圆管内氧化石墨烯MPCM悬浮液对流传热实验研究

由于氧化石墨烯(GO)的高热导率特性,将其添加至相变微胶囊颗粒内,以提高以其为基材制备的悬浮液的热导率,从而进一步强化传热。分别测试了纯水、5wt%相变微胶囊悬浮液(MPCMS)、5wt%和10wt%复合氧化石墨烯的相变微胶囊悬浮液(GO-MPCMS)的传热特性,分析讨论了壁面热流密度、雷诺数(Re)等参数的影响。结果表明,由于相变过程的影响,圆管壁面和流体温度分布呈现上升、平直、上升的变化规律;相同实验条件下,当工质为悬浮液时壁面温度与流体温度比纯水低;颗粒浓度和GO均对传热产生较大影响,相同质量分数(5wt%)时,添加GO时可使稳定后的局部努塞尔数(Nu_x)进一步提升8个百分点,颗粒质量分数由5wt%增至10wt%时,Nu_x又增加了20个百分点;与纯水相比,同时考虑GO和微胶囊颗粒的影响,相同实验条件下,相变微胶囊悬浮液平均努塞尔数(Nu)可提升1.0～2.0倍。     

Experimental study on thermo-hydraulic performances of nanofluids flowing through a corrugated tube filled with copper foam in heat exchange systems

Thermo-hydraulic characteristics of TiO₂-water nanofluids in thin-wall stainless steel test tubes (corrugated tube and circular tube) filled with copper foam (40 PPI) are experimentally investigated and compared with those in test tubes without copper foam. The effects of nanoparticle mass concentration on flow and heat transfer performances are investigated. In addition, the mutual restriction relationships between Reynolds number (Re), Nusselt number (Nu) and resistance coefficient (f) are discussed respectively. Also, the comprehensive coefficient of performance (CCP) between heat transfer and pressure drop is evaluated. The results show that core-enhancement region for heat transfer using experimental tubes filled with copper foam is notably different from that of tubes without copper foam. There is a corresponding Reynolds number (about Re=2400) for the maximum CCP of each condition. And the heat transfer can be enhanced dramatically and sustained at 8000 ≤ Re ≤ 12000.     

低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱沿方位角传热特性

通过实验研究了低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱过程的沿方位角相界面移动规律及传热特性。改变水流速度、水流温度、冰柱尺寸及冰柱初始温度等控制参数,采用非接触测量方法获得了冰柱融化图像,基于影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系,分析了沿方位角对流传热系数等传热参数的变化规律。结果表明：各测量点的沿方位角Nusselt数不同,随着融化过程的进行,各测量点的沿方位角Nusselt数值均先增大后减小,整个融化过程中间某处存在最大值;其余实验控制参数不变的条件下,沿方位角对流传热系数均随着水流速度或水流温度的增大而增加;获得了水流纵掠冰柱融化过程Nu_φ、Gr、Re、Pr、Ste及φ之间的关联式。     

Experimental research on stabilities,thermophysical properties and heat transfer enhancement of nanofluids in heat exchanger systems

Stable TiO₂-water nanofluids are prepared by a two-step method, stabilities of nanofluids are investigated by precipitation method and transmittance method respectively, and thermal conductivities and viscosities are also measured. An experimental system for studying the heat transfer enhancement of nanofluids is established, and heat transfer and flow characteristics of TiO₂-water nanofluids in heat exchanger systems with a triangular tube and circular tube are experimentally studied. The effects of nanoparticle mass fractions (ω=0.1 wt%-0.5 wt%) and Reynolds numbers (Re=800-10000) on the heat transfer and flow performances of nanofluids are analyzed. Fitting formulas for Nusselt number and resistance coefficient of nanofluids in a triangular tube are put forward based on the experimental data. The comprehensive performances of nanofluids in a triangular tube are investigated. It is found that nanofluids in a triangular tube can significantly improve the heat transfer performance at the cost of a small increase in resistance coefficient compared with that in a circular tube, especially the resistance coefficients are almost the same between different nanoparticle mass fractions at turbulent flow. It is also found that the comprehensive evaluation index η decreases with Reynolds number at laminar flow but a critical maximum value appears at turbulent flow.     

