环形小通道内水单相换热特性的实验研究

采用自行设计的环形小通道换热装置,对双面加热环形小通道内单相水处于流动充分发展下的对流换热特性进行了实验研究,通过热电偶、流量计测量内外壁面温度、水温和水流量,分析单相水处于不同热流密度下内外壁面热流密度、流量与对流传热系数之间的关系特性,结果表明:通道内外壁单独加热时的壁面对流传热系数均随加热热流密度的增大而增大,当加热热流密度一定时,内壁面对流传热系数随流量的增大而增大,外壁面对流传热系数随流量的增大变化不明显;内外壁同时加热时,随着内、外壁加热热流密度比的增大,内壁面的对流传热系数先减小后增大,而外壁面的对流传热系数一直增大。     

不同磁场作用下Fe3O4/water纳米流体层流流动对流传热系数的实验研究

对体积分数为3%的Fe₃O₄/water纳米流体在不同温度、不同磁场大小和方向的均匀磁场和梯度磁场作用下的对流换热进行了详细的实验研究。首先,开展了纳米流体能量方程的量纲1分析,讨论了纳米流体强化换热的机理。发现磁性纳米粒子所受到的磁力远远大于布朗运动力。实验测试结果与量纲1分析相吻合,在垂直均匀磁场作用下,纳米流体层流流动的平均对流传热系数提高了5.2%;在垂直梯度磁场作用下,平均对流传热系数提高了9.2%。而在水平均匀磁场作用下,纳米流体平均对流传热系数下降了4.8%。另外,随着温度的升高,对流传热系数均逐渐升高。     

不同磁场作用下Fe_3O_4/water纳米流体层流流动对流传热系数的实验研究

对体积分数为3%的Fe_3O_4/water纳米流体在不同温度、不同磁场大小和方向的均匀磁场和梯度磁场作用下的对流换热进行了详细的实验研究。首先,开展了纳米流体能量方程的量纲1分析,讨论了纳米流体强化换热的机理。发现磁性纳米粒子所受到的磁力远远大于布朗运动力。实验测试结果与量纲1分析相吻合,在垂直均匀磁场作用下,纳米流体层流流动的平均对流传热系数提高了5.2%;在垂直梯度磁场作用下,平均对流传热系数提高了9.2%。而在水平均匀磁场作用下,纳米流体平均对流传热系数下降了4.8%。另外,随着温度的升高,对流传热系数均逐渐升高。     

蛇形换热管内超临界甲烷传热特性研究

使用甲烷代替液化天然气(LNG),对超临界LNG在单根蛇形管内的流动与传热特性进行了数值模拟,分析了流体物性、进口速度、压力及壁温对超临界流体传热特性的影响。结果表明,表面传热系数的总体变化趋势与定压比热容随温度压力的变化类似,表面传热系数沿管程先增大后减小;而在远大于拟临界温度的区域,除弯管处由于二次流出现突变外,表面传热系数渐趋稳定。壁温、入口速度及压力都会对表面传热系数的峰值位置和大小产生影响。增大压力可以改善超临界区域传热恶化现象;进口速度对传热影响较大,随着进口速度增大,表面传热系数显著增加。     

水平管道中LNG饱和流动沸腾两相传热

对水平LNG输送管道的LNG饱和流动沸腾传热现象进行数值研究。管道内部光滑,内径为8 mm。分别计算了管道入口压力从0.3到0.7 MPa、热流量范围为8~36 k W/m2、质量流量范围为49.2~201.8 kg/m2s。基于混合模型对所设计的几组工况进行数值计算。得出了蒸汽质量、入口压力、热流量和质量流量对传热热性的影响。结果表明:热流量显著影响着LNG的局部传热系数。随着热通量的增高,局部传热系数也变大。当质量流量较高时,局部传热系数受强制对流的影响较大。传热系数随着进口压力的增加而增大。当质量流量变高时,入口压力越大局部传热系数越低,随着进口压力的增大,进口压力对传热的影响在逐渐减弱。     

低质量流速下超临界CO2在管内冷却换热特性

开展了低质量流速下超临界CO₂在水平直管内冷却过程的换热特性的实验研究。实验压力为p=7.5~9.0 MPa,质量流速为G=79.6~358.1 kg·m^-2·s^-1,流体温度为25.0~50.0℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响,并引入Richardson数阐述浮升力对超临界CO₂在水平直管内冷却换热影响。实验结果表明: 传热系数随着质量流速的增加而增大。传热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时,传热系数峰值点出现在准临界温度之前,且浮升力作用加大,流体处于混合对流状态。将传热系数的实验值和已有的换热关联式计算值作对比后发现在低质量流速下误差较大,拟合了低质量流速工况的超临界CO₂在水平直管内冷却换热的关联式,94%的实验值和拟合关联式误差在±20%范围内。     

柱形流化床传热特性的数值模拟

对Shedid等搭建的圆柱体流化床采用欧拉?欧拉法进行三维数值模拟,考察了颗粒球形度、表观进气速度和床料初始堆积高度对流化床内垂直加热壁面与流动床料之间对流传热特性的影响,采用有效导热系数分别计算气相和固相的对流传热系数。结果表明,随表观进气速度增大,流化床内颗粒物料湍流运动加剧,加热壁面平均温度和流体平均温度下降,壁面流体间传热平均温度差减小,壁面流体间对流传热系数增大;随初始床料高度增加,流化床内颗粒与加热壁面的接触面积增大,导致固相平均对流传热系数增大。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO₂/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO_2/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明：增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

