微细通道内非共沸混合工质流动沸腾特性及传热机理研究

The flow boiling of zeotropic mixtures in micro/mini-channel is a complex physical phenomenon. The reduction of dimension results in the change of the acting forces. The heat and mass transfer characteristics of zeotropic mixtures are different from that of pure fluids because of mixture effects. In this project, the flow boiling characteristics as well as heat transfer mechanism of zeotropic mixtures in micro/mini-channel will be systematically studied. Based on the research status of pure fluids, the mathematical descriptions for both of the mass transfer resistance and gas-liquid heat and mass transfer characteristics of zeotropic mixture will be established. The model of liquid film evaporation will be proposed for zeotropic mixture to investigate the variation of the component ratios in both of the gas and liquid phase of the mixtures during flow boiling in micro/mini-channel. Meanwhile, the flow boiling characteristics of zeotropic mixtures, such as heat transfer, pressure drop and flow pattern transition, will be experimentally investigated as well as the nucleate boiling characteristics including nucleation and bubble behaviors. The effects of various factors on the mentioned characteristics will be analyzed and discussed. The corresponding prediction methods will also be developed.

非共沸混合工质在微细通道内的流动沸腾是复杂的物理现象，尺度减小造成了势场作用力的变化，混合效应使其具有区别于纯工质的传热传质规律。本课题将系统地研究非共沸混合工质在微细通道内流动沸腾特性以及传热机理，在纯工质研究的基础上，考虑尺度效应、Marangoni效应以及表面张力变化等因素，力图通过构建非共沸混合工质附加传质阻力和气液界面热质传递特性的数学描述，进而建立其在微细通道内流动沸腾过程中的液膜蒸发模型，从理论层面探析流动沸腾中气液两相中组分浓度的变化规律；利用实验手段对非共沸混合工质流动沸腾传热、压降、流型转变特性及其核态沸腾时的核化特性、气泡行为进行研究并总结相关规律，探讨各影响因素的作用机制，进而提出相应的预测方法。

本项目开展了微细通道内非共沸混合工质流动沸腾特性与传热机理及冷凝特性的相关研究，具体概括如下：.（1）可视化与传热实验研究了非共沸混合工质核态池沸腾传热特性，定义了传热退化因子，根据传热退化因子的变化规律以及附加传质阻力的作用机制，提出了非共沸混合工质核态池沸腾过程的三阶段模型。引入非平衡热力学中的涨落理论，构建了非共沸混合工质核态池沸腾过程中双沸腾点处传热退化因子的数学分析模型，量化描述了双沸腾点处附加传质阻力的影响。.（2）可视化研究了非共沸混合工质微通道流动沸腾过程中的流型状态与转变规律和传热特性，考虑马拉戈尼效应与毛细效应，提出了非共沸混合工质微通道流动沸腾传热系数的预测方法。采用内部连通区域的分隔型微通道结构，实现了延缓非共沸混合工质及其纯组分工质流动沸腾过程中传热恶化现象的出现，提高了流动沸腾临界热流密度。.（3）研究了流动沸腾过程中非共沸混合工质轴向和法向方向上液相浓度的变化规律。引入双膜理论，考虑气相和液相内均存在传质阻力，建立了非共沸混合工质流动沸腾液膜蒸发模型。提出了局部浓度在线测量方法，研究了平滑分层流（液膜蒸发主导换热）和分层泡状流（核态沸腾主导换热）轴向和法向方向上液相浓度变化特性，提出了分层泡状流液相内法向方向上浓度差的预测方法。.（4）可视化研究了非共沸混合工质微通道流动冷凝过程中的流型状态与转变规律，提出了非共沸混合工质微通道流动冷凝“环状流-间歇流”的流型转化准则。讨论了非共沸工质的流动冷凝传热以及传热退化特性，提出了非共沸混合工质微通道流动冷凝传热系数预测方法。.本项目的相关研究成果，对于高热流密度设备等的冷却问题具有重要意义，适用于换热器的紧凑式、微小型发展趋势。附加传质阻力概念及其量化描述等方面的研究成果明确了附加传质阻力的具体作用机制，为深入探索非共沸混合工质流动沸腾传热强化和调控机制奠定了重要基础。