纳米多孔结构和表面热阻对液氮淬火换热影响的可视化实验研究

【摘要】：随着科技的发展,低温流体越来越多的应用到航空航天以及超导等领域:液氢和液氧广泛应用作航天飞机和火箭的助燃剂,能够提供更大推动力且不产生任何污染;液氮、液氦常为核磁共振以及大型强子对撞机等设备提供冷量。在实际应用中设备的初始温度远高于低温液体,当两者接触时会出现淬火换热现象。设备的快速预冷能够有效的减小低温液体的消耗量,同时让设备迅速进入工作状态。目前针对传热低温沸腾换热过程的研究发现通过表面改性可以大幅提升换热性能,因此其影响机理值得深入研究。本文通过可视化实验研究了沸腾表面纳米结构和热阻对液氮淬火换热的影响,主要工作针对以下几方面开展:1.液氮淬火换热的可视化实验研究搭建了液氮淬火换热的实验系统,通过高速摄像仪开展了具有不同表面特性和热阻的圆柱样品在液氮中淬火换热的可视化实验研究。基于传热反问题研究方法,针对本文淬火换热实验进行模型简化,推导出了由中心温度计算沸腾表面温度、热流密度和换热系数的公式。2.不同特性表面的制备方法研究重点研究了铝6061圆柱表面的阳极氧化膜处理过程,改变电解抛光和阳极氧化阶段的电化学反应条件,通过对比实验确定制备表面铝6061阳极氧化膜的最佳方案,从而得到具有亲水性的纳米多孔表面结构;通过喷涂特氟龙并高温烧结烘烤制备聚四氟乙烯热阻涂层表面;还制备了盐酸腐蚀、阳极氧化未开孔等表面进行对比实验分析。3.阳极氧化铝表面纳米多孔结构和热阻对沸腾换热的影响分析重点针对淬火冷却曲线、沸腾曲线及换热系数随壁面过热度变化曲线进行了对比,结合沸腾表面的气液相变动态过程图像分析。实验结果表明,虽然在初始阶段都要经历相同的膜态沸腾,但纳米多孔结构使表面润湿性增强且提供更多汽化核心位置,表面热阻可降低换热面过热度,可显著提高沸腾换热的莱登佛罗斯特点温度和临界热流密度,两者综合作用且纳米多孔结构提升作用更强。