制冷剂瞬态喷雾冷却表面传热特性

喷雾冷却在工业工程中应用广泛,其表面相变传热过程非常复杂,需要开展深入研究揭示其机理与规律。以R134a、R407C及R404A制冷剂为工质开展瞬态喷雾冷却表面相变传热特性实验研究,提出了表征冷却表面内部导热阻力与喷雾表面对流传热阻力之比的喷雾Biot数,以及表征瞬态喷雾冷却最大热通量及其出现时刻的量纲1 Reynolds数Re_l和Fourier数Fo_l。将Jakob数Ja与Re_l及液滴Weber数We关联,提出了最大热通量及其出现时刻的通用量纲1关联式。发现不同制冷剂的瞬态喷雾冷却过程具有相似性,得到了热通量随时间变化的量纲1关联式。利用上述关联式对喷雾表面瞬态温度进行模拟,结果与实验结果吻合较好,证明了关联式的准确性。     

基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统热力性能分析

热泵蒸汽技术相比电锅炉及燃煤、燃气锅炉制取蒸汽，具有更高的一次能源利用效率，并且不产生CO₂和NO_x，符合我国节能环保发展战略。本文提出一种基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统，采用两级冷凝直接制取低压蒸汽，再通过蒸汽压缩升压至0.7MPa。并基于EES软件建立数值模型，分析冷凝温度T_cond、蒸发温度T_evap、经济器温度T_econ、喷气率β_g对冷媒压缩机功耗W_refri、蒸汽压缩机功耗W_vapor和系统能效系数COP的影响。结果如下：基于蒸汽压缩的热泵蒸汽系统，制取165℃的饱和蒸汽，在T_evap为50℃、T_cond为93℃时，系统COP为2.996，制取1t蒸汽消耗功率仅为247kW·h；系统COP随T_evap的升高逐渐增大，但是T_evap的升高需要更高的热源温度；蒸发温度不变时，系统存在最佳的T_cond、中间冷却温度T_econ和喷气率β_g，当蒸发温度T_evap为50℃，最佳冷凝温度T_cond为93℃时，最佳经济器温度T_econ为65℃，最佳喷气率β_g为0.13。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）、丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶（TFTC）热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶（FTC）和片状热电偶（STC）属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。     

气淬高温熔渣颗粒运动和换热特性的数值分析

建立了高炉渣颗粒运动与换热过程的数学模型，利用FORTRAN语言编写程序，通过四阶Runge?Kutta方法求解其动力学和传热方程，计算时充分考虑熔渣与冷却空气主要热物性参数随温度的变化，采用温度回升法计算熔渣凝固过程释放的潜热，提出在气淬空气中添加喷雾强化熔渣冷却，考察了渣粒尺寸对换热过程的影响。结果表明，飞行过程中渣粒速度受气淬空气影响先增大后减小；温度降低趋势随运动距离增加而减小，主要受对流换热系数影响，凝固过程持续时间较短；喷雾使渣粒在飞行过程中整体冷却速率明显升高，最终温度明显降低，而对熔渣的运动影响较小；相同初始工况下，熔渣粒径越小，运动越易受流场影响，渣粒整体冷却速率较高，换热效果越好。     

铝基Al2O3纳米多孔表面大容积池沸腾实验

目前微电子器件不断地向高密度、微型化、功能化方向发展,散热问题是制约技术进一步发展的瓶颈.本文拟利用纳米多孔表面优良的相变传热特性,解决电子器件微型化散热难的问题.文中以铝基Al₂O₃纳米多孔薄膜为传热表面,以去离子水为工质,常压下对其大容积池沸腾下的传热性能进行了实验研究.实验结果表明:与光滑表面相比,Al₂O₃纳米多孔表面在核态沸腾时汽化核心密集,产生汽泡体积小、数量多并能提高铝基传热表面的传热系数2～5倍,且能够在长时间内维持其较高的传热系数;以纳米多孔表面作为传热表面,可以有效降低微电子原件表面温度3～5℃,在核态沸腾阶段能够降低30℃以上,很好地起到了降低电子元件表面温度的作用.实验结果对微电子冷却有重要的参考作用.     

