納米流體對傾斜朝下加熱面沸騰換熱特性的影響

朱 晨，匡 波，孫 偉，范云良，張 志，唐超力

（上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240）

熔融物堆內滯留（IVR）是一個有效的嚴重事故緩解措施，已被應用于先進核電廠，例如韓國的APR1400、美國西屋公司的AP600 和AP1000。壓力容器外部冷卻（ERVC）是IVR的一種措施，通過灌水淹沒壓力容器下封頭從外部冷卻壓力容器，維持壓力容器的完整性。但隨著反應堆容量的增大，ERVC 的能力與有效性受到了挑戰，有學者提出工質內添加納米顆粒對沸騰換熱有強化作用［1-10］。

在納米流體沸騰傳熱性能的研究中，對于納米流體能否強化溶液傳熱系數的問題仍有爭論，而大多實驗已證明，納米流體能顯著改善沸騰傳熱特性。對于納米流體對傾斜朝下加熱面沸騰換熱影響規律的研究尚不夠深入，還需進一步研究。

本文通過傾斜下表面池沸騰實驗模擬壓力容器球形外表面的沸騰換熱，對不同種類的納米流體以及去離子水作為介質時的實驗數據及實驗現象進行比較分析，得出納米顆粒種類、體積濃度以及粒徑大小對改善傳熱的影響。

1 試驗系統和試驗方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，由水箱、蒸汽排出導管、玻璃視窗、冷卻銅管、銅加熱本體和緊固壓條等結構組成。水箱用來盛裝試驗工質，銅加熱本體通過緊固壓條固定在水箱上表面，加熱本體下表面為沸騰換熱面，試驗中淹沒在試驗工質中。

試驗在常壓下裝滿試驗工質的水箱內進行。銅加熱本體加熱方式為間接加熱，通過34根額定功率為2.1kW 的加熱棒對銅塊進行加熱，從而加熱沸騰換熱面；加熱棒安插在銅塊內，通過電源控制系統對加熱棒進行調壓控制加熱，可實現對加熱棒電功率的連續調節；兩側距離加熱面10 mm 和14 mm 處布置有16 個監測熱電偶，用來測量銅加熱本體內關鍵位置的溫度；加熱本體的監測溫度、加熱棒的電流和電壓等信號通過NI數據采集系統進行實時測量、監控和存儲，其中溫度信號采集頻率為5Hz，電流、電壓信號采集頻率為10 Hz；試驗中，利用高速攝像系統等對沸騰換熱面的池沸騰現象進行可視化研究。

1.2 納米流體的制備

包括納米顆粒分別選取了金屬、金屬氧化物材料：納米銅（20nm 和100nm）、納米氧化鋁（20nm），基液為去離子水。實驗選取的納米流體規格列于表1。本文采用兩步法（即先制備納米顆粒，再將納米顆粒均勻分散于基液中制備成納米流體）制備納米流體，并采用超聲波震蕩等方法有效改善納米流體的懸浮穩定性。

1.3 試驗方法

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

試驗中使試驗工質完全淹沒沸騰換熱面；通過加熱棒加熱去離子水至飽和溫度；同時用冷卻銅管循環冷卻，維持水溫飽和，并維持水箱內壓力為常壓。在不同功率水平下，當試驗調節至穩態時，用數據采集系統實時采集銅加熱本體16個熱電偶的溫度，利用高速攝像系統對不同功率水平下沸騰過程中汽泡的運動進行記錄。重復上述操作完成以去離子水、Al2O3納米流體、Cu-20納米流體和Cu-100納米流體為試驗工質的試驗。

表1 實驗選取的納米流體規格Table 1 Nanofluids for experiments

由實驗中所測得的溫度數據，利用傅里葉定律以及壁面溫度的線性外推，可求得熱流密度和銅加熱本體加熱面的壁溫。熱流密度q=-λ，為銅加熱本體由上表面指向沸騰換熱面方向的溫度變化率，q 為沿方向傳遞的熱流密度。銅加熱本體下凸臺處溫度梯度穩定，根據線性關系可求出銅塊冷卻面壁面溫度tw，過熱度Δt=tw-tf（tf為試驗工質溫度），由此可得沸騰換熱系數α=。