PCHE内轴向导热对局部换热性能的影响研究

通过改变印刷电路板式换热器(PCHE)通道壁厚、直径以及冷热侧CO_2进口温度差,数值分析了层流条件下,轴向导热对PCHE内超临界压力CO_2流动换热的影响。结果表明,考虑轴向导热时,局部热通量沿程变化更加平缓,冷侧对流传热系数在小于拟临界温度区域变小,而热侧对流传热系数在小于拟临界温区域增大;轴向导热仅对热效率峰值附近区域有所影响,其使得峰值略有增大且向低温侧移动;传热熵产主要发生在高温区域,轴向导热可有效降低局部传热熵产。增大壁厚和直径可增大轴向导热的影响,而增大进口温差,轴向导热的影响变化不大。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

超临界二氧化碳在微细管内的换热特性

建立了内径为1.31mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明:增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。     

基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明：工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。     

细小槽道换热器内相变微胶囊悬浮液对流传热DPM模拟

基于离散相模型,采用颗粒比热容随温度变化分段函数描述颗粒的相变过程,模拟了相变微胶囊悬浮液在细小槽道换热器内的对流传热特性,考察了不同入口流量时换热器进出口压差及温差的变化规律,并与纯水进行比较,分析了换热器内部及加热面温度分布,研究了换热器典型通道修正的局部努赛尔数Nux*沿流动方向的变化规律. 结果表明,相变微胶囊悬浮液在换热器内的压损随流量变化规律与纯水一致,较纯水有所增大;引入相变微胶囊颗粒减缓了加热面和流体温度升高的速率,使换热器出口及加热面的温度比纯水低;受进出口位置影响,换热器内温度呈现中间通道低、向两侧逐渐升高的分布规律. 不同通道的Nux*沿流动方向的变化规律存在一定差异,部分通道内相变材料完全融化,而部分通道内相变材料尚未完全融化就流出换热器. 需改进换热器进出口位置或对换热器内部结构进行优化设计以获得较好的流量分配特性,从而改善换热效果.     

基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明:工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。     

PCHE内轴向导热对局部换热性能的影响研究

通过改变印刷电路板式换热器（PCHE）通道壁厚、直径以及冷热侧CO₂进口温度差,数值分析了层流条件下,轴向导热对PCHE内超临界压力CO₂流动换热的影响。结果表明,考虑轴向导热时,局部热通量沿程变化更加平缓,冷侧对流传热系数在小于拟临界温度区域变小,而热侧对流传热系数在小于拟临界温区域增大;轴向导热仅对热效率峰值附近区域有所影响,其使得峰值略有增大且向低温侧移动;传热熵产主要发生在高温区域,轴向导热可有效降低局部传热熵产。增大壁厚和直径可增大轴向导热的影响,而增大进口温差,轴向导热的影响变化不大。     

水平管内甲烷超临界压力加热的数值模拟

以甲烷为研究对象,采用CFD数值模拟二维水平管内超临界压力甲烷加热情况下的传热性能,分析了热流密度、质量流速和进口温度对其传热性能的影响规律,结果表明:当进口温度和质量流速一定时,随着热流密度的增加壁温增大,而表面传热系数减小;当进口温度和壁面热流密度一定时,表面传热系数随质量流速的增大而增大;当质量流速和壁面热流密度一定时,表面传热系数随进口温度的增大而增大。     

黏度随温度变化对三角形螺旋夹套内湍流流体流动及换热的影响

考虑受热流体黏度随温度变化的影响,对三角形螺旋夹套内流体湍流换热进行了数值模拟分析。经与实验结果比对,证明了模拟方法可靠。基于模拟结果重点分析了受热流体黏度变化对流道内流体流动和换热特性的影响,剖析了受热流体的截面平均流动阻力(fRe_m)和平均Nusselt数(Nu_m)沿流动方向的发展特点,并比较了不同流动参数和不同结构参数下流道内受热流体定黏度和变黏度时流体总流动阻力和传热系数的差别。结果表明:考虑流体黏度随温度变化时会明显影响三角形螺旋夹套内流体的流动和换热特性。对比两种流体fRe_m和Nu_m沿流体流动方向的发展过程发现,在早期、中间和后期发展3个阶段中,后期发展阶段中两种流体的发展趋势明显不同;相同来流条件和热边界条件下,与定黏度流体相比,同一横截面上变黏度流体各点的局部流动阻力较小,而局部Nusselt数却较大,因此变黏度流体总的流动阻力较小,而总的传热系数较大;Reynolds数越低,流道量纲一曲率越小,变黏度受热流体的流动和换热性能与定黏度流体流动和换热性能相比差异愈明显,则考虑流体黏度随温度变化对流体流动和传热的影响更为重要。     

三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热模拟

对三角形螺旋夹套内流体的湍流流动及换热性能进行了模拟,得到了充分发展条件下恒定热流加热时釜内湍流流体的速度场,分析了雷诺数(Re)和无量纲曲率(k) 对流体阻力和换热性能的影响,并由模拟数据拟合出平均阻力系数及平均努赛尔数的关联式. 结果表明,湍流流动中,夹套内流体的二次流动为稳定的二涡结构,随雷诺数增大,二次流强度和湍动能均增强. 由于离心力的作用,外壁面的阻力系数远大于内壁面. 换热面上局部努塞尔数的峰值出现在靠近二次涡中心位置的换热壁面处,换热面中心处的局部努塞尔数约为峰值的85%. 随Re和k增大,峰值处的局部努塞尔数值增大最明显,流体的平均努塞尔数及阻力系数均增大. 在所模拟的范围内,三角形螺旋夹套的效率因子E>3.7,且随Re和k增大,E逐渐增大.