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两相“类催化性颗粒”湍流

王子奇  Varghese Mathai  孙超  
【摘要】:自然对流作为传热方式之一,由于其具有安全、经济、自发进行等固有特点,被广泛用于能源领域和工业加热/冷却设备等多种工业技术中。热对流研究的核心问题是如何极大地提高传热效率。许多已有研究都是围绕如何增强传热展开的,但是少有能突破湍流掺混的固有限制的。我们提出"类催化型颗粒湍流系统",即在传统的以水为基础的热对流系统中,仅引入少量第二种液体(HFE 7000,具有低沸点,按体积计加入约1%),调整对流槽下底板温度使其高于低沸点液体的沸点,并保持上板温度低于低沸点液体的沸点,低沸点液体发生相变即可产生一种高效的"类催化性颗粒"湍流系统。这一系统中的传热载体增多,不仅包含传统自然对流中的冷羽流和热羽流,还包括更有效的传热载体即"类催化性颗粒":两相气泡、低沸点液滴以及从下板脱落的两相羽流。我们通过设计精密的实验以及严密的理论分析证明这一新理念的可行性。在这一新型湍流系统中,两相热载体元素作为传统的基于热羽流的热载体的补充,超越湍流掺混带来的固有限制,形成了强相干结构,可以极高效率地传递热量,并且热量传递过程具有自组织、自维持特性。与传统的湍流系统相比,有效的热传递提高了近500%,这远远超过(迄今为止)报道的在热对流系统中使用聚合物,纳米颗粒,纳米流体和陶瓷金属复合材料等作为辅助的传热量。这种新型的可调、可控的类催化型颗粒湍流能够从很小的温度梯度中汲取能量,而且整个系统形成沸腾-凝结的自维持型动态循环,可以长时间安全、稳定运行。我们发现传热增强的机理有两方面:一是由于相变潜热提供额外传热机制;二是由于两相气泡、液滴流的运动所带来的扰动形成流场的强掺混。类催化型颗粒可以使得工作系统内液体快速掺混,这一特性将此"类催化性颗粒"湍流机制的应用范围扩展到了无运动元件的(低剪切)混合设备,也是具有生物活性成分的系统增强掺混效应的理想选择。"类催化性颗粒"物质是安全的(不腐蚀,不易燃和不消耗臭氧层(ODP0)),因此有望在现代临床,生化和核工程热交换器中成为一种高效的传热方式。同时,这一新理念为解决对流传热效率提升提供了突破性思路。

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