2 試驗結果與分析

2.1 傾斜角影響規律

圖2示出去離子水試驗工質下不同傾斜角換熱系數隨熱流密度的關系。可看到：在傾斜角為0°時，隨熱流密度的增大，沸騰換熱系數變小；而傾斜角為15°、30°時，沸騰換熱系數隨熱流密度的增大而增大，其中傾斜角為30°時，增長趨勢很慢。

圖2 去離子水試驗工質不同傾斜角下的q-α 關系Fig.2 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different inclined angles in deionized water

圖3為不同熱流密度下0°時汽泡的行為。可看到，隨熱流密度的增加，汽泡生長十分劇烈，汽泡間的合并吞噬也極其快速，形成幾乎覆蓋整個朝下壁面的大汽泡，阻隔了流體與加熱面間的換熱，導致沸騰換熱性能下降。在角度為15°、30°時，汽泡不再附著在加熱面上，而是開始沿著壁面滑移，并在滑移過程中不斷合并而生長。在這種過程下，加熱面基本無小汽泡附著，銅塊與液體的換熱十分充分，換熱性能較0°時的明顯變好。

2.2 納米流體影響規律

圖3 不同熱流密度下0°時的氣泡形態Fig.3 Bubble movement for 0°under different heat fluxes

圖4 不同納米流體工況下的q-α 關系Fig.4 Heat flux vs.heat transfer coefficient for different nanofluids

圖4為不同納米流體工況下q-α 關系。所有納米流體試驗均在傾斜角30°下進行。通過對體積濃度為0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20納米流體，0.01%的Cu-100納米流體，以及體積濃度為0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3納米流體進行試驗，發現在30°時，相較于去離子水，納米流體均會增加沸騰換熱系數。由于本試驗采用的納米流體均不透明，高速攝影無法進行拍攝，故無法采集圖像數據。

通過對體積濃度為0.001%、0.005%、0.01%的Cu-20納米流體（圖4a），以及體積濃度為0.01%、0.02%、0.05%的Al2O3納米流體（圖4b）進行實驗，發現在30°時，納米粒子濃度的增大均會增加相同功率密度下的換熱系數。體積濃度為0.01%的Al2O3納米流體在本試驗最大熱流密度條件下的換熱系數相較于去離子水的增加了23.1%。

Cu-20納米流體對于換熱性能的增強較Al2O3納米流體大得多，換熱系數相較于去離子水的增加了42.5%。隨熱流密度的不斷升高，Cu-20納米流體工況下的換熱系數有顯著的上升，且其換熱系數隨濃度的增大而增大的規律與Al2O3納米流體的相同。

不同濃度的氧化鋁納米流體和Cu-20納米流體，在相同傾斜角、相同熱流密度下，隨濃度的增加，改善傳熱效果越來越好。

對于相同濃度、相同粒徑、不同材料的納米流體（圖4c），可發現體積濃度為0.01%的Al2O3納米流體和體積濃度為0.01%的Cu-20納米流體對沸騰換熱特性均有改善，Al2O3納米流體在低熱流時的改善效果較好，而Cu-20納米流體在高熱流密度時有十分顯著的改善效果。

對相同材料、相同濃度、不同粒徑的納米流體（圖4d），在相同濃度下，Cu-100納米流體較Cu-20納米流體更能改善沸騰傳熱，在相同熱流密度條件和本試驗的最大熱流密度下，Cu-20納米流體換熱系數增大了42.5%，而Cu-100納米流體的換熱系數則增大了92.9%。較大粒徑的納米材料對于改善沸騰換熱特性體現出更大的優勢。

3 結論

本文通過對傾斜朝下加熱面的池沸騰進行試驗，研究了不同納米流體對于沸騰換熱特性的影響，得到以下結論：

1）傾角30°時，相較于去離子水，Al2O3納米流體和Cu-20納米流體均會增強沸騰換熱。對體積濃度同為0.01%的不同納米流體，Al2O3納米流體換熱系數增加了23.1%，而Cu-20 納米流體的換熱系數增加了42.5%，Cu-100納米流體的換熱系數則增加了92.9%。

2）對于Al2O3納米流體和Cu-20納米流體，隨著濃度的增加，沸騰換熱性能得到明顯改善。

3）不同種類、相同粒徑、相同濃度的納米流體作為介質時，Cu納米流體的總體效果好于Al2O3納米流體。

由于試驗裝置設計與試驗條件的限制，未能進行大傾斜角下的傾斜下表面換熱實驗，且未能進行池沸騰的臨界熱流密度測量試驗，這些都將在后續試驗中進行探索。

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