气-固循环流化床螺旋板式换热器的传热性能与压降

设计并搭建了气-固循环流化床螺旋板式换热装置,研究了空气流量(80～125 m³·h^-1)、颗粒加入量(0.5%～2.0%)和颗粒类型等操作参数对以恒温水作为热流体、空气作为冷流体、3种固体颗粒作为固相工作介质的循环流化床螺旋板式换热器传热性能和压降的影响。实验的结果显示,添加颗粒可以明显改善螺旋板式换热器的传热性能,但同时也会增大压降。在实验考察的操作参数范围内,强化传热效果最佳时的传热增强因子可以达到29.28%,此时系统内添加的颗粒为聚甲醛颗粒,空气流量为125 m³·h^-1,颗粒加入量为2.0%,但相应的压降比率也达到了20.86%。绘制了传热增强因子和压降比率的三维图以及综合影响雷达图,可指导工业应用。     

Na2SO4循环流化床蒸发器中的颗粒碰撞行为和传热性能

将流化床换热防垢节能技术和Na₂SO₄蒸发过程相结合,设计并构建了1套Na₂SO₄循环流化床蒸发装置。选用质量分数为20%的Na₂SO₄溶液作为液相工质,采用聚甲醛(POM)和碳化硅(SiC)颗粒作为惰性固体颗粒,考察了颗粒类型、颗粒加入量(1%～3%)、循环流速(0.37～1.78 m·s^-1)和热通量(7.29～12.14 kW·m^-2)等操作参数对于颗粒的碰撞行为和蒸发器传热性能的影响。研究结果表明,POM和SiC颗粒的加入均可以强化传热。实验范围内,POM和SiC颗粒的最大增强因子分别为9.5%和13.4%,所对应的操作参数分别为ε=1%,u=1.78 m·s^-1,q=7.29 kW·m^-2和ε=3%,u=0.37 m·s^-1,q=12.14 kW·m^-2。液相和固相碰撞加速度信号的特征频率范围分别为0～1 000 H...     

水平双管程液=固循环流化床中颗粒分布和压降

为促进流化床换热防垢节能技术在水平双管程换热器中的应用,设计和构建了一套冷模透明水平双管程液-固循环流化床换热装置。以水和聚甲醛颗粒为工质,利用电荷耦合器件（CCD）图像测量和处理系统及压差传感器,考察了颗粒加入量（0.50%~1.25%）和循环流量（6~11 m³·h^-1）对颗粒分布和压降的影响。结果表明：上管程的颗粒分布更为均匀,下管程内存在“死区”,上、下管程的固含率均沿重力方向增大。上管程的颗粒分布不均匀度随循环流量的增加而波动,下管程则先迅速增大再逐渐减小。上、下管程的颗粒分布不均匀度均随颗粒加入量的增加而波动。压降比率随循环流量和颗粒加入量的增加而波动,在实验范围内的最大值为18.3%。绘制了操作参数对颗粒分布和压降影响的三维图,以确定较适宜的操作参数范围。     

液-固下行循环流化床中的颗粒碰撞行为

设计并构建了一套冷模液-固下行循环流化床蒸发器,考察了颗粒对壁面的碰撞行为随轴向位置和操作参数的变化规律,以便更好地揭示循环流化床强化传热和防、除垢的机理。实验中,选用水和不同粒径的聚甲醛颗粒和玻璃珠作为工质,对不同颗粒加入量(0~2.0%)和循环流量(2.15~5.16 m³·h^-1)下的碰撞加速度信号进行了功率谱密度、峰度和标准偏差等频域和时域分析。研究结果表明:液相和固相碰撞加速度信号的频率范围分别为0~2 000 Hz和6 000~16 000 Hz。沿着下行床的轴向位置从上到下,颗粒对壁面碰撞加速度信号的标准偏差先减小,后增大;峰度增大。随着颗粒加入量和循环流量的增加,标准偏差增大,峰度减小。颗粒加入量较低时,标准偏差随着聚甲醛颗粒粒径的增加先减小、后增大;而峰度随着粒径的增加明显增大。颗粒加入量较高时,标准偏差和峰度随着粒径的增加而增大,但增大的幅度较小。玻璃珠的标准偏差较小,但峰度明显高于聚甲醛颗粒。构建了操作参数对颗粒碰撞行为影响的三维图。研究结果有助于促进流化床换热防垢节能技术的工业化应用。     

