【摘要】：為了進(jìn)一步提高微細(xì)通道換熱器的傳熱性能,不少研究者將傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于微細(xì)通道換熱器中進(jìn)行研究。然而在實(shí)際應(yīng)用中,由于部分熱交換系統(tǒng)特殊結(jié)構(gòu)的限制和高負(fù)荷傳熱強(qiáng)度的要求,在微細(xì)通道換熱器上應(yīng)用單一強(qiáng)化傳熱技術(shù)已無法滿足實(shí)際需求,因此有必要將復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于微細(xì)通道換熱器中。鑒于此,本文主要目標(biāo)是將電場強(qiáng)化傳熱技術(shù)、螺旋線圈強(qiáng)化傳熱技術(shù)和納米流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用到細(xì)通道中進(jìn)行研究,特別是研究它們相互復(fù)合時(shí)的強(qiáng)化傳熱效果。圍繞這一目標(biāo),主要開展了以下研究工作:(1)電場作用下細(xì)通道流動沸騰研究。提出一種帶有線狀電極結(jié)構(gòu)的細(xì)通道熱沉。單一細(xì)通道寬2 mm,高2 mm。作為正極的線狀電極位于通道中部以便產(chǎn)生不均勻電場。實(shí)驗(yàn)研究了有無電場作用下R141b工質(zhì)在垂直細(xì)通道熱沉的流動沸騰特性,并采用高速攝像儀進(jìn)行可視化研究,進(jìn)而分析有無電場作用下流動沸騰過程中汽液界面變化的特征。此外還從物理角度初步探析了其變化的機(jī)理。結(jié)果表明電場作用下會產(chǎn)生更多的蒸氣,以至于流型的轉(zhuǎn)變提前發(fā)生,且電場致使汽泡的運(yùn)動行為發(fā)生改變,進(jìn)而強(qiáng)化傳熱。電場強(qiáng)化傳熱效果在泡狀流和彈狀流區(qū)域顯著,而在攪拌流和環(huán)狀流區(qū)域比較弱或不明顯。在目前實(shí)驗(yàn)條件下有電場時(shí)最大傳熱系數(shù)為5.57 kW/(m2·K),電場傳熱強(qiáng)化比率在1.0～2.48之間。電場對總壓降和單位長度兩相摩擦壓降有一定影響,但是影響不大且規(guī)律不明顯。在高低熱流密度時(shí)壓降波動隨電場強(qiáng)度增大而增強(qiáng),而在中等熱流密度時(shí)壓降波動隨電場強(qiáng)度增大反而減弱。Hurst指數(shù)分析表明壓降波動過程具有不同程度的非周期長程相關(guān)性,可能會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。此外,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別基于Sun-Mishima傳熱和Li-Wu(2011)壓降的關(guān)聯(lián)式上提出適用于預(yù)測電場作用下細(xì)通道的兩相傳熱系數(shù)和壓降的關(guān)聯(lián)式,兩者預(yù)測的平均絕對誤差分別為8.5%和6.4%。(2)電場作用下內(nèi)置螺旋線圈細(xì)通道流動沸騰研究。內(nèi)置螺旋線圈細(xì)通道內(nèi)單相液體流動與傳熱的數(shù)值研究表明,線圈使得通道內(nèi)存在渦流,進(jìn)而強(qiáng)化對流傳熱,此結(jié)果為流動沸騰分析提供一定的參考。實(shí)驗(yàn)研究了有無電場作用下內(nèi)置螺旋線圈細(xì)通道的流動沸騰特性。結(jié)果表明,線圈可提供穩(wěn)定的沸騰汽化核心。在泡狀流和彈狀流區(qū)域,線圈使得小汽泡的運(yùn)動行為和受限汽泡的汽液界面形狀變化比較隨機(jī),有電場時(shí)更加隨機(jī)。在環(huán)狀流區(qū)域,線圈使得液膜的液體量比較充裕,利于在液膜里形成穩(wěn)定的沸騰汽化核心。不管是否施加電場,內(nèi)置線圈細(xì)通道的傳熱系數(shù)、總壓降、兩相總壓降和單位長度兩相摩擦壓降都高于未置入線圈的細(xì)通道(光滑細(xì)通道),且線圈強(qiáng)化傳熱效果在泡狀流和彈狀流區(qū)域比較顯著。在大部分工況下線圈細(xì)通道的電場傳熱強(qiáng)化比率低于光滑細(xì)通道。對于線圈細(xì)通道,在目前實(shí)驗(yàn)條件下無電場和有電場時(shí)最大傳熱系數(shù)分別為5.60kW/(m2·K)和10.43kW/(m2·K),電場傳熱強(qiáng)化比率在1.0～1.86之間。此外,不管是否施加電場,線圈在一定程度上抑制細(xì)通道流動沸騰的流動不穩(wěn)定性。(3)電場作用下細(xì)通道內(nèi)納米流體流動沸騰研究。實(shí)驗(yàn)研究了有無電場作用下光滑細(xì)通道內(nèi)TiO2/R141b和TiO2/Span80/R141b納米流體的流動沸騰特性。結(jié)果表明,無電場時(shí)Ti02/R141b和TiO2/Span80/R141b的傳熱系數(shù)分別比R141b平均增大了 20%和10%。有電場時(shí)TiO2/R141b和TiO2/Span80/R141b的電場傳熱強(qiáng)化比率的范圍分別為1.01～1.58和1.01～1.85。電場對納米流體的總壓降和單位長度兩相摩擦壓降有一定的影響,但是影響不大且規(guī)律也不明顯。在無電場條件下,低熱流密度時(shí)納米流體對壓降影響不明顯,高熱流密度時(shí)納米流體壓降略高于純工質(zhì),且TiO2/Span80/R141b略高于TiO2/R141b。此外,未經(jīng)Span80分散劑修飾的納米顆粒會在電場作用下附著在正極上,使得納米流體穩(wěn)定性下降,表明此類納米流體不適合與電場強(qiáng)化傳熱技術(shù)復(fù)合。因此僅研究了內(nèi)置線圈細(xì)通道內(nèi)TiO2/Span80/R141b的流動沸騰特性。無電場時(shí)納米流體的傳熱系數(shù)與純工質(zhì)相比,最大增大了 10%。有電場時(shí)納米流體的傳熱強(qiáng)化比率的范圍為1.01～1.61。無電場作用下,低熱流密度時(shí)大部分工況的納米流體總壓降和單位長度兩相摩擦壓降與純工質(zhì)比較接近,而高熱流密度時(shí)納米流體總壓降和單位長度兩相摩擦壓降均大于純工質(zhì),總壓降和單位長度兩相摩擦壓降最大分別增大了 8.4%和10.6%。有電場作用下,納米流體的總壓降和單位長度兩相摩擦壓降平均比無電場的高6.8%和8.2%。(4)電場、螺旋線圈和納米流體及其復(fù)合的綜合性能評價(jià)。評價(jià)結(jié)果表明大部分強(qiáng)化技術(shù)在泡狀流或彈狀流時(shí)才體現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能,而在攪拌流或環(huán)狀流時(shí),這些強(qiáng)化傳技術(shù)綜合性能出現(xiàn)明顯差異。在中高熱流密度時(shí)(即流型為攪拌流和環(huán)狀流),納米流體、電場和納米流體/電場這3種強(qiáng)化技術(shù)的綜合性能不理想或無效,而線圈、線圈/電場、線圈/納米流體和線圈/納米流體/電場這4種強(qiáng)化傳熱方式對綜合性能反而起到惡化的效果。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ021.3
【圖文】：

