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Rel和Fourier数Fol。将Jakob数Ja与Rel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。     

R404a喷雾冷却表面传热特性的时空不均匀性

制冷剂瞬态喷雾冷却是辅助激光手术治疗皮肤病的重要手段,目前采用的R134a制冷剂不易抵消深色人种表皮中的黑色素对激光能量的大量吸收,采用沸点较低的R404a制冷剂能更有效防止表皮的热损伤。使用带膨胀腔的新型喷嘴搭建了瞬态喷雾冷却实验台,采用薄膜热电偶快速测温技术对R404a瞬态喷雾冷却表面传热特性进行了研究。结果表明,R404喷雾冷却表面传热具有时间和空间的不均匀性,然而在喷雾中心半径2 mm的中心区域内存在高热通量的均匀冷却区域。在实际激光皮肤临床手术中,参考实验结果可保证喷雾冷却对治疗范围内的表皮进行均匀冷保护。     

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。     

R1234yf瞬态喷雾冷却及过热度影响的实验研究

制冷剂瞬态喷雾冷却是临床激光治疗的重要辅助手段。当前临床应用及实验研究均采用R134a或R404A进行喷雾冷却,但这两种制冷剂具有极高的温室效应潜能（GWP）值,对环境产生严重威胁。以热物性与R134a相似、而GWP值仅为4的R1234yf作为喷雾冷却的替代制冷剂,对其临床应用进行了探索性研究。表面传热的研究结果显示R1234f的冷却能力略低于R134a与R404A。通过降低制冷剂过热度的方式,可以有效提高喷雾集中程度,在保证闪蒸雾化的前提下显著提高表面热通量,提高R1234yf喷雾临床应用的可行性。     

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。     

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。     

R1234yf瞬态喷雾冷却及过热度影响的实验研究

制冷剂瞬态喷雾冷却是临床激光治疗的重要辅助手段。当前临床应用及实验研究均采用R134a或R404A进行喷雾冷却,但这两种制冷剂具有极高的温室效应潜能(GWP)值,对环境产生严重威胁。以热物性与R134a相似、而GWP值仅为4的R1234yf作为喷雾冷却的替代制冷剂,对其临床应用进行了探索性研究。表面传热的研究结果显示R1234f的冷却能力略低于R134a与R404A。通过降低制冷剂过热度的方式,可以有效提高喷雾集中程度,在保证闪蒸雾化的前提下显著提高表面热通量,提高R1234yf喷雾临床应用的可行性。     

制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却研究进展

随着皮肤激光医学的高速发展,与之配合的表皮冷却技术日益重要,具有极大的市场应用前景。制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却（CSC）已经成为激光治疗血管性皮肤病的重要辅助冷却手段,可以有效减小黑色素吸收激光能量导致的表皮热损伤,从而提高入射激光能量、改善治疗效果。CSC涉及到低沸点高挥发性介质的闪蒸雾化、冷却表面沸腾相变传热等多相流与传热复杂科学问题,已有研究大部分是以实验的方式进行。本文从闪蒸喷雾机理、闪蒸喷雾特性、表面动态传热规律与传热强化4个方面对CSC在近二十年的研究进展进行综述,对比分析了典型研究方法与研究结果,并对其影响因素进行了探讨,使用更低沸点的新制冷剂与背压/距离耦合的喷雾新技术可以极大提高冷却能力。最后,指出了当前研究的难点以及后续研究方向。     

制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却研究进展

随着皮肤激光医学的高速发展,与之配合的表皮冷却技术日益重要,具有极大的市场应用前景。制冷剂瞬态闪蒸喷雾冷却(CSC)已经成为激光治疗血管性皮肤病的重要辅助冷却手段,可以有效减小黑色素吸收激光能量导致的表皮热损伤,从而提高入射激光能量、改善治疗效果。CSC涉及到低沸点高挥发性介质的闪蒸雾化、冷却表面沸腾相变传热等多相流与传热复杂科学问题,已有研究大部分是以实验的方式进行。本文从闪蒸喷雾机理、闪蒸喷雾特性、表面动态传热规律与传热强化4个方面对CSC在近二十年的研究进展进行综述,对比分析了典型研究方法与研究结果,并对其影响因素进行了探讨,使用更低沸点的新制冷剂与背压/距离耦合的喷雾新技术可以极大提高冷却能力。最后,指出了当前研究的难点以及后续研究方向。     

