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国际期刊的传热传质94(2016)239 - 2016

国际期刊的传热传质

沸腾传热和两相压力降在紧板热交换器的：实验和流动的可视化

Valentin Eschatol^ogy, Dungeon Le ^ea, Jung Kam^a*, Raffle L. Amalia ^b, John R. Homeb^oy。

^a机械工程系、马里兰大学学院公园、医学博士、美国。

^b实验室的传热传质、瑞士洛桑联邦理工。

文章信息

文章历史:收到2015年10月2，修订后的形式收到2015年11月15日，接受2015年11月15日，网上2015年12月8日。

关键词:两阶段，蒸发，绝热流动可视化，雪佛龙板式热交换器，红外测量，局部传热系，流型，HFE7100。

摘要

红外热成像技术被用来测量局部传热系数，两板换热器热量的几何图形。雪佛龙模式被加工成聚碳酸酯和红外透明卡尔-钙氟板,这两个是电热板使用灵活的薄膜加热片，其热通量0.8每平方厘米。测试液体制冷(HFE7100)质量通量25至100公斤每米秒,和质量从0到0.9。通过比较，验证了该设备和数据的减少，和技术从文献的预测方法的单相的传热，和压力降数据。绝热流动的可视化进行的流动模式与所观察到的传热。摩擦压力梯度和传热系数与可用的相关性。结果表明,传热系数和摩擦压力梯度增加质量通量和质量。比较表明，需要新的预测方法，预测当地在宽范围的工作条件下的热工水力性能。

2015爱思唯尔出版社有限公司版权所有。

1.介绍和文献调查

波纹板换热器（菲）在两流体的热交换提供了一个非常紧凑和高效的方法。它们是低成本，相对简单的制造，并且可以拆卸，它需要的应用程序的优点是经常清洁热交换器（如衬垫PHE）。该系统可以通过改变几何参数来优化实现所需的性能，如长度、宽度、波纹几何，板数、流量排列。该系统适用于两相蒸发切应力之间的液体蒸汽可以引起更多的湍流，并产生更薄的边界层。

对菲的波纹图案的几何是典型的表面波纹的波长（lambda;）、表面波纹的振幅（alpha;）波纹雪佛龙角(beta;)。本文中使用的术语来描述波纹模式如图1所示。波长和幅度的波纹是由L和分别表示。这个“人字形”的角度是由字母表示的，其次是由于该系统可以安装在混合配置数产生一个整体的角度，这是两个板的平均角度，例如，混合了60度和30度金属板会产生一个45度的排列。作为命名实例，菲l3.7a0.5b65-65，会有一个3.7毫米的波纹波长的振幅0.5毫米，2个板都有人字形角度为65。

在该系统单相相关性的总结，Ayyubid [1] 给出了一个基于大量收集的实验数据（包括R22和氨作为工作流体）。Manlike等人。[ 2 ]规定设计单和两相，菲知识库。Khan等。[ 3 ]开发了一套以氨为工作流体用于两相蒸发器产品，相关性包括效果的重点，关于人字形角度对热性能和水力性能的研究。A bu-Header[ 4 ]提供的单和近年来两相现象研究综述。

只有少数几个组进行了局部测量，以获得局部传热系数（HTC）在菲，盖泽和科特基[ 5 ]和Stasis等人。[ 6 ]采用氨吸收液晶热成像分别获得局部热在一个分辨率为0.2单位细胞转移。Freud和Label [ 7 ]获得分辨率为0.5平方毫米的，使用温度振动红外热像仪在两板式换热器板（l12a1.6b63—63）。所有这些研究都局限于单相流。对PHE蒸发器的局部进行测量的Ordovician和Label [ 8 ]使用一个数组的热电偶在两个公共屋（l12a1.6b63-63和l12a1.6b27-27），壁和液体的温度在沸腾R134a和氨的情况下测量。该现象的总长度为0.8米，这意味着他们可以计算出当地的质量和相关的当地的HTC。他们观察，如有其他群体，HTC是独立的热通量，但在很大程度上取决于质量。他们也得出结论HTC与质量流量增加，在给定的质量。但质量可以下降，不得超过0.5。最后，他们比较他们的数据存在相关性，发现修正Steiner 和Tabor [ 9 ]，Vanilla等人。[ 10 ]相关性最适合他们的实验数据库。

命名法

A板起皱的缩写 a起皱的振幅(m) B缩写雪佛龙角 b灌水沟紧迫的深度(米) c比热(J/kg/K) D p两个测压孔之间的距离(m) d直径(m) f范宁摩擦系数 g万有引力常数g = 9.81(m/s²) H比焓(J/Kg) h传热系数(Wm²/K ) k导热系数(W/m/K )