循环流化床蒸发器中的压降与颗粒分布的研究

为研究汽-液-固三相多管循环流化床蒸发器中的压降和颗粒分布特性,设计并构建了汽-液-固多管循环流化床蒸发系统。利用压力传感器、CCD图像采集和数据处理系统,研究了液体循环流量、热通量、颗粒加入量等参数对于加热管束中压降和颗粒分布的影响。结果表明：随着液体循环流量和颗粒加入量的增加,颗粒分布的不均匀度明显降低,管束压降变大;随着热通量的增大,颗粒分布的不均匀度降低,管束压降呈现波动状态,但管束压降值始终小于加热功率为0时的值。     

汽-液-固循环流化床蒸发器热效率的实验研究

为对多管循环流化床蒸发器中的热效率进行研究,构建了汽-液-固透明多管循环流化床蒸发系统。研究了液体循环流量、热通量、颗粒加入量、颗粒性质等参数对蒸发器热效率的影响。结果表明:随着液体循环流量、颗粒加入量和热通量的增加,热效率均增大;且随着热通量的增加,热效率增大的幅度较大,说明在较高热通量时,热量的利用率较高。完全流化时,颗粒的密度和导热系数越大,热效率越高。操作为强制循环,循环泵消耗功率随颗粒加入量的增加而增长的幅度不大。     

超临界压力下航空煤油传热恶化的分析与预测

对竖直上升圆管内超临界压力航空煤油的传热恶化进行了实验研究。考察了浮升力和热加速对换热的影响机制,通过判别准则的适用性分析,选取能较好描述传热恶化的因子组,修正得到了合理的临界值,从而获得了适用于航空煤油的判别准则。基于可控参数建立了传热恶化临界热通量预测公式。阐述了传热恶化引发热声流动不稳定的过程。通过浮升力因子和热加速因子修正建立了换热关联式。结果表明：浮升力因子Bu和热加速因子Ac分别高于1.57×10^-5和4.92×10^-6时,两者将削弱边界层内剪切力,引发传热恶化现象。拟沸腾也是传热恶化和热声流动不稳定的诱因。     

蒸发温度对水平正反齿压花齿型肋管池沸腾换热的影响

随着节能减排的大力推广,管外沸腾强化传热技术得到了广泛的研究和发展。设计建立了水平双侧强化管管外沸腾试验系统,以R134a为循环工质试验研究了不同热通量工况下,蒸发温度对正反齿压花齿型三维肋管池沸腾换热特性影响,并结合试验结果分析探讨了其理论描述方法。结果表明:蒸发传热系数随蒸发温度变化趋势线的斜率随热通量呈现非线性变化;在同一蒸发温度下,管表面传热系数均随热通量单调递增,但增长率随热通量增加而逐步降低;回归分析获得不同热通量下蒸发温度对正反齿压花齿型蒸发管表面传热系数影响的统一表达式;等热通量工况强化传热因子在热通量超过10kW·m^-2后升至2以上,在热通量接近20kW·m^-2时达到极大值2.588,但在热通量接近5kW·m^-2时接近1;蒸发温度及其与热通量合同对正反齿压花齿型蒸发管表面传热系数的作用机理与理论描述方法有待进一步深入研究。     