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度的快速测量

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却已经成为激光治疗葡萄酒色斑临床手术中重要的冷却辅助手段,能够保护表皮不受激光的热损伤,提高治疗激光能量,改善治疗效果。针对制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度快速准确测量的难点,建立了制冷剂闪蒸喷雾冷却实验系统,利用磁控溅射技术直接在被测表面沉积T型薄膜热电偶,对薄膜热电偶测量瞬态表面温度技术进行了详细研究,校核了薄膜热电偶的静态温度特性和动态反应时间,对测得的温度结果进行了巴特沃斯低通滤波处理,比较了滤波截止频率和采样率对滤波结果的影响。     

激光溶脂手术脉冲式制冷剂喷雾冷却数值研究

无创激光溶脂发展潜力巨大,但水对近红外激光的吸收可能导致真皮热损伤。目前尚无有效的正常组织冷保护措施,制约了激光溶脂的发展。提出采用多脉冲喷雾冷却的方式对人体皮肤进行冷保护,建立皮肤组织多层均匀模型,结合Pennes生物传热方程数值模拟制冷剂R134a连续和脉冲式喷雾对皮肤深层组织的冷却效果。发现相同累计喷雾时间下多脉冲喷雾的冷却深度大于连续式喷雾,从冷却温度和冷却深度上更适合于激光溶脂的皮肤冷却。在单次喷雾时间10 ms、间隔时间2500 ms、喷雾次数10次、占空比0.004的条件下,冷却深度达到5000 μm,1 mm深度的皮肤组织喷雾中心温度最低能达到11℃,可以有效满足激光溶脂对皮肤冷却深度的要求。     

闭式喷雾冷却的瞬态传热过程研究

搭建了闭式喷雾冷却实验台，实验研究了喷雾冷却的瞬态传热过程，获得了准确描述其传热过程的实验曲线，分析了冷却初始温度、加热功率及工质类型对瞬态传热过程的影响。研究表明：对于喷雾冷却的瞬态传热过程，其表面温度变化趋势可分为急速下降、持续升高、二段下降3类。初始表面温度在经历启动初期增强效应后，若小于莱登弗罗斯特点（LFP）对应的温度T_f，则表面温度不断下降，在核态沸腾区实现热平衡；反之，表面温度升高，在膜态沸腾区实现热平衡；恒定加热功率的大小决定了表面温度变化速率，随着恒定加热功率的增大，表面温度下降或者上升的速率加快；同等条件下，对于不同类型介质，喷嘴入口压力及饱和温度越高，其T_f也越高。     

超声对无沸腾区浸液式喷雾冷却的影响研究

超声由于空化和声流机制可起到强化换热效果,为研究其在高热流下对喷雾冷却传热特性的影响,设计并搭建了以H₂O为工质的浸液式喷雾冷却实验平台,在无沸腾区范围内考察了不同喷雾高度、压力和热通量下超声场对喷雾冷却换热性能的影响。研究表明：超声浸液喷雾冷却的换热效果要优于浸液式喷雾冷却,在高热通量152 W/cm²情况下更加明显;强化换热效果会随着喷雾压力的升高而减小,在最佳喷雾高度10 mm和喷雾压力0.1 MPa条件下,浸液超声式喷雾冷却相比浸液式换热效果最高提升14.4%;超声对换热的改善作用随着喷雾高度增加而提升,喷雾高度18 mm时最高强化比29.1%。     

高热流低流速条件下超临界CO2在小圆管内的对流传热特性

为获取高热流、低流速条件下超临界CO₂的传热规律，开展了超临界CO₂在内径2 mm水平小圆管内对流传热试验研究，并重点探讨了变物性、浮升力和热加速等效应对传热过程的影响。试验参数范围：系统压力7.6~8.4 MPa，质量流速400~500 kg/(m²?s)，热通量0~200 kW/m²，流体温度20~60℃，Reynolds数1.2×10⁴~4.3×10⁴。分别采用Gr/Re ²和Kv作为浮升力效应和热加速效应的判别因子。结果显示，在高热流低流速工况下，浮升力效应显著（Gr/Re ² > 10^-3），同一个截面处的上壁面传热系数始终小于下壁面传热系数。浮升力效应是高热流低流速工况下传热恶化的主要诱发因素。试验中热加速因子较小（Kv < 8.5×10^-7），其效应可以忽略。将试验数据与典型的传热经验关联式作对比，结果表明Liao-Zhao关联式的计算结果与试验结果最吻合。     

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。