具有不同孔隙率多孔介质内的蒸发特性

制作了具有3种不同孔隙率（0.85、0.75和0.60）的多孔镍粉样本，并进行了毛细抽吸实验和蒸发冷却实验（包括稳态冷却实验，初始状态为干态和湿态的冷却实验），以探究多孔介质抽吸和蒸发过程规律。毛细抽吸实验发现孔隙率大的镍粉样本抽吸速率更快，且根据毛细单管抽吸实验和毛细抽吸理论分析结果表明：孔隙率大的镍粉样本具有更大孔径是其抽吸速率更快的根本原因。稳态冷却实验结果表明孔隙率0.85的镍粉样本具有最快的蒸发速率，0.60镍粉样本蒸发速率最慢，这是受到多孔样本抽吸速率主导的结果。在初始干态冷却实验中，孔隙率为0.85的镍粉样本具有最大的瞬态冷却热通量，但要达到最大冷却温度幅度须取得瞬态冷却热流与冷却时间的平衡，因此孔隙率0.75样本冷却温度幅度最大。在初始湿态实验中，孔隙率为0.85的镍粉样本具有最高的烧干温度和最长的烧干时间，表现出最强的抗烧干性能，但是孔隙率0.75样本剧烈蒸发过热度最小且剧烈蒸发时间最长，最能有效抑制样本热端温度升高。     

环戊烷-甲烷水合物生成过程的温度特性

研究了环戊烷-甲烷水合物生成过程中的温度变化,分析了体系的热量损失。在不同初始温度(4℃、8℃和12℃)、压力(2MPa、4MPa、6MPa、8MPa和10MPa)和进气方式(一次性进气、连续进气和间歇进气)的条件下,测定了釜内温度,对比了以上各因素对釜内最高温度(T_max)与釜内最大温升(ΔT_max)的影响。实验表明,T_max主要受压力和进气方式影响,初始温度对其影响不明显;ΔT_max受初始温度、压力和进气方式影响显著。在间歇进气方式下,初始温度越低、压力越高,ΔT_max越大。其中,在初始温度为4℃、压力为10MPa、进气时间间隔为30min的间歇进气方式下,ΔT_max可达16.5℃。此外,由热量分析发现,体系的主要热量损耗表现为体系向环境中的散热。因此,提高保温层的绝热性能,有利于提高水合物生成热的热量有效利用率。     

蒸汽加热垂直矩形窄通道传热特性实验研究

以去离子水为工质，对1 400 mm×250 mm×2.75 mm的蒸汽加热垂直矩形窄通道展开沸腾传热特性实验研究。结果表明：质量流量变化对于平均传热系数的提升效果弱于入口温度的改变，窄通道内的传热机理以核态沸腾为主导因素；加热功率的提升对平均传热系数有促进作用，但是过大的干度会导致传热恶化，核态沸腾受到抑制，平均传热系数的增长受限；将实验数据与8个传热经验关系式对比，Kandlikar公式相较于其他公式的预测效果最好，并以Kandlikar公式为基础改进拟合了新的经验关系式，改进后的关系式与实验数据吻合良好，97.3%的数据预测误差在±40%以内。实验结果为板式换热器的评估和优化提供实验依据。     

喷雾冷却中液滴撞击带气泡液膜的数值模拟

在喷雾冷却过程的核态沸腾区,液滴与液膜及液膜内气泡的撞击对过程传热有重要影响。本文建立以水为冷却工质的单液滴撞击带气泡液膜的二维数值模型,模拟研究过程现象和传热规律。结果表明,We为6.94、量纲为1的液膜厚度为0.5（对应液滴速度0.5m/s、液膜厚度1mm）时,撞击过程中液膜扰动不显著、运动形态近似波纹;当We增大到111.11（对应液滴速度2m/s）时,撞击过程中液滴与液膜接合处的表压达到6000Pa,成为颈部射流现象的推动力,并逐步发展形成冠状水花;撞击过程中气泡的存在会阻碍液滴与加热表面的直接接触,但随着气泡的破裂,液滴与加热表面直接接触换热,使撞击点附近表面传热系数远大于其他区域,提高了传热能力,且液膜厚度越小、液滴速度越大,表面传热系数峰值越高。研究结果可为喷雾冷却系统的进一步研究提供理论依据。     

A MATHEMATICAL MODEL FOR THE HEAT AND MASS TRANSFER ON A FLAT PLATE UNDER FROSTING CONDITIONS

Processes in which heat is transferred to a cold surface with the simultaneous deposition of frost are important in a variety of refrigeration installations. As the frost layer grows, the heat transfer is affected in part because of the insulating effect of the frost. This can adversely affect the performance of cooling coils and plate freezers in domestic and industrial refrigeration installations. Previous studies indicate that the initial frost deposits are desirable since the rough frost surface acts as fins, thus temporarily increasing the heat transfer rate. The overall process is characterized by its time-dependent nature, especially during the early deposition periods. The work reported here attempts to examine this transient phenomenon by mathematically modeling the frost formation and heat transfer processes on plate freezers held at subfreezing temperatures. This will be achieved by combining three limiting solutions to the unsteady governing equations of the air-frost boundary layer in order to be able to draw an overall picture for the frost formation and heat transfer mechanisms with time.     

