基于薄液膜蒸发的玻璃化冷冻方法中冷冻载体的传热优化

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。本文针对冷冻载体在基于薄液膜蒸发的超高速冷却过程中的传热过程进行了优化分析。研究结果显示:细胞悬浮液的传热热阻在总传热热阻中的比重最大,设法减低它是强化细胞冷冻传热过程的有效手段之一;另外液氮蒸发传热系数的提高在一定范围内可以强化冷冻传热过程,但强化效果会随着蒸发传热系数的增加而减小。上述研究成果为基于薄液膜蒸发的玻璃化冷冻新方法走向实用提供了技术保障。     

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。     

多方位矩形窄缝中液氮沸腾传热特性实验研究

本文实验研究了常压下液氮在多方位矩形窄缝通道中的沸腾传热特性。研究发现液氮在不同窄缝方位角时,壁面过热度有差异;窄缝间隙愈小,沸腾传热系数愈高。在中等热流密度下,强化传热作用明显,传热系数可达常规光管的3～5倍。加热面呈0°和180°放置时,在相同热流下其他角度尚处于核态沸腾区时,已达CHF点。     

非均匀电场强化水的池沸腾传热特性实验研究与分析

本研究在工质水中布置针状电极,研究非均匀电场对其池沸腾换热过程中传热系数以及临界热流密度的影响,同时测量了不同电压下沸腾表面接触角的变化,以及可视化的观察到了气泡的产生以及脱离相对于无电场情况下的变化.结果表明,在低热流密度区电场强化传热,且强化效果随热流密度的增加而减弱.在中热流密度区电场恶化传热,恶化效果随着热流密...     

微结构表面上FC-72的强化沸腾换热研究

针对电子器件的高效冷却问题,对表面加工有微结构的硅片上FC-72的池沸腾换热性能进行了实验研究。测试了四种表面微结构,采用化学蒸汽沉积法在芯片表面生成-SiO2薄层所形成的亚微米粗糙面(Chip CVD),采用溅射方法在芯片表面生成-SiO2薄层,然后再对SiO2层进行湿式腐蚀技术处理形成的亚微米粗糙面(Chip E),采用一系列微电子加工技术生成的微米级双重入口洞穴(Chip CAVITY)以及采用干式腐蚀方法生成的方柱微结构(Chip PF)。实验所得的沸腾曲线表明,所有微结构表面与光滑面(Chip S)相比都显示出较大的强化沸腾换热效果,临界热流密度按芯片 S、E、CVD、CAVITY和PF的顺序增大。对于芯片PF来说,随着壁面过热度的增加,热流量呈剧烈的增加趋势且临界热流密度时芯片的表面温度低于芯片回路正常工作的临界上限温度85℃,最大临界热流密度可达80 W／cm2。     

R407C水冷冷凝器传热强化的实验研究

本文通过实验,研究了替代制冷工质R407C在螺旋隔板花瓣管冷凝器中的传热性能,实验结果表明,随着热流密度的增加,冷凝器的总传热系数也不断增大。在相同热流密度下,其总传热系数比板式冷凝器提高40％以上。     

加热表面粗糙度对高热流密度沸腾传热影响的多尺度数值模拟

本文以沸腾固气液界面为研究对象,建立了包括孔穴活化、液膜蒸发、气泡生长与脱离、壁面热传导等子过程的耦合模型,以探究固气液界面传热对高热流密度沸腾过程的影响。为了能够分辨微米量级的孔穴,模型中10 mm×10 mm的沸腾表面被划分为诸多子区域,每一个子区域中孔穴大小和数量随机分布,当子区域的过热度大于孔穴活化的临界过热度时,一部分孔穴活化生成气泡。进一步结合大液膜蒸发模型获得沸腾传热热流密度,并将其作为边界条件分析加热器热传导特性,从而通过对不同过程的多尺度耦合模拟不同表面粗糙度条件下高热流密度区的核态沸腾曲线,并进一步分析了孔穴数量及分布对加热壁面温度的影响。结果表明:预测所得沸腾曲线与实验结果基本相符,加热表面孔穴数量的增加使沸腾曲线左移,同时,孔穴数目的增多还会使活化点密度对壁面温度波动更为敏感,从而产生交替出现的长短周期。     

