电场作用下扰流螺旋线圈与纳米流体强化细通道流动沸腾传热研究

发布时间：2020-07-05 02:15

【摘要】：为了进一步提高微细通道换热器的传热性能,不少研究者将传统的强化传热技术应用于微细通道换热器中进行研究。然而在实际应用中,由于部分热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求,在微细通道换热器上应用单一强化传热技术已无法满足实际需求,因此有必要将复合强化传热技术应用于微细通道换热器中。鉴于此,本文主要目标是将电场强化传热技术、螺旋线圈强化传热技术和纳米流体强化传热技术应用到细通道中进行研究,特别是研究它们相互复合时的强化传热效果。围绕这一目标,主要开展了以下研究工作:(1)电场作用下细通道流动沸腾研究。提出一种带有线状电极结构的细通道热沉。单一细通道宽2 mm,高2 mm。作为正极的线状电极位于通道中部以便产生不均匀电场。实验研究了有无电场作用下R141b工质在垂直细通道热沉的流动沸腾特性,并采用高速摄像仪进行可视化研究,进而分析有无电场作用下流动沸腾过程中汽液界面变化的特征。此外还从物理角度初步探析了其变化的机理。结果表明电场作用下会产生更多的蒸气,以至于流型的转变提前发生,且电场致使汽泡的运动行为发生改变,进而强化传热。电场强化传热效果在泡状流和弹状流区域显著,而在搅拌流和环状流区域比较弱或不明显。在目前实验条件下有电场时最大传热系数为5.57 kW/(m2·K),电场传热强化比率在1.0～2.48之间。电场对总压降和单位长度两相摩擦压降有一定影响,但是影响不大且规律不明显。在高低热流密度时压降波动随电场强度增大而增强,而在中等热流密度时压降波动随电场强度增大反而减弱。Hurst指数分析表明压降波动过程具有不同程度的非周期长程相关性,可能会导致系统出现混沌现象。此外,结合实验数据,分别基于Sun-Mishima传热和Li-Wu(2011)压降的关联式上提出适用于预测电场作用下细通道的两相传热系数和压降的关联式,两者预测的平均绝对误差分别为8.5%和6.4%。(2)电场作用下内置螺旋线圈细通道流动沸腾研究。内置螺旋线圈细通道内单相液体流动与传热的数值研究表明,线圈使得通道内存在涡流,进而强化对流传热,此结果为流动沸腾分析提供一定的参考。实验研究了有无电场作用下内置螺旋线圈细通道的流动沸腾特性。结果表明,线圈可提供稳定的沸腾汽化核心。在泡状流和弹状流区域,线圈使得小汽泡的运动行为和受限汽泡的汽液界面形状变化比较随机,有电场时更加随机。在环状流区域,线圈使得液膜的液体量比较充裕,利于在液膜里形成稳定的沸腾汽化核心。不管是否施加电场,内置线圈细通道的传热系数、总压降、两相总压降和单位长度两相摩擦压降都高于未置入线圈的细通道(光滑细通道),且线圈强化传热效果在泡状流和弹状流区域比较显著。在大部分工况下线圈细通道的电场传热强化比率低于光滑细通道。对于线圈细通道,在目前实验条件下无电场和有电场时最大传热系数分别为5.60kW/(m2·K)和10.43kW/(m2·K),电场传热强化比率在1.0～1.86之间。此外,不管是否施加电场,线圈在一定程度上抑制细通道流动沸腾的流动不稳定性。(3)电场作用下细通道内纳米流体流动沸腾研究。实验研究了有无电场作用下光滑细通道内TiO2/R141b和TiO2/Span80/R141b纳米流体的流动沸腾特性。结果表明,无电场时Ti02/R141b和TiO2/Span80/R141b的传热系数分别比R141b平均增大了 20%和10%。有电场时TiO2/R141b和TiO2/Span80/R141b的电场传热强化比率的范围分别为1.01～1.58和1.01～1.85。电场对纳米流体的总压降和单位长度两相摩擦压降有一定的影响,但是影响不大且规律也不明显。在无电场条件下,低热流密度时纳米流体对压降影响不明显,高热流密度时纳米流体压降略高于纯工质,且TiO2/Span80/R141b略高于TiO2/R141b。此外,未经Span80分散剂修饰的纳米颗粒会在电场作用下附着在正极上,使得纳米流体稳定性下降,表明此类纳米流体不适合与电场强化传热技术复合。因此仅研究了内置线圈细通道内TiO2/Span80/R141b的流动沸腾特性。无电场时纳米流体的传热系数与纯工质相比,最大增大了 10%。有电场时纳米流体的传热强化比率的范围为1.01～1.61。无电场作用下,低热流密度时大部分工况的纳米流体总压降和单位长度两相摩擦压降与纯工质比较接近,而高热流密度时纳米流体总压降和单位长度两相摩擦压降均大于纯工质,总压降和单位长度两相摩擦压降最大分别增大了 8.4%和10.6%。有电场作用下,纳米流体的总压降和单位长度两相摩擦压降平均比无电场的高6.8%和8.2%。(4)电场、螺旋线圈和纳米流体及其复合的综合性能评价。评价结果表明大部分强化技术在泡状流或弹状流时才体现出优良的综合性能,而在搅拌流或环状流时,这些强化传技术综合性能出现明显差异。在中高热流密度时(即流型为搅拌流和环状流),纳米流体、电场和纳米流体/电场这3种强化技术的综合性能不理想或无效,而线圈、线圈/电场、线圈/纳米流体和线圈/纳米流体/电场这4种强化传热方式对综合性能反而起到恶化的效果。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ021.3
【图文】：

换热表面,表面,网格,文献

和脱离受电场力抑制，因此核态沸腾传热恶化。在高过热区，蒸气柱在电场作用下破裂为小汽泡，因此沸腾传热和临界热流密度得以强化。上述文献中提到的一些典型的换热表面结构如图1-1所示。(a)微翅片管表面[15](b)微槽道结构表面[17](c)多层铜烧结网格表面[19](d)肋表面[20]图1-1文献中不同结构的换热表面Fig. 1-1 Heating surface with different structure in the literature

微通道,热沉,网板,文献

微通道的流动沸腾性能。研究发现带有三角形凹穴微通道与光滑的相比，前者明显地强化了传热，显著地降低压降，且具有较稳定和均匀的壁面温度分布。上述文献中提到的一些典型的微细通道热沉结构如图1-2所示。(a)内凹槽道多孔热沉[56](b)底面带有针肋的微通道热沉[69](c)斜翅微通道热沉[61](d)交错互通微通道网板热沉[65]图1-2文献中不同结构的微通道热沉Fig. 1-2 Microchannel heat sinks of different structure in the literature

【参考文献】