基于薄液膜蒸发的超高速冷冻方法初探

玻璃化冷冻方法是细胞超低温保存的有效冷冻方法之一.在细胞的玻璃化冷冻过程中,降温速率的提高有利于细胞内外溶液玻璃化程度的增加,同时可以降低低温保护剂的浓度,进而减少低温保护剂对细胞的毒性损伤和渗透性损伤.本文尝试将薄液膜蒸发这种高效相变传热方式与液氮的低温冷却过程相结合,发展了一种超高速、超低温冷冻降温方法.初步的实验结果表明:冷冻载体从10℃降到-180℃,其平均冷却速率达到了148052℃/min。     

微结构表面的大过热度蒸发传热特性分析

玻璃化冷冻方法是细胞超低温保存的有效冷冻方法之一。降温速率的提高有利于细胞内外溶液玻璃化程度的增加,同时可以降低低温保护剂的浓度,减少低温保护剂对细胞的毒性伤害和渗透性损伤。本文针对发生在冷冻载体微结构表面的大过热度蒸发过程的传热特性进行研究。采用集总热容法,计算了传热过程的热流密度、总传热热阻和液氮蒸发传热系数等重要传热参数,考察了它们随过热度变化的规律。在本文研究的过热度变化范围内,随着过热度的增加,微结构表面的液氮蒸发传热系数呈线性减小趋势;总传热阻呈指数增加趋势;热流密度呈抛物线变化趋势。上述研究成果有利于进一步理解微结构表面的大过热度蒸发传热机理。     

射流冲击泡沫金属流动液膜传热的实验研究

薄液膜蒸发由于其优良的传热特性而被广泛应用于工业领域。在流动液膜上表面覆盖铜质泡沫金属,并耦合空气射流冲击,能够进一步强化传热。多孔泡沫金属提供的毛细驱动力能够有效控制流动液膜的厚度以避免干涸,同时多孔材料特殊的固体骨架构造可以扩大固液、气液传热面积。为了研究射流冲击条件下多孔介质覆盖流动液膜的传热特性,本文通过实验方法,对包括液膜流速Vf、空气射流速度Va、液膜厚度δf和多孔介质孔隙率ε在内的影响因素进行分析,研究并对比这些因素对加热壁面温度Tw、表面传热系数hw以及传热系数提升率的影响。     

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型.利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度.数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略.阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系.     

固着液滴蒸发薄液膜区传质传热特性数值研究

本文基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论,以水为工质,建立固着液滴蒸发薄液膜区、宏观弯月面区、固体基底内部及气液、液固、气固界面的耦合传热模型,并探究固体基底厚度和热物性对蒸发薄液膜区传热特性的影响。结果表明,由于液滴蒸发过程中的冷却效应,三相接触线附近的基底温度低于周围固体温度;蒸发速度越快,温度差越大。蒸发薄液膜的长度、最大质量流量和传热量与基底厚度与液滴半径比值h_r有关;当h_r=0.4时,薄液膜区传热对总体传热贡献最大;基底的热导率越小,蒸发液滴具有更长的蒸发薄液膜长度及更强的界面传热,薄液膜区传热对总体传热影响越显著.     

高效换热器内冷凝换热热阻的实验研究

在水平强化管内R134a的冷凝换热实验中,对试验工况中管内流型进行计算预测,使用关联式对管内传热系数进行预测,以校核实验数据的可靠性,以质量流量、冷凝温度为变量,以总传热系数K、冷冻水传热系数h_w、制冷剂传热系数h_r为衡量指标,对强化管换热热阻进行研究。实验结果表明:总传热系数K、制冷剂传热系数h_r均随质量流量的增加而增大,且对应冷凝温度越低其值越大,而冷冻水传热系数h_w随质量流量的增加而稍有降低,冷凝温度对其值影响并不大。此外,随着质量流量的增加,冷冻水热阻占总热阻比值逐渐增加,但制冷剂热阻总是小于冷冻水热阻,且冷凝温度越低,两者的差值越大。换热管内外热阻比重IOR随着质量流量的增加而降低,随着冷凝温度的升高而增大。     

单环路平板脉动热管定向循环的数值研究

根据脉动热管薄液膜蒸发和凝结相变换热的特点,对基于体积分数法的VOF相变进行了改进,建立了单环路板式脉动热管的三维流固耦合仿真模型,对高充液率下的定向循环工作特性和传热性能进行了数值研究。结果表明:仿真得到的泡状流,柱塞流以及环状流的分布以及转换规律和可视化实验结果较好吻合;在一定的充液率下,随着热负荷的增加,热阻先减小,然后上升,充液率越低,热阻越小,和实验结果的热阻误差在10%以内。分析发现,除了相变换热系数,脉动热管的热阻还和系统压力密切有关,高充液率、高功率下,内部压力(相变温度)上升过快,是其热阻升高的主要原因之一。     