直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热数值分析

准确预测直流蒸汽发生器流动沸腾及蒸干对其设计、安全可靠运行极其重要。通过对B&W公司直流蒸汽发生器进行合理简化,引入两流体三流场数学模型及壁面热通量分区模型,分别进行基于常热通量和耦合传热的蒸汽发生器流动沸腾数值模拟。结果表明：蒸干发生时传热性能急剧下降,常热通量边界下壁温升高的幅度相当大（约300 K·m^-1）,而耦合传热边界下壁温飞升幅度约为25 K·m^-1,与实际情形相一致;两种热边界中预热区会发生过冷沸腾,壁面处传热由液相对流换热、淬火换热和蒸发换热3部分构成,核态沸腾区蒸发换热为主要换热方式,同时伴随着液相对流换热和淬火换热,蒸干发生时淬火换热和蒸发换热全部降到0,在蒸干后传热区域换热方式为气相对流换热。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

R1234ze(E)在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性

泡沫金属具有超大比表面积和高热导率,将其填充于换热管内可用于制冷空调系统的强化传热。研究了R1234ze(E) 在泡沫金属管内的流动沸腾换热和压降特性。实验工况为：干度0.1~0.9,质流密度90~180 kg·m^-2?s^-1,热通量12.4~18.6 kW·m^-2。测试样件为泡沫铜填充管,孔密度为10~40 PPI、孔隙率为90%~95%。实验结果表明,R1234ze(E) 比R410A的传热系数低2%~10%,两相压降低30%~42%;当干度大于0.8时,低质流密度下泡沫金属管内传热系数随干度的增加增幅更大;泡沫金属在强化流动沸腾换热的同时,造成压降显著增加,换热影响因子的范围为1.23~2.90,压降影响因子的范围为6~45。开发了适用于R1234ze(E) 的泡沫金属管内流动沸腾换热和压降关联式,传热系数和两相压降的预测值与95%的实验值误差分别在±15%和±25%以内。     

圆管内超临界CO2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10 mm。该实验压力范围为8～16 MPa,质量流量范围为1000～1525 kg·m^-2·s^-1,内壁热通量范围为96.5～283.2 kW·m^-2。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO₂的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

紧凑通道内CO2/润滑油混合物沸腾换热特性研究

为了测试润滑油对二氧化碳流动沸腾换热特性的影响,对外径6 mm、内径4 mm紧凑通道内的CO₂/润滑油混合物的换热进行实验研究。实验工况为质量流量2.74～5.61 kg·h^-1,饱和温度-4～8℃,热通量3.2～5 kW·m^-2,油浓度0～6%。结果表明：润滑油浓度越大,CO₂的局部传热系数越小;含1.5%油浓度相对于无油工况下平均传热系数下降了约42.4%; 传热系数随热通量、饱和温度的升高而增加,干涸后随着质量流量的增加传热系数增加;干涸随油浓度的增加、热通量的减小、饱和温度的升高、质量流量的增加而延迟;干涸特性对传热系数有显著影响,干涸阶段占整个换热过程的35.4%。     

封面故事

正气相换热过程广泛存在于化工、能源、航天、建筑、冶金和环保等工业领域。在气相换热过程中,由于气体的密度、热容和导热系数较小,其传热速率较低,还经常存在结垢问题。在流化床换热系统中,流化的固体颗粒可以破坏流动和传热边界层,降低传热热阻,强化传热;同时,阻止溶质在边界层附近形成过饱和,延长结垢的诱导期,进而达到在线防垢的目的。     

超临界压力下纳米流体竖直管内流动换热

对超临界压力下Fe₃O₄-煤油纳米流体竖直管内的换热特性进行了实验研究,分析了不同压力、质量流量、热通量和纳米颗粒浓度对超临界压力下纳米流体换热特性的影响。超临界压力下,纳米流体在竖直管内沿管长呈现不同的换热规律。流体质量流量的提高或者工作压力的提高均会使纳米流体在竖直管内流动换热效果变好。而热通量的增大或纳米颗粒的添加对超临界压力下纳米流体的换热具有恶化效果。最后给出了纳米流体在超临界压力下的传热关联式,其计算值和实验值吻合良好。     