数据中心冷却系统多级传热温差分析

数据中心冷却系统将IT器件的产热散发到室外环境中去要经过多级传热,本文采用与温差的方法对多级传热进行分析,结论如下：数据中心冷却为在一定温差ΔT驱动下利用载体将芯片散发的热量搬运到室外的过程,过程中存在着热量采集/传热温差ΔT₁损失以及冷源系统排热温差ΔT₂损失;通过减小芯片散热损失,降低气流掺混损失与换热器损失,降低总传热温差ΔT,实现空调系统充分利用自然冷源,运行在完全自然冷却区;当空调系统在完全自然冷却区域运行热管模式时,重力热管COP最高,液泵热管次之,一般高达40～80,甚至超过400,气泵热管最低,并且气泵是现有制冷压缩机COP最高点,可达15～30;当室内外温差小于ΔT₂时,利用补偿温差原理使得制冷循环更加接近热管循环,实现制冷系统最低能耗运行,为数据中心冷却系统节能减排优化提供新的方法。     

Heat-Transfer Intensity in Boiling of Binary Mixtures of Hydrocarbons

A review of experimental studies of the heat-transfer intensity and the evaporation mechanism in boiling of binary mixtures of various organic compounds is presented. The main features of the evaporation mechanism are considered using the saturation temperature versus concentration phase equilibrium diagram at constant saturation pressure. It is demonstrated that the characteristic change in the heat-transfer coefficients in boiling of binary mixtures is determined by a feature of the mechanism of the heat transfer from the heating surface.     

T型翅片板喷淋式降膜蒸发器传热性能研究

采用喷淋降膜蒸发形式，将蒸发器的传热面用机械线切割方法加工成Ｔ型翅片板。对这种蒸发器进行了传热性能的研究，并与池式光板进行传热性能对比，实验结果表明，Ｔ型翅片板降液膜蒸发能在低温差下维持沸腾且有较高的给热系数。同时对沸腾传热的强化机理也进行了研究，并探讨了Ｔ型翅片板喷淋降液膜蒸发器具有优良传热性能时主要原因。     

新型喷嘴R404a闪蒸瞬态喷雾冷却传热特性

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却在激光治疗血管性皮肤病手术中得到广泛应用, 主要用于激光照射前选择性地冷却表皮。本文搭建了喷雾冷却实验台, 设计不同长径比膨胀腔新型透明喷嘴, 应用薄膜热电偶瞬态温度快速测量技术和杜哈梅尔定理计算方法对比分析了膨胀型喷嘴和传统直管型喷嘴应用低沸点的新型制冷剂R404a的闪蒸瞬态喷雾冷却表面动态传热特性。应用高速摄像仪和采用背光法对新型喷嘴膨胀腔内部制冷剂流动形态进行观察, 发现制冷剂液体在膨胀腔内首先发生一次闪蒸破碎, 剧烈相变产生大量气泡, 可导致液滴温度在喷嘴内部大幅降低, 而直管型喷嘴制冷剂只在喷嘴喷出后才形成闪蒸喷雾并降温。因此, 膨胀腔型喷嘴比直管喷嘴具有更佳的冷却效果, 能够产生更低的冷却温度, 更高的热通量、传热系数和换热量。膨胀腔长径比是影响此类喷嘴喷雾冷却效果的关键因素, 在长径比1:2时其冷却能力最强、有效冷却时间最长。     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。     

系统压力影响下的喷雾冷却特性及温度均匀性

喷雾冷却是一种新型的高热通量换热方式。对以水为工质的封闭式喷雾冷却进行了实验研究,并结合实验现象对不同系统压力下喷雾冷却的换热特性及表面温度不均匀性进行了分析,并给出了相应的量纲1压力换热关联式。实验结果显示:由于系统压力较低,喷雾工质在较低的温度下进入两相区,其换热能力远远高于常压下的换热能力,且换热性能随系统压力减小呈指数性增大关系;在实验条件中,可以实现在85℃的平均壁面温度下,热通量达到360W.cm-2;低压下喷雾冷却被冷却壁面的温度不均匀性小于常压下温度不均匀性。