池沸騰多種底面肋型可視化實驗研究

劉廣峰

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001）

0 引言

目前研究表明，池沸騰強化換熱主要方法包括表面改性、流體介質、表面結構、外源能等。表面改性是目前池沸騰強化換熱最為常用的研究方法，表面改性主要通過改變加熱壁面材料特性，通過在壁面上鍍層，不同鍍層金屬的親水性和疏水性不同會導致加熱壁面泡核沸騰起點、泡核成核形式、泡核成核頻率、泡核大小發生改變，但表面改性情況多變、成本高、不易控制；改變流體介質是通過使用不同肋型的池沸騰工質來對池沸騰進行強化換熱，不同工質的沸騰起點、氣泡成核與氣泡動力學不同，從而對池沸騰的強化換熱效果不同；表面結構主要通過改變加熱壁面結構達到強化換熱的目的，主要方式有改變表面肋型、表面微結構加工等。

李長達等[1]研究了超聲中去離子水和納米流體對池沸騰強化換熱的影響，在低熱流密度區超聲波空化效應對池沸騰的強化換熱作用較強，熱流密度升高后，由于氣泡的劇烈運動，會使其強化換熱效果減弱；楊振等[2]研究了池沸騰中表面活性劑對強化換熱的影響，以Tween20、Span20及兩者復配物為表面活性劑，活性劑的濃度、種類及池沸騰熱流密度會對池沸騰強化換熱效果產生影響；Sudhir Kumar Singh等[3]研究了表面改性對低濃度條件下納米流體池沸騰強化換熱作用的影響；林石泉等[4]研究了表面改性金屬壁面對池沸騰強化換熱特性影響，實驗研究表明表面改性對低孔隙率的泡沫金屬內池沸騰強化換熱作用明顯。目前池沸騰領域相關研究主要集中于外源強化、納米流體、表面改性等方面，本文主要在不同加熱底面肋型的條件下，研究對池沸騰換熱性能和加熱底面氣泡行為的影響，為池沸騰強化換熱技術的發展和應用提供有益的科學依據。

1 實驗系統總體設計

本次研究采用課題組自主設計搭建的恒溫可控池沸騰強化換熱實驗平臺，平臺原理如圖1所示，實驗平臺主要由沸騰池、高速攝像機和恒溫加熱平臺、數據收集系統及測量系統組成。對課題組自主搭建的恒溫可控加熱平臺進行預設參數設定，一定時間后加熱平臺溫度到達預定恒溫值，在沸騰池中加入設定溫度、體積的去離子水，可視化沸騰池放置在平臺加熱板上。通過控制電流對實驗平臺提供預定的熱流密度，相關測量參數（如溫度、壓力、熱載、密度等）經過相關儀器測定后輸入數據采集系統，并與可視化段高速攝像機圖像采集儀器輸送至計算機。實驗前對加熱平臺進行預加熱，當壓力和溫度示數趨于穩定后，打開直流電源，調整加熱功率直至有沸騰汽泡開始出現。待所有溫度、壓力讀數穩定后，利用同步控制器，同時測量溫度、壓力及高速圖像序列，通過高速采集儀采集電壓信號。每組實驗持續20 min左右。完成一組實驗后，改變不同加熱底板肋型沸騰池，重新開始實驗，研究沸騰池加熱底板肋型對微通道流動沸騰強化換熱的影響。利用視頻圖像技術對超聲場強化過冷沸騰的汽泡行為特性進行檢測，得出沸騰池加熱底板肋型對過冷沸騰池沸騰加熱壁面汽泡運動特征的影響。

圖1 實驗系統原理圖

1.1 恒溫加熱平臺

池沸騰恒溫加熱平臺實物如圖2所示，加熱系統主要由可調節加熱板及耐高溫絕緣材料組成，由智能恒溫加熱臺對實驗沸騰池進行加熱，加熱板最高加熱溫度為800℃，誤差為±5 ℃；智能溫控儀與加熱平臺相連進行恒溫控制。本實驗加載的功率為3.5 kW，實驗工質為80 ℃的純水，加熱臺溫度設定為150 ℃。