过程参数对采用多孔陶瓷超滤膜回收烟气中余热和水性能的影响

将孔径为20 nm的陶瓷膜组装制成膜冷凝器,在水蒸气-空气形成的模拟体系中,采用去离子水作为冷却介质,开展了传递膜冷凝技术在烟气除湿和工业余热综合应用方面的研究。考察了空气流量、冷却水流量、进气温度和冷却水温度对陶瓷内膜和外膜过程通量的影响,并比较了两者水热回收性能。结果表明,过程通量均随进气流量和进气温度的增大而增加。随着冷却水流量的增大,过程通量也不断增加,但是冷却水流量达到一定值后,过程通量基本不再变化。冷却水温度对过程水通量的影响较小,但是热通量对冷却水温度的改变较敏感。冷却水流量的变化对陶瓷外膜的过程通量影响更加显著,表明陶瓷外膜水热回收过程更易受流体边界层的影响。在各实验工况范围内,陶瓷内膜和外膜分别具有更高的热通量和水通量,采用陶瓷膜过程的水通量和热通量最高分别可达到23.1 kg·m^-2·h^-1和47.5 MJ·m^-2·h^-1。随着传递膜冷凝技术开发和研究的不断深入,该技术在除湿和工业余热综合应用领域有着广阔的发展空间,将为我国节水、节能以及环境保护等领域的发展提供新的解决思路。     

0.5 MPa下液化天然气在竖直圆管中饱和流动沸腾传热

建立了一套实验装置用于对8 mm内径圆管内的液化天然气流动沸腾传热特性进行实验研究。测试压力为0.5 MPa,液化天然气质量流量为50～200 kg·m^-2·s^-1,热通量为8.0～36.0 kW·m^-2。主要研究了热通量、质量流量和干度等影响因素对传热的影响。发现质量流量对传热有重大影响,液化天然气管内流动沸腾传热系数一般随质量流量的增加而增大。而热通量对传热的影响主要体现在低干度范围内,且在质量流量较小时更为明显。而当干度小于0.5～0.6时,传热系数一般随干度的增加而增大。但当干度大于0.6时,传热系数随干度的增加显著下降。将实验结果与4种现存的混合物流动沸腾传热关联式进行比较,结果表明Zou等提出的计算关联式与实验结果最接近,计算误差约为30.2%。     

波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性分析

为探究不同波纹壁面微细通道的Ledinegg不稳定性,利用计算机数控加工得到3种壁面的微细通道,分别是正弦波纹、三角形波纹与普通光滑微细通道。采用R141b为实验工质,在压力为40~80kPa、热通量为13.281~22.138kW/m²、入口温度为33℃条件下开展流动换热实验。结果表明：三角形波纹微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率最小,流动不稳定起始点（OFI）质量流量最大,最容易发生Ledinegg不稳定性,而普通光滑微细通道与之相反。另外,随着热通量增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区斜率减小,OFI点质量流量增大,表明增大热通量会增加系统的不稳定性;随着系统压力增大,微细通道的压降-流量曲线负斜率区更加平缓,而OFI点质量流量变化不大,表明增大系统压力有利于提高系统的稳定性。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

汽-液-固三相循环流化床蒸发器中固体颗粒浓度和速度的研究

应用电荷耦合器件CCD(charge coupled devise)测量和图像处理技术,定性和定量研究了热模汽-液-固三相自然循环流化床蒸发器中固体颗粒浓度和速度的轴、径向分布以及其随热通量、固体颗粒加入量等操作参数的变化规律。热通量的变化范围为2179.8W穖-2到6624.2W穖-2,固体颗粒的体积分率的变化范围为0.5%到2%。结果表明:在液-固两相区,固体颗粒浓度在轴向和径向的分布较为均匀;随着热通量的增加,加热管中固体颗粒的浓度逐渐降低,循环管中固体颗粒的浓度逐渐升高,并且两者均随固体颗粒加入量的增加而升高;固体颗粒的速度在轴向上较为接近,其在循环管中的速度高于在加热管中的速度,并且两者均随热通量的增加而升高;固体颗粒加入量对其速度有增强和阻碍两方面的作用。