R134a在水平管外降膜蒸发的实验研究

实验研究了不同热流密度不同液膜流量下,R134a在垂直布置的七根水平强化管外的降膜蒸发传热特性。结果表明:相同热流密度下在液膜流量较小阶段,管外传热系数随着液膜流量增加而明显增加;随着液膜流量的进一步增大,管1~3的管外传热系数保持不变,管4~7的管外传热系数先增大后减小。同时发现,液膜流量为0.159 kg·m~(-1)·s~(-1)时,随着热流密度的增大所有管的传热性能先增大后减小,并且转折点出现在较小的热流密度下;液膜流量为0.29 kg·m~(-1)·s~(-1)时,管1性能一直增强,管2~4的传热系数随热流密度增大先增大后减小,管5~7的传热系数一直减小,并且管1~4转折点出现在较大热流密度下。     

平板上蒸发液滴内表面张力作用下流动的研究

一、前言 相界面的传热、传质过程往往伴随着流体内部的对流运动。由界面张力(表面张力)驱动的流体流动,对于热、质交换的强化起着重要作用。人们对于平板上水平液膜,流体介质中的液滴等现象进行了广泛的研究,揭示了许多表面张力驱动流动的性质,以及它与传热、传质的关系。对于水平平板上厚度小于1mm的薄液膜,液膜内的流动主要是由于温差引起的表面张力梯度触发的Bénard细胞流。实验研究发现:在水平平板上蒸发的液滴内也会出现Bénard细胞流。但是,液滴与液膜存在形状上的差异,故内部流动形式也将不同。若把小接触角的液滴看作是各处厚度不等的液膜,可以预见滴内的细胞     

热阻法抑制脉管制冷机冷头温度波动研究

低温冷冻靶等应用要求目标控温波动度小于1m K量级。为了实现这一亚毫开级的高精度控温,并揭示控制措施对抑制温度波动的定量作用机理,基于脉管低温制冷机搭建了深冷温控测试平台。采用热阻法,即通过在制冷机冷头和被测样品之间插入不锈钢薄片组合来引入传热热阻,对模拟样品的温度波动进行实验测量,获得了制冷机二级冷头在5~30K温区的温度波动情况和传热热阻之间的定量关系。增加传热热阻是抑制温度波动的有效手段。     

局部超亲水调控自然循环流动沸腾传热研究

气液分层流动沸腾现象是水平加热管道内在低热流和流量条件下常见的现象,提高和改善气液分层流动沸腾换热对于改善换热设备性能具有重要意义。本文通过建立蒸发段水平加热自然循环流动沸腾实验台,通过对加热功率为1000 W,长度为0.8 m,,内径为15.0 mm的蒸发段内典型的气液分层区域(C-D区)沸腾表面进行局部超亲水修饰,研究局部超亲水修饰对自然循环系统内气液分层流动沸腾性能的影响。实验结果表明:局部超亲水表面处理方法可以有效改善传热特性,蒸发段各截面温度均有不同程度的下降,并且各截面温度变化趋势趋于平缓;局部超亲水表面可以提高蒸发段平均传热系数159%,并且有效降低蒸发段热阻。     

用于卵母细胞玻璃化冷冻的几种方法的传热分析

使用高冷冻速率和低浓度冷冻保护液来实现卵母细胞的玻璃化冷冻保存是目前卵母细胞低温保存的主要发展方向.文中选择四种具有代表性的用于卵母细胞玻璃化冷冻的方法:弹射法、OPS法、QMC法和Cryotop法,通过对它们传热特点的分析以及动态温度场分布的模拟计算,找出冷冻速率最高的方法.结果表明,Cryotop法的传热性能优于其...     