圖2 恒溫加熱系統

1.2 可視化系統

可視化系統由高速攝像機和可視化沸騰池組成，攝像機參數如表1所示，高速攝像機采用富煌君達千眼狼5F01 2000幀高速攝像機，分辨率為1280×1024。沸騰池由紫銅板（100 mm×100 mm×1.0 mm）、超白鋼化玻璃使用高溫玻璃膠粘接制成，沸騰池規格為100 mm×100 mm×200 mm）（如圖3）。

圖3 沸騰池和高速攝像機

表1 高速攝像機性能參數

圖4所示為沸騰池底板結構原理圖。沸騰池水平放置在恒溫加熱臺上，底板下表面受熱載作用，底板為邊長100 mm的方形紫銅板，厚度為5 mm，加熱底板側面上開2排小孔，每排9列以布置K型熱電偶，相鄰兩列測點間距為10 mm，兩排測點徑向距離為1 mm，紫銅傳熱系數λ=400 W/(m·K)。

圖4 沸騰池底板結構原理圖

1.3 數據處理

相關計算根據傅里葉導熱定律計算[5]，φ=-λA·dt/dx，由于加熱壁面看作一維加熱面（即溫度在x方向發生變化），由傅里葉導熱定律可以推導出熱流密度q（kW/m2）的表達式為[5]

式中：i=1，2，3…9；λ為紫銅板導熱系數，W/（m·℃）；Ti、Ti＇為同一列兩測點溫度，℃；L為同一列兩測點之間徑向間距，mm。

得出熱流密度后沸騰池底面溫度可以得出表達式為

式中：Tw為沸騰池受熱底面內壁面溫度，℃；T1為上排測點溫度，℃；δw-1為加熱底面內壁面與上排測點的間距，mm。

推導出傳熱系數h的表達式為

式中：h為傳熱系數，W/（m2·℃）；Tf為沸騰池平均溫度，℃。

1.4 實驗誤差和不確定度分析

由于實驗過程中，各種儀器儀表在工作狀態中存在不穩定性導致數據在測量時存在誤差波動，同時環境空氣的溫度也是一個不可控的因素，因此實驗過程存在不可控誤差，主要包括環境誤差、儀器誤差、測量誤差。為了盡量減小環境誤差，在實驗過程中，相同工況條件下進行多次測量。實驗誤差分為直接誤差和間接誤差，直接誤差是指由各類儀表自身精度引起的誤差，主要有恒溫加熱平臺控制誤差、熱電偶測量誤差、尺寸測量誤差等，相關精度參數如表2所示。

表2 實驗儀器精度誤差

間接誤差是因為所求數據通過多個參數間接求得，各個參數與所求參數滿足一定函數關系：

各個參數X1、X2……Xi的測量計算存在誤差，各參數的誤差即不確定度記作δx1、δx2…δxi，可以通過誤差傳遞理論公式計算不確定度[6]：

Y的相對不確定度計算公式為

由式（1）～式（3）可知實驗中需要計算不確定度的主要有熱流密度、加熱底板壁面溫度、傳熱系數等，根據式（4）～式（6）可以計算相關不確定度（如表3）。

表3 計算參數不確定度

2 實驗結果與分析

采用高速攝像技術捕捉了汽泡分布和汽泡動態變化行為，研究了池沸騰汽泡運動行為，分析了不同加熱底面肋型結構對近壁區邊界層汽液兩相界面特征的影響規律，團隊使用高速攝像機2000 幀/s的幀率記錄不同肋型結構沸騰池氣泡運動狀態。以氣泡與壁面接觸相切線消失為條件，確定了氣泡運動學的相關規律。不同加熱底面肋型沸騰池沸騰現象如圖5所示。