基于离散相模型的相变微胶囊流体传热特性数值模拟

相变材料微胶囊悬浮液是将相变微胶囊颗粒添加至单相流体中形成的一种新型传热介质，由于传热系数高、传热储能一体化等优势，具备很大的发展潜力。采用离散相两相流模型，对恒热流水平圆管中相变微胶囊流体的传热特性进行了模拟计算，通过对比实验数据验证了模型的可靠性，进而定量分析了颗粒尺寸、质量分数、相变潜热，特别是颗粒分布对传热的影响。结果表明随着微胶囊颗粒质量分数增加，颗粒粒径减小，相变潜热增大，壁面传热效果越好，且相变潜热大小对壁温控制和壁面传热的影响大于颗粒质量分数和颗粒尺寸的影响。比较了离散相模型与常用的单相流模型的计算结果，发现质量分数越高，颗粒集聚程度越高，单相流模型计算的偏差越大。     

CO2水合物浆在水平圆管中的传热特性

在CO₂水合物浆流动传热特性测试实验系统上,采用套管式电加热的方法对CO₂水合物浆进行了分解实验,并对CO₂水合物浆的流动传热特性进行了分析。对CO₂水合物浆的相变特性进行了研究,得到CO₂水合物浆的相变温度在8～12℃。研究了在固相体积分数为13.2%以及流速为0.45m/s的条件下CO₂水合物浆在内径为8mm的水平不锈钢管中的传热特性,计算得到CO₂水合物浆在不锈钢水平圆管中的对流传热系数为1500～1800 W/(m²·K),并且其在流动传热过程中呈现先增大随后趋向平稳的趋势,在水合物的相变区相应的对流传热系数表现最大。研究了分解加热功率对管壁温和对流传热系数的影响,发现加热功率对管壁温度的影响较强。在实际应用中可利用CO₂水合物浆的相变作用来增强传热,提高传热效率。     

圆管中相变微胶囊悬浮液层流状态下的融化特性

采用基于双流体模型开发的计算程序模拟了圆管内潜热型功能热流体在均匀热流密度条件下层流流动时的融化特性,模型中相变材料为正十六烷,壳层材料为尿素-甲醛树脂,载流体为去离子水. 分析了Re数、相变微胶囊颗粒体积浓度、热流密度对融化特性的影响. 结果表明,当潜热型功能热流体流过被加热圆管时,存在非融化、融化和完全融化区域;随Re数增加,管道近壁处和中心处的融化起始和终止点均向出口处移动,融化区域逐渐变长;随颗粒浓度增加,管道中心处的融化起始和终止点均逐渐向出口处移动,而近壁处的融化区域起始和终止点则基本保持不变,融化区域同样得到延伸;壁面热流密度越大,近壁处和中心处融化区域起始和终止点越靠近入口位置,对应的融化区域则越短.     

Solid‐Liquid Mass Transfer at Gas Sparged Tube Bundles

The solid‐liquid mass transfer characteristics of an in‐line tube bank immersed in a gas‐liquid bubble column were investigated by measuring the rate of diffusion‐controlled dissolution of copper surface in acidified dichromate solution. Variables studied were the number of rows in the tube bank, physical properties of the solution, and nitrogen flow rate. The mass transfer coefficient was found to increase with increasing nitrogen flow rate. Increasing the number of rows in the tube bank was found to decrease the mass transfer coefficient. The data were correlated for the following conditions: 0.0021 < Fr.Re < 0.1603, 1 < N_r < 5 and 850 < Sc < 1370 by the equation J = 0.15 ( Fr.Re )^–0.15. Comparison was made between the present mass transfer data and previous heat and mass transfer studies conducted in packed and empty bubble columns.     