L缩写起皱 L P CaF₂板的长度(m) Nu努塞尔特数 MAE平均绝对误差 m质量率(kg/s) n数据点的数量 P压力(Pa) q ⁿ热通量(W/m²) Q电源提供给预热器/板式换热器(W) Re雷诺数,Re = Gd/u s沿着波纹成形路径长度(m) T温度(K) H_p CaF2板的宽度(m) x质量 X,Y,Z坐标(m)

希腊

beta; 雪佛龙角(度) gamma; 灌水沟宽高比 ε 发射率 phi; 表面放大倍数 lambda; 起皱的k波长(m) rho; 密度(kg/m3) u 动态粘度(Pa.s)

upsih; 数组MAE的值

下标

a加速度e等exp实验f摩擦力g重力 h液压 i进 l液体 l v液体变蒸汽

m 质量meas测量o出口ore预测sat饱和状态tot总计v蒸汽

首字母缩略词

HTC 传热系数 CaF₂氟化钙 PHE板式换热器板式换热器 TC热电偶

图1 示意图的两板几何图形在这项研究中,进行测试热电偶的位置:(a)测试部分L5.7A1.0B60-60,(b)测试部分l3.7a0.5b65 – 65。

最近，Akiva Faraday等人。[11,12]研究局部热在菲的信道传输和压降（l3.7a0.5b65-65），双板产生的228毫米的端口长度电加热。流体工质。金属板被压在一起的两PVC板稳定和绝缘试验段。六个窗口沿菲的长度被加工成聚氯乙烯板，外表面温度（因此当地的HTC）是用红外线摄像机检测。通过绝热两相流测试，作者能够测量制冷剂的饱和温度，从而计算为每个窗口的准局部压力。他们得出结论是在该系统的两相行为类似于管流，和流量分布在PHE的入口和出口有显著对整体热性能和液压性能的影响（这是Ayyubid[ 13 ]）。

Amalia等人。[14,15]提供一个全面的文献调查，流动沸腾传热和两相摩擦压力机制在雪佛龙菲。在这项研究中，预测方法可以在公开的文献从1981到2014详细和综合实验数据库研究中找到，包括3601个数据点。作者进行了敏感性分析，调查的效果是板的热性能和水力性能的几何参数，一个广泛的统计比较所有可用两相的预测方法对上述数据库提供。用量纲分析加上多元回归技术，新方法，预测局部HTC和局部摩擦压力梯度，板内的热换热器的开发和工作的有效方法。

在蒸发的过程中，传热机制是强烈依赖于流型。很少有研究在该系统进行两相流可视化。 Grade 和 Debouch[ 16 ]利用水和氮来可视化水平流苯丙氨酸（l20a10b60-60）加工成丙烯酸。表面的液体速度保持不变，而表面的气体速度变化。只有2个不同的流动模式观察：分层流、泡状流。

Ribbed和Muller-Wittgenstein(17、18)绝热两相流研究使用三板的几何形状创建六个公共屋。作者确定了五个流型：定期泡状流，不规则泡状流，搅拌流、膜流动，和部分膜流。此外，他们提供了基于液菲流型图蒸汽表观速度。

Louisianians等人。【19】删除一个苯丙氨酸与端板，取而代之的是波纹亚克力板（l10a1.2b60-60）在水的空气流中调查两相现象。使用高速摄像机记录了各种流动模式。他们的传热结果表明，在低液表面速度（＜0.025 m/ s）液体停留在底部槽的连续气相剪切。在较高的液体表面速度（＞0.1m/s）和低风速连续液相渗透的通道。在中高表面的空气和水的流速，这两个制度的混合物或段塞流。HTC是高注入空气相比，正常的空气流量，特别是在低表水速度。

Sighs等人。[ 20 ]用l10a1.5b60-60 PHE和亚克力板可视化R-134a的两相流动与热增加。在一个给定的质量通量，在表面上形成较大的气泡通量出发前。当热通量是恒定的和质量流量变化时，气泡大小明显受到影响。小的，离散的气泡在过冷现象，而泡沫将合并和移动大多在较低的过冷度。

Casanova等人。【21】可视化空气/水两相流在板不透明的可见光，利用热中子照相现象的流型。液体和空气分布进行测量的单通道，以及为多通道PHE从导出的阶段分布。当两相流引入苯丙氨酸、气相观察到占据中心的通道，而液体相接触于板表面。

