矩形多槽道热管传热性能的实验研究

通过对不同真空度和倾角下矩形多槽道热管的传热性能进行实验研究,重点讨论了真空度和倾角对热管启动特性和运行特性的影响。实验结果表明:较高的真空度和非0°倾角,有利于缩短热管的启动时间,优化均温性能,降低传热热阻;合适的加热功率能加快热管启动,过大的加热功率使热管出现不稳定工作现象。     

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质,充液率为50%,对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果,探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明,在低加热功率条件下,甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型,甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长,但比水短。稳定运行时,甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇,且波动较大。在低、中加热功率条件下,甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇,甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。     

硝酸盐重力热管启动特性初步实验研究

熔盐是一种高效传热工质,广泛应用于太阳能热发电传热、核反应堆传热、金属热处理的工业过程中。以配制的一种混合硝酸熔盐作为热管的传热工质,设计制造了管壳为316L不锈钢、外径Φ22 mm、壁厚2 mm、管壳长度980 mm的硝酸熔盐重力热管,并对硝酸熔盐重力热管的启动性能进行了初步实验研究,分析了混合硝酸盐重力热管的启动特性、稳定性以及倾角对热管启动的影响。然后将采用40 g混合硝酸盐工质的重力热管实验结果与采用40 g萘工质的重力热管的实验结果进行了对比。实验结果表明,混合硝酸盐热管的启动时间比萘热管的时间短,且启动后稳定性高于萘热管;分析认为,该混合硝酸盐的沸点在250℃左右,在倾角为50°时热管启动性能优于在30°、70°、90°时的情况。实验结果初步证明了混合硝酸盐作为热管工质的可行性。     

硝酸盐重力热管启动特性初步实验研究

熔盐是一种高效传热工质,广泛应用于太阳能热发电传热、核反应堆传热、金属热处理的工业过程中。以配制的一种混合硝酸熔盐作为热管的传热工质,设计制造了管壳为316L不锈钢、外径Φ22 mm、壁厚2 mm、管壳长度980 mm的硝酸熔盐重力热管,并对硝酸熔盐重力热管的启动性能进行了初步实验研究,分析了混合硝酸盐重力热管的启动特性、稳定性以及倾角对热管启动的影响。然后将采用40 g混合硝酸盐工质的重力热管实验结果与采用40 g萘工质的重力热管的实验结果进行了对比。实验结果表明,混合硝酸盐热管的启动时间比萘热管的时间短,且启动后稳定性高于萘热管;分析认为,该混合硝酸盐的沸点在250℃左右,在倾角为50°时热管启动性能优于在30°、70°、90°时的情况。实验结果初步证明了混合硝酸盐作为热管工质的可行性。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(3~#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305 W的加热功率下其热阻分别比1#、2#和3#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

高温熔盐热管的启动和等温性能

高温热管是高温领域高效传热的关键技术。为进一步研究开发高效热管，提升工业过程传热性能，以熔盐作为热管的传热工质，搭建了高温热管传热实验台，研究了传热工质和倾斜角对热管启动和等温性能的影响。结果表明，在450～700 K工作温度范围内，AlBr₃和TiCl₄熔盐热管在倾斜角为45°和60°的条件下，均达到最优的启动性能；在热管倾斜角为60°时，两种熔盐热管等温性能均达到最佳。无机盐AlBr₃和TiCl₄作为传热工质，重力热管具有良好的启动和等温性能。     

带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管传热特性

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管,蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm,内部含有平行圆通道,通道内径为2 mm;热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质,对该脉动热管在不同放置方式(竖直、水平和侧放)和体积充液率(20%~70%)下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明,充液率介于30%~70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行,表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高,启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置,且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇,使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度,显示出更好的传热性能和均温性。     

微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4mm(1^#)、4.0mm(2^#)和4.8mm(3^#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305W的加热功率下其热阻分别比1^#、2^#和3^#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响

针对多通路并联回路板式脉动热管建立实验台,采用铜质模块加热和水浴冷却方式作为热工条件,着重考察脉动热管在不同倾角（90°,75°,60°）及冷却工况（4.5 g·s^-1和9.0 g·s^-1）下的传热性能,通过壁面温度的振荡和传热热阻来评价其传热效果。实验结果表明,重力对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响较大,随着倾角的减少,工质的回流变弱,传热热阻变大,传热极限变低;脉动热管的加热功率与冷却能力是相互匹配的,匹配度越高,脉动热管越不易干烧,传热极限越高,在有倾角的工况下提高传热极限表现得更为明显;脉动热管运行时存在一个最佳水流量,在最佳冷却工况下,脉动热管的运行热阻最低。     

带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管传热特性

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管,蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm,内部含有平行圆通道,通道内径为2 mm;热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质,对该脉动热管在不同放置方式（竖直、水平和侧放）和体积充液率（20%～70%）下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明,充液率介于30%～70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行,表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高,启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置,且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇,使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度,显示出更好的传热性能和均温性。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HEAT TRANSFER IN AN AIR DUCT WITH AN INCLINED HEATING SURFACE

In this paper some experimental results showing the influence of inclination of a cylindrical heating surface immersed in an air duct on heat transfer coefficient are presented. The experiments were performed in a laboratory-scaled apparatus of square cross section with dimensions 120 ×120 mm and 1400 mm in height. Heat transfer surface was an electrical heater made of brass tube with outer diameter of 19 mm and 110 mm length. In each experiment the temperatures of the front and rear side of the heating surface, inclination angle, air velocity, inlet air temperature, and heater power were measured. It was concluded that heat transfer coefficient depends on flow conditions and angle of inclination. The maximum Nusselt number (Nu) was observed to occur about 45° inclination relative to the horizon, for the range of Reynolds numbers used in experiments. The values of heat transfercoefficients in the vertical position were very nearly the same as they were in the horizontal position. Based on the experimental results, a correlation was proposed for estimation of Nu at the desired flow velocity and inclination angle, relative to Nu at zero inclination.     

