脉动热管强化传热技术研究进展

脉动热管作为一种高效的换热设备,以其独特的优势有望应用于能源及化工设备的强化换热领域。首先综述了热管结构和工质对脉动热管强化换热的影响,其次整理了脉动热管理论研究和数值模拟的最近研究进展,最后给出了当前亟需解决的关键问题,为脉动热管技术后续研究提供了借鉴思路和方向。

室外造雪机用核子器雾化性能规律实验研究

为研究国内室外造雪机组重要雾化器件核子器的雾化规律,以空气和水为介质,利用高速摄像机和激光粒度分析仪研究了国产KBJD-1型号核子器的索特平均直径、雾化流量和雾化锥角等性能指标的变化规律。结果表明:索特平均直径随供气压力的增加呈指数减小,随供水压力的增加呈指数增加,且随着气液压力比的增大,粒径的变化率逐渐降低;在相同供水压力1.0 MPa、不同供气压力0.3~0.8 MPa的实验工况下,雾化流量与供气压力为负近似线性相关;雾化锥角随着供气压力的增大先增大后减小,在供气压力达到约0.55 MPa时,雾化锥角达到最大值。

室外造雪机用旋流喷嘴雾化性能实验研究

喷嘴作为室外造雪机成雪过程重要的雾化部件,是决定成雪速率和成雪量的关键。本文针对国产室外造雪机用旋流结构喷嘴,搭建了通用的雾化性能测试装置,研究了供水压力对喷嘴雾化效果和液滴与环境换热表现的影响。结果表明:旋流结构喷嘴雾化过程的低压段,流体呈空心纺锤状,其锥角随压力变化显著,雾化效果较差;而高压段流体呈空心锥状,锥角相对稳定;雾化稳定后,喷嘴的流量随压力进一步提高,索特平均粒径(Sauter mean diameter,SMD)则逐渐降低,雾化锥角稳定在约76°;同时压力升高可缩短喷雾换热至环境温度的时间,表现为更高的热传递效率。研究结果可为高性能雾化部件结构设计提供理论支撑。

冷却温度对平板脉动热管传热特性影响的试验研究

为了探究冷却温度与脉动热管传热性能的关系,以氟代醚HFE-7100,HFE-7300和HFE-7500为工质,改变冷却水浴温度及加热功率,试验研究了加热功率与冷却温度对脉动热管传热的综合影响。结果显示,沸点更低的HFE-7100及HFE-7300脉动热管在30~50 W成功启动,适用于低加热功率,而沸点更高的HFE-7500适用于高加热功率(110~170 W);当给定加热功率或冷却温度时,分别存在一个最佳冷却温度或加热功率使得脉动热管传热性能最优,因此应根据脉动热管的加热功率及运行温度区间合理选择工质。氟代醚脉动热管受冷却温度的影响较大,高冷却温度下过渡时间明显增加;受沸点影响,HFE-7500过渡时间变化相对较小。高加热功率下,冷却温度对脉动热管的影响减小,过渡时间也减少。低加热功率配合较高冷却温度及高加热功率配合较低冷却温度均可使脉动热管达到最佳运行状态,不同的是低加热功率下脉动热管的最佳运行区间较小,高加热功率下最佳运行区间增大。

造雪机用旋流式喷嘴的雾化性能研究

喷嘴的流量、雾化锥角、雾化粒径等是决定室外造雪机成雪过程的重要因素。针对国产室外造雪机用旋流式喷嘴,本文基于VOF方法和RNG k-ε湍流方程建立了雾化模型,对水在喷嘴内的雾化过程进行研究,分析了入口压力和喷嘴内壁面光洁度对雾化效果的影响。结果表明:雾化锥角和液膜厚度对入口压力变化的敏感性较弱;雾化粒径随入口压力的增大而减小,粒径减小的主要原因是流体速度增加,液膜不稳定性增强,增强了液滴的二次破碎;喷嘴内壁面光洁度减小,雾化产生的空气涡减小,水雾化锥角减小,但有助于获得较大的雾化流量。

造雪机用旋流喷嘴雾化特性的模拟研究

旋流喷嘴作为造雪机关键部件,其雾化效果直接影响成雪效果。为进一步探索旋流喷嘴雾化特性,基于VOF to DPM模型,建立旋流喷嘴雾化的数值模型,对旋流喷嘴进行三维数值模拟。研究不同入口压力对液滴粒径、液滴速度等雾化特性的影响,并通过实验验证了模型的准确性。结果表明,喷雾充分发展后,索特平均粒径随入口压力的增大而减小,入口压力增大,增强了液体和空气之间的气动不稳定性,促进了液体的破碎分解,缩短了液体所需破碎时间;液膜和液滴速度都随着入口压力的增大而增大,当入口压力由0.6 MPa增大到1.4 MPa时,出口液膜和液滴速度分别增加58.8%和52.2%;在破碎过程中,动能转化为表面能,会使液体速度发生削减。

非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质(HFE-7100和水),其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质,HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明:相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/d T)sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。