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%。     

基于扁管的蒸发式冷凝器管外传热传质特性研究

强化蒸发式冷凝器管外传热传质可有效降低系统能耗，利用Fluent软件，结合自编译程序及组分输运模型对扁管蒸发式冷凝器管外传热传质过程建模，选取了等周长圆管模型进行比较，研究了二者传热传质性能的差异。通过研究管外液膜厚度及速度，以及管外温度分布和含湿量的变化规律，对比了扁管和圆管的平均表面传热系数，结果表明扁管的平均表面传热系数于圆管提升了9.04%。模拟了风速从1.5 m·s^-1变化至3 m·s^-1以及喷淋密度从0.15 kg·m^-1·s^-1增加至0.3 kg·m^-1·s^-1时对扁管式蒸发式冷凝器换热的影响，得到随着风速及喷淋密度的增加其平均表面传热系数分别增加了5.68%和30.26%。对扁管式蒸发式冷凝器管外的传热传质特性的研究为其应用提供了理论指导。     

相变微胶囊悬浮液圆管内换热特性模拟

相变微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的相变潜热，可以减小温度的变化程度，且比单相流体具有更高的对流换热系数，成为广泛关注的新型热工流体。本文针对相变微胶囊悬浮液在等热流边界条件下的管内层流，根据差示扫描量热法所得到的相变温度范围，采用矩形等效比热容模型，进行了数值模拟分析，并结合以溴代十六烷为相变材料的相变微胶囊悬浮液的实验数据，将数值模拟结果与实验结果对比并进行误差分析。又对在不同质量分数、不同热流密度条件下的对流换热进行研究，分析了不同参数对对流换热强度的影响。并通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液圆管内对流换热关联式。然后改变管径、流速条件重新模拟验证该关联式的通用性，其结果表明模拟结果与预测公式高度吻合，该关联式的通用性较好。     

扭曲管传热性能数值模拟与实验研究

为了研究扭曲管强化传热性能,通过建立模型数值模拟和实验研究相结合的方法对扭曲管及具有相同截面形状的普通椭圆管的传热性能进行了对比分析。研究了扭曲管和椭圆管管内流体努塞尔数Nu,压力降Δp和管内综合性能评价因子η随雷诺数Re的变化情况,在Re为800—2 000时,扭曲管管内Nu是普通椭圆管的2—3倍,综合传热性能是椭圆管的1.5—2倍。得出了扭曲管可以很好地加剧管内流体湍流、强化管内传热,特别适用于管内流体在低雷诺数范围内的传热,是一种十分高效的强化传热管。     

不连续双斜向内肋强化换热管性能

引言管壳式换热器在石油化工、能源动力、造纸、制药等领域应用十分广泛,换热强化对于其节能降耗具有十分重要的意义.近30年研制开发出几十种强化换热管,例如螺旋槽管、波纹管和翅片管等,并得到了比较成功的应用.但相关的研究多数仍然停留在经验的基础上,即研究者根据其经验设计出某种具体的强化技术,然后通过实验和数值计算归纳出适用于一定范围的经验关联式.因此,传热强化研究目前仍属于技术领域[1],研究人员通常所采用的经验性的研究方法不可避免存在着一定的局限性.过增元等[2]提出了一种新的强化换热理论———对流换热场协同理论,为对…     