Experimental investigation of heat transfer in an air duct with an inclined heating surface

In this paper some experimental results showing the influence of inclination of a cylindrical heating surface immersed in an air duct on heat transfer coefficient are presented. The experiments were performed in a laboratory-scaled apparatus of square cross section with dimensions 120 ‐ 120 mm and 1400 mm in height. Heat transfer surface was an electrical heater made of brass tube with outer diameter of 19 mm and 110 mm length. In each experiment the temperatures of the front and rear side of the heating surface, inclination angle, air velocity, inlet air temperature, and heater power were measured. It was concluded that heat transfer coefficient depends on flow conditions and angle of inclination. The maximum Nusselt number (Nu) was observed to occur about 45° inclination relative to the horizon, for the range of Reynolds numbers used in experiments. The values of heat transfercoefficients in the vertical position were very nearly the same as they were in the horizontal position. Based on the experimental results, a correlation was proposed for estimation of Nu at the desired flow velocity and inclination angle, relative to Nu at zero inclination.     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%～70%充液率,10～100 W加热功率以及水/丙酮13：1、4：1、1：1、1：4、1：13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明：混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比（如水/丙酮13：1混合工质）以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水（如水/丙酮1：13混合工质）能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质（如水/丙酮13：1混合工质）对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35～50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率（50～100 W）,水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管（UTFHP）,其内部吸液芯是多孔介质底层（PL）和多孔介质丝（PW）组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量（CHF）提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。     

功能热流体强化脉动热管的热输送特性

考察了以水为工质,在不同的加热功率和不同的充液率情况下,脉动热管在不同加热方式（垂直底部加热和水平一侧加热）时的热输送特性。固定充液率,对比了脉动热管采用不同工质（微胶囊流体、氧化铝纳米流体、水）在不同加热功率、不同放置加热方式下的热输送特性。结果发现：功能热流体（微胶囊流体、氧化铝纳米流体）作为脉动热管的工质都起到强化热输送能力的作用,均优于水。垂直底部加热时,1%微胶囊流体作为工质的脉动热管的热输送能力较优,水平一侧加热时,0.1%氧化铝纳米流体较优,但微胶囊流体稳定性要比氧化铝纳米流体好。     

脉动热管可视化实验研究进展

脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。可视化实验是研究工质流动特性的常用方法,对于理解脉动热管的传热机理非常重要。本文介绍了5种可视化技术手段,简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型,分析了流型的影响因素,并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象,却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来,考虑管壁材质的影响,建立更准确的气液两相流模型,用来设计、评估和预测脉动热管的性能。     

Optimisation of turbulence wire spacing in falling films performed with OpenFOAM

Turbulence wires are horizontal wires disturbing the flow of falling films thus enhancing the heat transfer. By means of OpenFOAM the optimal wire spacing is found to be between 15 and 20 in units of the wire radius. For this investigation the Volume of Fluid application interFoam has been supplemented by the energy equation.     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

板式换热器相变流动的传热及压降特性

建立了三维单流道模型,模拟了波纹倾角和波纹节距对相变流动传热和压降特性的影响。结果表明,沸腾传热和压降特性同时受到流动形式和触点影响,"曲折型"流动有利于液膜蒸发增强传热,触点对气相的扰动作用小于液相,因此在气相体积分数较高的区域的触点处气液相变转化现象不明显。传热系数随波纹倾角的增加而增大,随波纹节距的增加而减小,但在相同入口Reynolds数下波纹节距λ=16 mm比14 mm的传热系数大,主要是因为流动形式的改变在某种程度上减弱了触点数目减少对传热的影响。β=75°和λ=10 mm时传热性能最好。沸腾流动的压降随波纹倾角的增大先升高后降低,在β=65°左右达到峰值,随着波纹节距的增大而降低。     

梯度表面能材料表面上滴状凝结换热

采用气相沉积（CVD）的方法，以十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质，制备了梯度表面能材料表面。对空气中水滴在水平梯度表面能材料表面上的运动现象和表面倾角为0°、30°、60°和90°情况下，梯度表面能材料表面上的水蒸气滴状凝结换热进行了可视化实验，研究了凝结液滴的长大、聚并、运动和脱落现象。结果表明：直径大于1 mm的凝结液滴峰值运动速度达到110 mm·s-1，远大于空气中液滴的运动速度。通过图像分析，分别讨论了壁面过冷度、凝结表面倾角和表面能梯度对换热和液滴运动的影响。结果表明：随着壁面过冷度的增加，凝结表面传热系数先增加后减小；当凝结表面倾角大时，由于重力作用加大，凝结表面传热系数也高；当表面能梯度较大时，运动液滴尺寸更小，速度更快，凝结表面传热系数更高。