高通量空气隙膜蒸馏传热研究

本文研究了空气隙膜蒸馏的传热过程,给出了其主要的传热计算公式。实验结果表明热腔内进液流量的增加,使传热强化,膜通量增加,但提高膜通量最有效的方式还是提高进液的温度。针对膜蒸馏热腔内切向旋转入流的特点,本文认为采用近似对流外掠平板的经验公式更加合适,并根据实验结果拟合出热腔对流换热的经验公式,计算结果与实验结果吻合较好。空气隙厚度大于3mm后,由于空气隙内自然对流换热的影响,空气隙传递的热量反而增加,并且进液温度越高,自然对流换热对总热流密度的影响越大。根据实验结果给出了水蒸气在冷壁表面凝结换热的表面传热系数计算公式。     

低温冷冻靶微管燃料充注流动冷凝特性

低温冷冻靶是惯性约束核聚变装置的关键部件之一。冷冻靶靶丸位于黑腔内部,需要利用微管完成燃料充注。针对燃料在微管内发生气液相变后流入靶丸这一关键过程,研究了微通道流体与常规流体流动传热的差异。基于微通道特性对流体流动传热方程进行修正,同时建立了气液相变模型,对微充气管内燃料充注过程进行了数值计算分析。得到重力和表面张力的影响,在微通道中,重力作用可以忽略,表面张力起重要作用。得到了微尺度效应包括速度滑移和温度跳跃对流动传热过程的影响。对多种充气管结构进行比较分析,为选型提供指导。通过选择不同进口条件和出口条件,对充注量控制和充注条件选择提供了指导方案,实际充注时需要同时提高进口温度和压力,保证连续可控充注。     

基于微肋管的微沟槽表面薄液膜沸腾理论模型

本文提出了基于微肋管的薄液膜蒸发沸腾的输运现象数学模型及其有限差分求解方法。数值模拟结果表明,在蒸发扩张半月形液膜中,非蒸发液膜区域液膜形状主要取决于分子膨胀压力;在薄液膜区域与非蒸发区域的连接处存在着一个强烈的蒸发点,这是膨胀压力和表面张力共同作用的结果;在本征半月形液膜区域压力梯度几乎完全取决于表面张力,因而在该区域内液膜形状可以假定为圆弧形状。     

圆锥形传热面上的薄液膜沸腾

液体在水平传热面上沸腾时,液位越低传热系数越高的现象,见文献[1—3]。液位降到一定限度后,稳定沸腾遭到破坏,传热面上出现的干燥斑因得不到液体的补充逐渐扩大,直到传热面烧毁。为解决零液位附近薄液膜滞腾的稳定性问题,文献[4]研究了倾斜传热面的液膜沸腾。指出:当倾斜传热面的一端保持零液位,沿长度方向液位逐渐增加的状     

生物材料冻存中低温保护剂的作用机理及实验研究

生物材料在冻存过程中保存液内加载低温保护剂可以减轻降温和复温时对细胞的损伤。介绍了低温保护剂的种类及其特点,分析了低温保护剂的作用机理。实验结果表明,选择合适的低温保护剂及其浓度,可以大大提高生物细胞的存活率。     

液相线跟踪低温保存方法的研究

液相线跟踪法是生物材料玻璃化保存的一种手段。降温时通过边降温边提高低温保护剂浓度、复温时边升温边降低低温保护剂浓度的方式,该方法能够有效减轻降温/复温过程中高浓度保护剂对细胞的毒性损伤,从而提高生物材料低温保存的成活率。文中介绍可实现液相线跟踪的低温保存装置,该装置以液氮为冷源、采用计算机控制。以二甲亚砜-氯化钠-水溶液为例进行的实验表明,该装置能够实现温度和保护剂浓度的良好匹配,二甲亚砜的最终浓度达到了玻璃化所需浓度。     

水平微肋管内基于分层流流型的沸腾传热理论模型

本文提出了基于气液分层流的水平螺旋微肋管内沸腾传热理论预测模型。在模型建立过程中,采用了与开发微肋管冷凝分层流模型类似的理论处理方法。在气液分界面以上区域,相邻微肋之间的沟槽内的半月形液面形状取决于重力和表面张力之间的静力平衡关系,其中半月形液面中的薄液膜区域的传热特性由先前提出的薄液膜蒸发模型预测;分层流液体中的传热特性由Mori等建立的基于实验数据的关联式确定。将模型理论预测值与已由的四种不同结构的微肋管、三种有机工质下得到的实验数据进行了比较,结果表明,只要不发生管内部分烧涸现象,在Fr0<2.5时,理论预测值和实验数据符合得相当好。     

水平管降膜蒸发器传热特性研究

建立了水平管降膜蒸发和管内凝结传热实验台,通过对实验结果的归纳,获得了水平管降膜蒸发器总传热系数随喷淋密度、蒸发温度、传热温差和蒸汽入口流速的变化规律,以及管间距对传热特性的影响。结果表明,总传热系数随喷淋密度、蒸发温度的增大而增大,随传热温差的增大而减小,而蒸汽流速对传热系数影响较小;在本文研究的管间距范围内,当管间距为46.7 mm时,总传热系数最高。