即重力相关区和重力无关区,其分界位置约为0.03g0:高于该临界重力时,热流密度与重力相关,恒定过热度下热流密度与重力呈确定的指数函数关系;小于该临界重力时,热流密度与重力无关。临界重力值对应于基于Laplace长度的无量纲加热器长度约2~3之间,与Raj-Kim-McQuillen重力标度模型建议的2.1相近。重力相关区标度指数随着过热度增大而单调增大,但明显大于Raj-Kim-McQuillen重力标度模型预测结果。研究结果还表明固壁瞬态热响应对重力无关区传热性能的影响比重力相关区更为明显。

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究

微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究项目是实践十号返回式卫星科学实验任务之一,主要关注微重力池沸腾过程中孤立生长气泡周围局部流动与传热机理.目前,实验装置SOBER-SJ10正样产品已完成研制和地面测试,并开展了一系列地面对比实验.地面实验结果表明设备工作正常,性能指标达到设计要求.地面实验结果表明过冷度对起始沸腾过热度影响甚微.空间飞行实验将于近期进行,其结果将加深对沸腾传热机理的认识.

微重力池沸腾传热实验研究

本文实验研究了平板加热面FC-72液体的准稳态池沸腾传热现象,利用地面常重力实验、SJ-8卫星搭载微重力实验等手段,分析了不同重力、压力及过冷度条件下平板加热面上的池沸腾传热特性。微重力条件下,相近压力或过冷度时,传热系数和CHF随过冷度或压力增大而增大。相对常重力,传热曲线明显变缓,沸腾起始时的壁面过热度降低,CHF仅为常重力的40%或更低。

替代工质HCFC123管外沸腾换热实验研究

对替代工质HCFC123在光管、机加工多孔表面强化管水平单管外池沸腾换热进行了实验研究,实验沸腾饱和温度分别为5℃、8℃和10℃。得出了强化管外沸腾换热系数随热流密度、沸腾压力的变化规律并整理成实验关联式,通过实验可得出强化管的强化换热效果良好,强化倍率在4.56～4.18之间。对CFC11也进行了同样实验,并把二者沸腾换热特性进行比较,强化管外HCFC123比CFC11沸腾换热系数要低8%左右。

不凝结气体对多壁碳纳米管传热表面池沸腾性能的影响

为揭示不凝结气体对多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotube, MWCNT）纳米结构表面核态池沸腾过程的影响，使用气体沉积法（chemical vapor deposition, CVD）在硅表面制作MWCNT纳米结构表面，并使用光滑硅表面进行对比实验研究。实验操作中，将驱气前后的工作液体应用于两种表面的池沸腾实验，传热表面过热度控制在0．O～35．0℃，工作液体过冷度分为40．0和50．0℃。实验结果表明，液体中含气量的变化对MWCNT纳米结构表面影响较小，而对光滑硅表面的影响较大；对比硅表面，MWCNT纳米结构表面能够有效提升沸腾传热效果，对于驱气后的工作液体提升效果更为明显。

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6 s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究,分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征.实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10 mm×10 mm×0.5 mm),以含气率0.0046(气液摩尔分数比)的FC-72作为工质,利用恒流源对加热片通电加热.通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知,经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征.相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内,表明重力对气泡生长早期影响较小,但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.