过热/过冷对内回热有机朗肯循环影响的热力学分析

内回热是简单有效提高有机朗肯循环(ORC)效率的基本方法。由于循环过程的改变,使循环的热力学规律发生了变化。以R245fa为工质,对回热器的回热过程和机理进行了深入分析,提出了基于对数传热温差的内回热器性能计算方法,并利用热力学分析方法,分析了过热温度、过冷温度对内回热有机朗肯循环(IHORC)性能的影响。研究结果发现,内回热减少了循环的蒸发负荷和冷凝负荷,提高了循环效率。随着过热温度的增加,循环效率和膨胀机输出功均几乎呈线性增加。根据循环过冷温度大小,过冷分为一般过冷和深度过冷两种情况:一般过冷时,随着过冷温度的增加,虽然回热器的换热量和换热效率逐渐升高,但是,循环效率逐渐降低,蒸发负荷、冷凝负荷逐渐增加;深度过冷时,循环效率、回热器换热量、回热器效率快速增加,蒸发负荷和冷凝负荷快速降低,回热器能量回收作用开始突显。一般过冷与深度过冷的临界点是回热器出口蒸气干度,当干度小于1时进入深度过冷状态。内回热过程的"回热量"受限于乏气工质的放热量,因此,内回热循环适用于蒸发冷凝温差大、过热和深度过冷工况。

正火预处理对脉动热管启动时间的影响

启动时间是脉动热管的重要性能指标,与管内壁的表面结构及工质润湿性密切相关。本文分别采用氧乙炔、钎焊炉正火与马弗炉500℃保温5h、480℃保温9h退火等4种处理方式对脉动热管进行预处理,观察了热管的内表面结构,测试了工质在相应表面的润湿性,并与未经处理的脉动热管内进行了对比,分析了脉动热管内表面性质对启动过程的影响机理。以几何参数相同的脉动热管为对象,以无水乙醇为工质,在50%充液率、垂直底部加热的条件下针对氧乙炔正火预处理前后的脉动热管的启动性能进行了对比实验。结果显示,经氧乙炔正火预处理后的脉动热管,工质在管内壁面的润湿性得到改善,热管的启动时间缩短且加热功率越小影响越大,在加热功率30W时启动时间缩短了74s。

SDBS对铜-水脉动热管启动及传热性能影响

脉动热管工质气泡的产生、脉动、分裂、合并是脉动热管运行特性的重要影响因素。而表面张力是气泡产生、脉动、分裂、合并运行规律的重要影响参数。以表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)为溶质,以去离子水为基液,配制了质量分数为0.001%、0.005%和0.009%的3种溶液。测试发现表面活性剂的添加对水的表面张力改变较大,浓度为0.005%时表面张力降低了42.2%,而对水的比热容、密度、黏度影响较小。在自行设计搭建的脉动热管传热性能实验台上,对比实验测试了在不同浓度、不同加热功率下表面张力对脉动热管启动及传热性能的影响规律。研究结果发现:表面活性剂可以减小脉动热管启动时间,在低加热功率条件下(≤90 W),0.001%SDBS水溶液的启动时间最快,最快比水快了11.2%;而在大功率加热条件下,SDBS的添加对启动时间影响较小。而且表面活性剂可以改变脉动热管传热性能,使其热阻出现不同程度的减小。

CPC微通道太阳能集热器运行特性实验系统设计

提出了一种以平行流微通道为吸热器的复合抛物聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)太阳能集热器,设计并搭建了此集热器运行特性的实验测试系统,该系统由CPC微通道太阳能集热单元、恒温水循环系统、测试及数据采集系统组成。为了验证微通道平行流扁管对非均匀热流密度的均化作用,开发了微通道管内温度测试模块,实现了微通道平行流扁管11个通道管内进出口温度的测试。基于LabVIEW虚拟仪器软件开发了集热单元运行参数实时采集及处理程序,实现了集热器性能的实时记录和测试。

直膨式双源热泵运行特性实验系统设计与应用

设计并搭建了以微尺度平行流换热器为太阳能集热/蒸发器的双源热泵热水器运行特性测试实验系统。实验系统由压缩机、微尺度平行流太阳能集热/蒸发器、毛细管、盘管式冷凝储热水箱以及实验数据采集系统组成。利用LabVIEW虚拟仪器软件开发了热泵运行参数采集及运行特性分析软件,实现了热泵系统压力、温度等参数的实时采集,同时进行了热泵系统运行状态参数(温度、压力、焓、过热度、过冷度等)和运行性能(性能系数COP、蒸发器换热量、冷凝器换热量、水箱得热量、输入电功率等)的实时计算。同步数据采集及后处理软件开发可以实时观察热泵系统动态运行特性,有利于对热泵运行机理的理解。

“冰雪魔术”变水成雪:人工造雪技术

“三亿人上冰雪”目标的初步实现和北京冬奥会、冬残奥会的成功举办,将人们对冰雪运动的热情推向最高潮,然而冰雪运动的进行高度依赖于当地气候条件和雪资源.受全球气候变暖的影响,人工造雪技术成为保障冰雪运动项目和产业发展的前提条件.人工造雪技术是人为创造成雪环境的制冷技术,原理简单但工艺过程复杂,对环境条件依赖性很高,其成雪本质与自然成雪一致.