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。     

微纳耦合表面池沸腾强化传热的实验研究

以去离子水为工质,拟在钛板表面利用线切割进行微槽处理,采用阳极氧化法制备出二氧化钛纳米管阵列的微纳耦合表面,研究该表面的强化沸腾传热性能.通过场发射扫描电镜表征其微观结构形貌,利用接触角测量仪检测表面的静态接触角.结果表明,与光板相比,微槽结构增大了传热表面,规整的纳米管阵列具有亲水特性,接触角明显减小,微纳耦合表面的传热系数和临界热流密度分别达到了15.5 kW·m~(-2)·℃~(-1)和420.1 kW·m~(-2),分别提高了158.3%和50%,结合实验现象及机理分析可知,微纳耦合表面的微通道结构为气泡继续生长提供了支撑,有效避免了换热壁面被合并的大气泡完全覆盖;过热度达到一定温度后,更小的活化中心被激活,过热度随着热流密度的上升出现下降的趋势。微纳耦合表面对池沸腾具有强化作用。     

自然循环回路内芯片的强化沸腾换热研究

针对电子器件的高效冷却问题,对自然循环回路系统内表面加工有方柱形微结构的硅片上FC-72的强化沸腾换热性能进行了实验研究.测试了两个芯片,其表面上的方柱形微结构的边长均为30μm,但高度分别为60 μm和200 μm.沸腾介质的过冷度设为10 K、25 K和35 K.随着壁面过热度的增加,微结构表面芯片上的热流密度急剧增加且临界热流密度时芯片的表面温度低于芯片回路正常工作的临界上限温度85℃,这与其在池沸腾换热中的特点一样.但临界热流密度值与池沸腾情况相比有所降低.     

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。     

柱–孔复合微结构沸腾换热性能及强化机理的研究

本实验研究了9种不同的柱–孔复合微结构表面在HFE-7100中的池沸腾性能。实验结果表明,柱–孔复合微结构表面核态沸腾起始点的壁面过热度均降至0 K左右,显著低于光滑表面(SS)与普通微柱表面(PF-30-60),其核态沸腾换热系数(HTC)相比于PF-30-60和SS显著增加,且HTC的增幅随着微孔数量的增加而增大。柱–孔复合微结构表面的汽泡主要产生于微柱顶部的微孔,因此在高热流密度下,微通道中的汽泡堵塞得以缓解,使其临界热流密度(CHF)高于PF-30-60和SS。表面的HTC随着微柱高度(H)的增大而提高,但CHF却随着H的提高出现先提高后保持不变的趋势,这说明对于这种表面而言,柱高的提高不一定可以有效提升CHF。     

开孔金属泡沫池内沸腾换热特性研究

常压下用去离子水作为工质,在沸腾池底部单独或两两叠加地放置3种PPI的泡沫金属进行池内沸腾实验研究;分析了不同过热度下的热流密度和不同热流密度下池沸腾的传热系数;对沸腾汽泡在单层或双层泡沫金属表面产生、融合和脱离进行了可视化的研究。实验发现:不同PPI泡沫金属的叠加方式,会影响沸腾传热面积和产生汽泡的核心数,以及汽泡脱离受热壁面的动态特性。本实验为多孔介质池沸腾传热特性研究提供了实验指导和基础数据。     

两相闭式热虹吸管内不同表面蒸发器的沸腾换热实验研究

本文设计搭建了带有蒸发器的两相闭式热虹吸管的气液两相流动与传热特性的可视化实验平台,制备了多种尺寸的光滑表面蒸发器,并采用电镀的方法制备了微纳米尺度的多孔表面蒸发器,研究了光滑表面蒸发器和微纳米尺度多孔表面蒸发器内工质R134a的气液两相运行状态和相变传热过程。研究结果表明:光滑表面蒸发器的流道尺寸会影响其在不同热流密度条件下的传热系数;多孔表面蒸发器的传热效果要远高于光滑表面的蒸发器,最高达到光滑表面蒸发器传热系数的4倍;不同尺寸的光滑表面蒸发器和多孔表面蒸发器热流密度从零到临界热流密度所经过的沸腾状态也存在较大差异。     

MVRC系统水平管含盐废水喷淋降膜传热数值研究

水平降膜蒸发器是机械蒸汽再压缩结晶(MVRC)系统的关键设备,在MVRC系统中可以用来蒸发废水并从含盐废水中回收二次蒸汽能量。然而,喷洒在水平降膜蒸发器管外的含盐废水的物性参数与普通水明显不同,其传热流动特性也必然不同。本文建立了MVRC系统中水平降膜蒸发器的三维数值模型,用水和硫酸钠混合物模拟含盐废水。用VOF模型跟踪蒸发器水平管上的液气界面,研究了不同硫酸钠含量、热流密度、喷淋密度和喷淋温度对传热系数hθ的影响,并建立了无量纲关联式。结果表明：1)传热特性可分为三个区域;2)在热发展区域,局部传热系数随硫酸钠含量的增加而降低;3)局部传热系数随喷淋密度和喷淋温度的增加而增加,在热发展区域受热流密度的影响很小。     

