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大容器瞬态沸腾传热表面调控机理的实验研究

李旦洋  
【摘要】:沸腾传热表面微观特性的变化被认为是影响沸腾传热特性的主要原因。本文通过新兴高导热碳纳米材料氧化石墨烯被动沉积以及表面改性主动控制两种手段对表面特性进行调控,并通过瞬态淬火法对沸腾传热的机理展开研究。 本文首先搭建了大容器淬火沸腾实验台。其单个样本在去离子水中的连续淬火沸腾曲线以及多个样本间的沸腾曲线均有很好的重复性。单个样本连续淬火时临界热流密度(CHF)以及最小热流密度温度(LFP)的相对标准偏差分别为0.7%和0.56%,不同样本间CHF以及LFP的相对标准偏差分别为0.41%和1.38%。 随后本文对氧化石墨烯纳米悬浮液的淬火沸腾特性随浓度(0.0001wt.%,0.001wt.%,0.005wt.%,0.01wt.%,0.05wt.%,0.1wt.%)变化规律展开了研究。发现氧化石墨烯纳米悬浮液提高了膜态沸腾换热速率,强化换热效果随浓度变化的线性拟合公式为y=14.76x+349.36,相关系数r=0.9831。0.1wt.%浓度下,氧化石墨烯在沸腾表面的沉积显著提高了局部粗糙度,促进了短暂固液接触的发生,从而提高了LFP。CHF随浓度的增加而提高,其强化原因与浸润性无关。 最后本文通过表面主动改性手段获得了超亲水(~0°),亲水(~23°),疏水(~119°),超疏水(-165°)四种浸润性表面。对其淬火沸腾特性的研究发现沸腾过程的LFP,最小热流密度(MHF),CHF以及CHF对应的过热度(△Tsat)均随着表面浸润性的提高得到强化,其中LFP随接触角变化的线性拟合公式为y=-65.45x+272.8,相关系数r=0.9782:MHF随接触角变化的线性拟合公式为y=-28.7x+75.6,相关系数r=0.8840。实验过程中还采用高速摄像机对沸腾表面的气泡形貌变化进行了记录。对于超疏水表面,淬火过程一直处于膜态沸腾阶段,沸腾表面的稳定气膜始终不发生瓦解。而对于超亲水表面,刚入水时便发生剧烈的固液接触现象,大大提高了膜态沸腾时的换热速率。


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