和脫離受電場力抑制，因此核態(tài)沸騰傳熱惡化。在高過熱區(qū)，蒸氣柱在電場作用下破裂為小汽泡，因此沸騰傳熱和臨界熱流密度得以強(qiáng)化。上述文獻(xiàn)中提到的一些典型的換熱表面結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。(a)微翅片管表面[15](b)微槽道結(jié)構(gòu)表面[17](c)多層銅燒結(jié)網(wǎng)格表面[19](d)肋表面[20]圖1-1文獻(xiàn)中不同結(jié)構(gòu)的換熱表面Fig. 1-1 Heating surface with different structure in the literature

微通道的流動沸騰性能。研究發(fā)現(xiàn)帶有三角形凹穴微通道與光滑的相比，前者明顯地強(qiáng)化了傳熱，顯著地降低壓降，且具有較穩(wěn)定和均勻的壁面溫度分布。上述文獻(xiàn)中提到的一些典型的微細(xì)通道熱沉結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。(a)內(nèi)凹槽道多孔熱沉[56](b)底面帶有針肋的微通道熱沉[69](c)斜翅微通道熱沉[61](d)交錯(cuò)互通微通道網(wǎng)板熱沉[65]圖1-2文獻(xiàn)中不同結(jié)構(gòu)的微通道熱沉Fig. 1-2 Microchannel heat sinks of different structure in the literature

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2741933