扁材多孔管内单相流体换热

对水力直径分别为0.72 mm的矩形扁材多孔管和0.86 mm的圆形扁材多孔管中单相流体换热特性以及流动压降进行了实验研究.流体Re小于500时,随着热通量的增大,Nu减小;随着Re的增大,热通量对Nu的影响减小,Nu趋于一致.实验结果显示,这些变化是由于入口段效应和共轭效应相互制约的结果.圆形扁材多孔管的Nu高于矩形扁材多孔管的Nu.对于乙醇溶液,低热阻时,入口温度越高,压降随热阻的增大降低的斜率越小,随着热阻值的增大,压降降低速率减小趋于平缓.对水、酒精和丙酮进行了单相对流换热的研究.通过比较发现,3种流体的换热特性并不相同,而且差别很大.在同一热通量和入口温度条件下,相同Re,乙醇的Nu最大,丙酮次之,水的Nu最小.同时测试了不同乙醇浓度水溶液的换热特性,发现随着乙醇浓度的增大,溶液的Nu由基本保持不变到随着Re的增大而增大,并且乙醇浓度越大相邻浓度间的Nu差别越大,出现以上现象的理论原因还有待进一步的研究.     

微通道内超临界氮气三维热流场实验与数值模拟

利用实验与数值模拟相结合的方法研究了超临界氮气（SCN₂）三维热流场特性，在用实验数据验证数值方法可靠性基础上，分析了压力（3.6~7 MPa）和质量流速［800~1200 kg/（m²?s）］对SCN₂对流传热特性的影响，揭示了微通道圆管不同圆周方向上SCN₂热流场规律。结果表明：在低压力和高质量流速下，同一轴向位置处，径向内壁温最大值出现在圆管90°处；质量流速越大，内壁温最大值和对流传热系数最小值由圆管180°向90°处发生了转移；当浮升力系数Gr*/Re²>1时，浮升力有利于强化圆管底部区域流体传热能力；基于获得的数据，提出了一个新的适合预测微通道圆管内SCN₂对流传热特性的无量纲换热关联式，预测误差小于20%。研究结果为微通道换热器优化设计提供了参考。     

扭曲管换热器壳程流体流动及传热的数值模拟

扭曲管因具有较好的强化传热性能得到关注,针对扭曲管管内流体流动及传热性能进行了实验与数值研究.验证了扭曲管在低Re下,与普通圆管相比具有较好的强化传热性能.利用FLUENT软件,研究了扭曲管换热器壳程流体流动及传热的特性.对壳程流速在0.3-1.0 m/s的情况下,分别得到了壳程流体的速度矢量分布、温度场分布、质点迹线...     

内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性的对比分析

内插扰流元件是一种可操作性强的管内强化传热方式，其强化传热机理主要是在管内诱导产生了二次流。在均匀壁温热边界条件下，对内插不同形状涡产生器管内层流流动与传热特性进行了数值分析。研究发现：在扭带基础上裁去部分面积相同的条件下，管内插等腰梯形涡产生器的换热能力最强，直角梯形涡产生器次之，矩形涡产生器的换热能力最差，管壁上的局部Nusselt数的峰值所在圆周位置及其大小与涡产生器形状有关，而不同形状的涡产生器对管内流动的阻力系数影响较小。插入涡产生器后，管内二次流强度参数Se和平均Nusselt数Nu均随Reynolds数Re的增大而增大，二者随Reynolds数Re的变化规律具有一致性。平均Nusselt数Nu与二次流强度参数Se呈幂函数相关，内插涡产生器管内的二次流强度决定了其对流换热强度。     

微小通道内气液两相流数值模拟

基于CFD流体动力学计算软件FLUENT模拟了微小通道中气液两相流流动与换热,分析了截面方管与截面圆管内不同含气率下两相流的换热特性;对比微小通道内气液两相流的温度及含气率变化,分析得出同等条件下方管的换热特性更好。     

间断环面槽肋片管束的传热和流动阻力

应用热 -质比拟技术 ,对间断环面槽肋片管束进行了传质与流动阻力实验 ,根据热 -质比拟关系得出传热结果 .分析了该种换热芯子在不同板间距时的传热与阻力特性 .与光板肋片管换热芯子比较 ,该种换热元件的传热与阻力都有很大提高 ,而阻力增加幅度更大 .实验结果为运用单位选用肋片管式换热器提供了依据 .     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。