受熱平板上液體噴流沸騰臨界熱流密度的研究.pdf

1、液體的噴流沸騰冷卻作為一種新型、高效的冷卻方式，是強(qiáng)化沸騰換熱的一種有效方法。高過冷液體噴流沖擊能在比較高的溫度表面上沖破蒸汽層，實現(xiàn)一定的固液接觸，從而大大提高沸騰的臨界熱流密度。提高后的臨界熱流密度值比池內(nèi)沸騰的臨界熱流密度值增加一個數(shù)量級。噴流冷卻已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)、核工業(yè)、微電子設(shè)備生產(chǎn)過程以及熱能控制過程之中。平板上穩(wěn)態(tài)的液體噴流沸騰可以根據(jù)噴流流束斷面與傳熱面的面積之比分為兩類模式：當(dāng)噴流流束斷面與傳熱面面積之比很小

2、時(即傳熱面尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噴流滯止區(qū)尺寸)，一般稱之為自由液面噴流，稱為A模式。當(dāng)噴流流束斷面等于或大于傳熱面面積時，一般稱之為滯止區(qū)噴流，稱為B模式。對于液體噴流沸騰來說，臨界熱流密度(CHF)是表達(dá)噴流沸騰傳熱特性的一個非常重要的特征值。對于穩(wěn)態(tài)的噴流冷卻來說，CHF是一個系統(tǒng)參數(shù)，它取決于受熱平板表面的幾何形狀、噴流液體和受熱平板表面之間的固液接觸角、噴流流速、噴嘴直徑等這些噴流條件。本文分別針對B模式條件下，普通銅表面以及親水表面

3、上滯止區(qū)內(nèi)飽和以及過冷的水、乙醇和R-113的穩(wěn)態(tài)圓形噴流沖擊沸騰的臨界熱流密度進(jìn)行了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)實驗研究。 ⑴通過對飽和的水、乙醇和R-113的噴流沸騰實驗得到如下結(jié)論：對普通銅表面上飽和的水、乙醇和R-113在滯止區(qū)內(nèi)的噴流沸騰而言，與池內(nèi)沸騰相比，其噴流核態(tài)沸騰曲線大幅度向上延長。隨著飽和的水、乙醇以及R-113噴流流速的增加，CHF值也迅速增加，噴流流速和噴流直徑對CHF有強(qiáng)烈的影響。對于飽和的水、乙醇以及R-113在滯止

4、區(qū)內(nèi)的噴流沸騰而言，在CHF和噴流流速以及噴流直徑之間存在一個無量綱準(zhǔn)則關(guān)系式。使用飽和的水、乙醇以及R-113噴流沸騰的實驗數(shù)據(jù)和半理論關(guān)系式相結(jié)合的方法，得到了一個CHF和噴流流速以及噴流直徑之間的半經(jīng)驗半理論關(guān)系式。該關(guān)系式可以很好地預(yù)示飽和液體在一般金屬表面上噴流沸騰的臨界熱流密度，在一個較為寬廣的范圍內(nèi)可以適用。 ⑵通過對過冷的水、乙醇和R-113的噴流沸騰實驗得到如下結(jié)論：對普通銅表面上過冷的水、乙醇以及R-113在

5、滯止區(qū)內(nèi)的噴流沸騰而言，與池內(nèi)沸騰相比，其噴流核態(tài)沸騰曲線大幅度向上延長。在充分發(fā)展核態(tài)沸騰區(qū)域內(nèi)，過冷度的高低對沸騰曲線的變化影響不大。隨著水、乙醇以及R-113的過冷度增加，臨界熱流密度也跟著增加。對于過冷的水、乙醇以及R-113在滯止區(qū)內(nèi)的噴流沸騰而言，在CHF和噴流流速以及噴流直徑之間存在一個關(guān)系式。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，分別對過冷的水、乙醇以及R-113得到了一個CHF和噴流流速以及噴流直徑之間的經(jīng)驗關(guān)系式。這些經(jīng)驗關(guān)系式可以

6、很好地預(yù)示過冷的水、乙醇以及R-113噴流沸騰的臨界熱流密度。 ⑶對親水表面上滯止區(qū)內(nèi)飽和以及過冷水的噴流進(jìn)行了實驗研究。研究得到了如下結(jié)論：對親水表面上滯止區(qū)內(nèi)飽和以及過冷水的噴流而言，在充分發(fā)展核態(tài)沸騰之前，大過冷度可以增加換熱系數(shù)、延遲沸騰初始點。在充分發(fā)展核態(tài)沸騰區(qū)域，沸騰曲線非常短。在親水表面上，沸騰曲線非常陡，幾乎垂直。實驗數(shù)據(jù)表明，小的接觸角可以大大延遲強(qiáng)制對流傳熱區(qū)域，阻止初始沸騰的發(fā)生。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，提

7、出了一個經(jīng)驗關(guān)系式，該經(jīng)驗關(guān)系式可以很好地預(yù)示親水表面上噴流核態(tài)沸騰的傳熱特性。在親水表面上，無論是對于飽和水，還是對于過冷水的噴流沸騰來說，不僅CHF和噴流流速以及噴流直徑之間存在著一個關(guān)系式，過冷水的過冷度和CHF之間也存在著一個良好的線性關(guān)系式。接觸角對于CHF的影響很大。無論是對于飽和水還是過冷水，親水表面上的CHF較之普通金屬表面要高50％左右。通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，得到了一個經(jīng)驗關(guān)系式。該關(guān)系式能夠很好地預(yù)示平板滯止區(qū)內(nèi)親水

8、表面上水噴流沸騰的CHF。 ⑷通過理論分析，建立了一個理論模型。通過對理論模型中控制方程的求解和傳統(tǒng)金屬面上實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，得到了任意固液接觸角的傳熱面上飽和水噴流沸騰CHF的數(shù)值解，從理論上揭示了滯止區(qū)內(nèi)飽和水噴流沸騰的臨界熱流密度與噴流流速、噴流直徑以及固液接觸角這三者之間的關(guān)系。 ⑸將數(shù)值計算的結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)以及根據(jù)實驗得到的半經(jīng)驗半理論關(guān)系式進(jìn)行了對比，在一定的誤差范圍之內(nèi)，計算得到的結(jié)果基本上符合飽和水噴