Nibelung和Wishbones [ 22 ]采用可视化技术类似Louisianians等人。[ 19 ]通过除去最后一金属板商业PHE，取代它的一个相同的板，透明聚氨酯制作。他们使用了一个非对称的板与人字形的角度为55和10。通过切换的流动方向，他们能够区分不同的流动模式，根据入口质量和重力效应。向上流动，气泡循环流动，泡状流、环状液桥流观察。环形液桥流是一种薄膜在平板表面存在而空气水膜流动方式。对于下行流，该方式观察到的是段塞流，环形液桥/空气单独流动，环形液桥流。

本文介绍了使用的实验结果红外技术在Splotchy等人描述。[ 23 ]衡量高分辨的传热分布l5.7a1.0b60-60和l3.7a0.5b65-65苯丙氨酸细胞向上流动沸腾过程HFE7100。基于其沸点的工作流体的选择（61个），这是理想的电流设置，因为在红外测量和低时，可以减少环境噪声在测试中避免损坏热敏感元件剖面。它是一种无毒的液体，是其他制冷剂的代表。和l5.7a1.0b60-60几何相似，常用苯丙氨酸的蒸发器，而l3.7a0.5b65-65几何是一个新的配置，最大限度地减少制冷剂的费用，更紧凑，通过减少压制深度而获得更高的性能和波纹的波长。与现有的压力降和传热的相关性的结果进行比较。局部热在一个单一的代表细胞和绝热的转移结果，流量的可视化用于当地HTC的流量。在当地的HTC分布测量利用空间分辨率与流量结合的热交换器可视化，使研究人员能够深入了解在沸腾传热过程中换热器的传热机制，这将极大地促进新的发展，创新，更高的性能设计对基础物理扎实的理解。

2.实验技术和数据减少

用于获取单相局部HTC沿技术波纹板详细介绍Splotchy等人。[ 23 ]。一简短的总结，这项技术的扩展两相流和一些修改的实验装置进行了讨论。

2.1.红外测量技术与仪器综述

两PHE的几何形状（l5.7a1.0b60-60和l3.7a0.5b65-65）被加工成氟化钙（CaF2）和聚碳酸酯板。一个薄的，柔性薄膜加热器（杜邦200rs100）组成含导电碳的聚酰亚胺层绑定到一个电绝缘聚酰亚胺层，环氧作为加热元件，将波纹表面作为加热元件。银油漆是用来使低电阻接触导电膜。由于所需的PHE加热器的形状表面是一个平行四边形，涂料应用于加热膜的产生的热通量是一致的（图2）。这个加热炉内加热温度的标准差加热器温度升高时，面积为0.003摄氏度0.5摄氏度的加热器电源后，适用于8毫秒。由于CaF2在红外光谱是高度透明的，加热膜是不透明的，具有高的发射率（如0.94），该膜的温度是用红外相机测量的通过对氟化钙板平面穿过绝缘聚酰亚胺的受热面。由于氟化钙昂贵，脆，难加工，由于表面温度测量只需要一个板，决定用聚碳酸酯制造相对板。五个热电偶被放置在流动通道（图1）钻小孔（0.5毫米）的聚碳酸酯板，其板间距是最大的，并使用环氧树脂固定的每一个热电偶的尖端处的流量通道的中心。聚碳酸酯板有一定的合规性，它可以被压在CaF2减少板之间任何间隙的接触点。防止双发热膜在接触时短路点，小块（ 2 2毫米 ∆）的苏格兰Maginot磁带（60流明）在聚碳酸酯板各接触点连接到加热膜。最后，由于受热面存在直接接触液体，稳态热损失为基板的1–3%氟化钙板低于1%的聚碳酸酯板。

图2 薄膜加热器形状需要盖一个矩形板式换热器板连同银汇流形成提供统一的热通量(顶部);温度分布板式换热器表面的红外摄像机在瞬态加热的电影测试加热均匀性之间的温差(∆T是激烈的和常温状态8毫秒后加热)(底部)。

2.2.数据还原

热膜产生了名义上均匀的热通量。五个板中的热电偶被用来计算局部流体温度和红外相机提供的本地温度与流体直接接触的加热板表面。通过了解当地的值计算出的是当地的HTC，流体温度，壁温，外加热流。所施加的热通量进行了调整，这取决于入口质量和质量流量，使局部壁温变化可以用红外相机测量。最大热通量。然而，被施加是有限的局部烧毁，如果在表面上的传热变化是大的，在某些情况下，将导致大量的不确定性。所研究的所有情况下的试验段的入口和

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