毛细结构调控两相流型显著改善冷凝传热性能的研究

冷凝器是低品位热功转换系统中的主要设备之一，工作在小温差条件下，且对变工况敏感。在深入考察冷凝传热流型沿管长的分布后，指出环状流厚液膜传热、及弹状流中相邻气弹间的液桥，是传热弱化的主要原因。本项目紧密围绕流型与传热的内在关联性，提出采用局部多孔壁面毛细结构调控流型并显著改善传热性能的新思想，利用表面毛细力将液体自动吸走，保持薄液膜环状流传热，并将弹状流转化成环状流，从而达到强化冷凝相变传热的目的。主要通过针对典型有机工质，及混合有机工质，建立冷凝传热实验台，进行流型、阻力、传热测量，展开新结构管与普通管冷凝传热的对比性实验研究。采用界面追踪数值计算方法（VOSET方法），模拟冷凝传热的流型转换。从实验和理论两个方面，深刻揭示流型与传热的对应关系，及流型调控机理。对新结构冷凝管流动与传热性能进行表征及评价，为多孔毛细效应气液分离型冷凝器的设计、制造、及运行奠定科学基础。

本项目基于对两相流流型及传热性能的研究，提出利用多孔结构调控流型、强化两相流传热的新理论。利用多孔结构的性能在换热管外壁面设计加工多孔外分液结构，及时导出换热管内的厚液膜，降低管内液含率，促进弹状流的汇聚融合，转变为高效传热的薄液膜传热流型，从而提高换热管的冷凝传热性能。同时利用多孔结构设计加工内分液管，固定于普通换热管内，将冷凝过程中的冷凝液集聚于换热管的中心区域，而在表面张力的作用下两相流中的气泡进入内分液管外部的环隙区域，形成气包液流型；大大增大气相与换热管的接触面积，提高气相流速，在网管内外形成剧烈的二次流，提高冷凝过程的换热性能。本项目结合冷态可视化实验研、数值模拟以及传热实验研究几个方面，全面验证了理论的合理性、可行性及有效性，丰富了两相流学科及多孔介质学科的基础数据和理论，为两相流高效传热技术领域提出一种革新性强化手段，具有显著的科学价值和社会意义。通过本项目的进行，授权4项发明专利（1项PCT），公开1项美国专利；发表10篇国内外学术论文，其中4篇SCI，6篇被EI检索，申请人获得青年骨干教师称号，并晋升为副教授；培养4名研究生，1名顺利毕业，3名在读。