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受热平板上液体喷流沸腾临界热流密度的研究

秋雨豪  
【摘要】: 液体的喷流沸腾冷却作为一种新型、高效的冷却方式,是强化沸腾换热的一种有效方法。高过冷液体喷流冲击能在比较高的温度表面上冲破蒸汽层,实现一定的固液接触,从而大大提高沸腾的临界热流密度。提高后的临界热流密度值比池内沸腾的临界热流密度值增加一个数量级。喷流冷却已经广泛地被应用于钢铁工业、核工业、微电子设备生产过程以及热能控制过程之中。 平板上稳态的液体喷流沸腾可以根据喷流流束断面与传热面的面积之比分为两类模式:当喷流流束断面与传热面面积之比很小时(即传热面尺寸远远大于喷流滞止区尺寸),一般称之为自由液面喷流,称为A模式。当喷流流束断面等于或大于传热面面积时,一般称之为滞止区喷流,称为B模式。 对于液体喷流沸腾来说,临界热流密度(CHF)是表达喷流沸腾传热特性的一个非常重要的特征值。对于稳态的喷流冷却来说,CHF是一个系统参数,它取决于受热平板表面的几何形状、喷流液体和受热平板表面之间的固液接触角、喷流流速、喷嘴直径等这些喷流条件。 本文分别针对B模式条件下,普通铜表面以及亲水表面上滞止区内饱和以及过冷的水、乙醇和R-113的稳态圆形喷流冲击沸腾的临界热流密度进行了系统的稳态实验研究。 通过对饱和的水、乙醇和R-113的喷流沸腾实验得到如下结论:对普通铜表面上饱和的水、乙醇和R-113在滞止区内的喷流沸腾而言,与池内沸腾相比,其喷流核态沸腾曲线大幅度向上延长。 随着饱和的水、乙醇以及R-113喷流流速的增加,CHF值也迅速增加,喷流流速和喷流直径对CHF有强烈的影响。对于饱和的水、乙醇以及R-113在滞止区内的喷流沸腾而言,在CHF和喷流流速以及喷流直径之间存在一个无量纲准则关系式。使用饱和的水、乙醇以及R-113喷流沸腾的实验数据和半理论关系式相结合的方法,得到了一个CHF和喷流流速以及喷流直径之间的半经验半理论关系式。该关系式可以很好地预示饱和液体在一般金属表面上喷流沸腾的临界热流密度,在一个较为宽广的范围内可以适用。 通过对过冷的水、乙醇和R-113的喷流沸腾实验得到如下结论:对普通铜表面上过冷的水、乙醇以及R-113在滞止区内的喷流沸腾而言,与池内沸腾相比,其喷流核态沸腾曲线大幅度向上延长。在充分发展核态沸腾区域内,过冷度的高低对沸腾曲线的变化影响不大。随着水、乙醇以及R-113的过冷度增加,临界热流密度也跟着增加。对于过冷的水、乙醇以及R-113在滞止区内的喷流沸腾而言,在CHF和喷流流速以及喷流直径之间存在一个关系式。通过对实验数据的分析,分别对过冷的水、乙醇以及R-113得到了一个CHF和喷流流速以及喷流直径之间的经验关系式。这些经验关系式可以很好地预示过冷的水、乙醇以及R-113喷流沸腾的临界热流密度。 除了普通铜表面上喷流沸腾的实验研究之外,本文还对亲水表面上滞止区内饱和以及过冷水的喷流进行了实验研究。研究得到了如下结论:对亲水表面上滞止区内饱和以及过冷水的喷流而言,在充分发展核态沸腾之前,大过冷度可以增加换热系数、延迟沸腾初始点。在充分发展核态沸腾区域,沸腾曲线非常短。在亲水表面上,沸腾曲线非常陡,几乎垂直。实验数据表明,小的接触角可以大大延迟强制对流传热区域,阻止初始沸腾的发生。通过对实验数据的分析,提出了一个经验关系式,该经验关系式可以很好地预示亲水表面上喷流核态沸腾的传热特性。在亲水表面上,无论是对于饱和水,还是对于过冷水的喷流沸腾来说,不仅CHF和喷流流速以及喷流直径之间存在着一个关系式,过冷水的过冷度和CHF之间也存在着一个良好的线性关系式。接触角对于CHF的影响很大。无论是对于饱和水还是过冷水,亲水表面上的CHF较之普通金属表面要高50%左右。通过对实验数据的整理,得到了一个经验关系式。该关系式能够很好地预示平板滞止区内亲水表面上水喷流沸腾的CHF。 在以上实验研究的基础之上,本文还通过理论分析,建立了一个理论模型。通过对理论模型中控制方程的求解和传统金属面上实验数据相结合的方法,得到了任意固液接触角的传热面上饱和水喷流沸腾CHF的数值解,从理论上揭示了滞止区内饱和水喷流沸腾的临界热流密度与喷流流速、喷流直径以及固液接触角这三者之间的关系。 文中还将数值计算的结果和实验数据以及根据实验得到的半经验半理论关系式进行了对比,在一定的误差范围之内,计算得到的结果基本上符合饱和水喷流实验条件下的实验数据以及根据实验得到的半经验半理论关系式。 对数值计算得到的结果进行了整理,得到了饱和水喷流沸腾CHF与喷流流速、喷流直径以及固液接触角三者之间的关系式,并将该关系式与饱和水喷流实验条件下的实验数据进行了对比。在一定的误差范围之内,该关系式基本符合饱和水喷流实验条件下的实验数据。 根据数值计算的结果对饱和水喷流沸腾CHF实验中得到的半经验半理论关系式进行了改进,考虑了固液接触角的影响,并将改进的关系式与饱和水喷流沸腾CHF的实验数据进行了比较。在一定的误差范围之内,该关系式基本符合饱和水喷流实验条件下的实验数据。


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