光纤探针测量及多尺度熵鉴别超临界类沸腾传热模式

亚临界沸腾包括界面蒸发和气泡动力学诱导的传热,但超临界传热是否存在类界面蒸发和类气泡传热以及两者间的转换缺少直接的实验证据.本文进行了超临界CO₂液池传热的实验研究,压力和液池温度分别为8—10 MPa和15℃.作为加热元件和感温元件,22 mm长和70μm直径的镍铬丝水平放置在液池中,光纤探针垂直放置,其顶端高于镍铬丝200μm.发现随热流密度或壁面过热度的持续增大,依次发生自然对流、类界面蒸发、类蒸发-沸腾转换、类沸腾4种传热模式.本文重点关注类界面蒸发和类沸腾传热以及两者间的转换.在类界面蒸发模式下,传热系数随壁面过热度增大略有下降,光纤输出小幅/高频信号,不存在主频,多尺度熵大,表征随机信号波动.在类蒸发-沸腾转换模式下,光纤输出大幅/低频周期信号,存在明显主频,多尺度熵小,代表有序的周期性脉动传热.在以类气泡为特征的类沸腾模式下,光纤信号波动幅度介于类蒸发和转换模式之间,主频不明显,多尺度熵也介于类蒸发和转换模式之间.研究获得了超临界类沸腾直接的实验证据,加深了对超临界传热机理的理解,为后续理论研究和工程应用提供了基础.     

矩形微槽道相变流阻的实验研究

以去离子水为工质,对高为2mm,宽分别为0.3mm、0.6mm、2mm的矩形微槽中的两相传热特性与流动阻力特性进行了实验与理论研究。实验结果表明,三种微槽的饱和沸腾传热系数随着热流密度的增加而增加,并对三种微槽传热系数随热流密度关系的实验数据进行了拟合,得出了实验条件下的传热系数与热流密度的关联式及相同热流密度或者质量流速下槽道尺寸对传热系数的影响;此外,矩形微槽道压降△p随着尺寸的减小而增大。     

堆积多孔介质中流动沸腾换热的实验研究

为了研究堆积多孔介质中流动沸腾换热特性,以横截面积为10 mm×10 mm、长100mm的铜管中充满直径为0.4～1.0 mm、孔隙率为0.31～0.37的钢珠的多孔介质为对象,对水在流过此多孔介质时沸腾换热现象进行了研究,获得了流速、热流密度、粒径和加热方位等对换热性能影响的规律:随着流速的增大,沸腾换热系数增大;随着热流密度增大,沸腾换热系数降低;随着热流密度的变化,小颗粒多孔介质的壁面过热度的变化量比大颗粒多孔介质要大得多;从下表面加热比从上表面加热的壁面过热度要低,约2～3 K,更有利于沸腾换热。     

热阻层对低温淬火过程的影响研究

通过在铝合金棒表面制备阳极氧化热阻层和Teflon热阻层,分别对电抛光、阳极氧化和涂覆Teflon层等表面在液氮浴中的低温淬火过程进行实验研究,通过对传热反问题求解分析,研究了热阻层对低温淬火过程的影响。结果表明,热阻层能显著提升莱登佛罗斯特点的温度和临界热流密度,使整体的换热能力提高,从而加速了低温冷却过程。     

多孔结构毛细芯蒸发器传热特性的实验研究

本文针对不同压力条件下不同换热表面结构的毛细结构蒸发器气(?)液相变传热特性进行了实验研究。选取微槽道结构和烧结丝网结构的换热表面分别在蒸发压力为0.86×10~5 Pa、0.91×10~5 Pa、0 96×10~5 Pa、1.0×10~5 Pa、1.5×10~5 Pa、2.0×10~5 Pa条件下进行了传热特性研究并对其实验结果进行对比,结果表明,压力对换热系数有重要的影响,当压力范围为0.86×10~5～1.0×10~5 Pa时,在过热度相同的条件下,随着压力的增加,换热系数呈上升趋势;在较大压力的条件下,换热系数随着过热度的增加呈先升后降的趋势。