圖5 不同加熱底面肋型沸騰池沸騰現象

2.1 氣泡動力學特性

圖5所示是采用高速攝像機富煌君達千眼狼5F01 2000幀高速攝像機拍攝記錄的平均池內溫度Tw=90 ℃時不同肋型加熱底板沸騰池的沸騰現象。圖5（a）所示為沸騰池加熱底板為紫銅光板池沸騰在Tw=90 ℃時沸騰現象，可以看到氣泡脫離最劇烈、氣泡脫離直徑最大、脫離頻率最低、氣泡最為完整、運動軌跡清晰完整；圖5（b）、圖5（c）所示為相同工況下加熱底板肋型為中間打斷式和三斷式沸騰池沸騰現象，可看出與光板比較，中間打斷式肋型沸騰池中氣泡脫離較劇烈、脫離直徑較小、氣泡破裂時間較短、氣泡運動軌跡短；三斷式肋型加熱底板沸騰池中氣泡脫離最劇烈、氣泡生長周期最短、氣泡脫離密度大、脫離尺寸最小、氣泡破裂迅速，沸騰池中工質擾動劇烈。由實驗研究可知沸騰池加熱底板肋型的變化改變了氣泡動力學特性，使氣泡的運動特性發生改變，比較可知沸騰池三斷式肋型強化換熱效果最明顯，肋型的布置通過對氣泡生長、運動規律作用來影響池沸騰強化換熱的效果。

2.2 加熱壁面氣泡脫離直徑變化

如圖6所示，在對3種肋型池沸騰熱流密度相同時，對沸騰池相同加熱位置區域壁面氣泡脫離運動進行觀察記錄，從拍攝記錄的壁面生成的氣泡我們可以得到，在熱流密度相同時，三斷式肋型池沸騰氣泡脫離直徑最小，氣泡脫離密度最大，氣泡脫離速度最快；光板式肋型氣泡脫離的直徑最大，氣泡脫離密度最小，氣泡脫離速度明顯低于中間打斷式和三斷式底板肋型池沸騰。由氣泡脫離直徑和氣泡密度可以得出，三斷式肋型池沸騰換熱性能優于中間打斷式肋型池沸騰和光板式肋型池沸騰。

圖6 壁面脫離氣泡

2.3 加熱底板肋型對池沸騰傳熱的影響

在沸騰池壁面布置K型熱電偶記錄不同位置測點水溫及壁面溫度變化，布置兩排并列的9對熱電偶測點，測點之間距離為8 mm，沸騰池內液高為150 mm。圖7得出了沸騰池平均液溫為Tw=90 ℃條件下，池沸騰傳熱性能與沸騰池加熱底板肋型的變化關系。

由圖7 可以得到池沸騰強化換熱特性隨沸騰池加熱底板肋型變化的影響。由圖7中間打斷式肋型池沸騰和三斷式肋型池沸騰傳熱規律曲線圖可以看到，在較低熱流密度階段即q＜100 kW/m2時傳熱系數隨熱流密度變化平緩，這可以解釋為低熱流密度階段池沸騰熱量積聚不足，流體氣泡運動平緩因此換熱效果一般；在熱流密度達到一定界限值后氣泡運動加劇，換熱加快，隨熱流密度增大，換熱系數明顯增大；在相同熱流密度條件下，與光板肋型池沸騰相比中間打斷式肋型池沸騰換熱系數增大約8%，三斷式肋型池沸騰比光板肋型池沸騰換熱系數增大約16.5%。熱流密度相同的條件下不同肋型沸騰池換熱系數q存在以下關系：q三斷式＞q中間打斷式＞q光板。可以得出在光板、中間打斷式、三斷式3種底板類型沸騰池中加熱底板肋型為三斷式的沸騰池強化換熱性能最好。這是由于沸騰池加熱底板肋型的不同導致氣泡的動力學特性發生變化，壁面氣泡生成增加，脫離直徑減小，氣泡運動加劇，換熱性能加強。

圖7 底板肋型對傳熱性能的影響

3 結論

本次實驗研究了不同底板肋型池沸騰強化換熱特性的變化規律，對不同底面肋型的池沸騰強化換熱進行研究，觀察分析了不同肋型條件下的氣泡動力學特性，揭示了不同肋型池沸騰強化換熱的傳熱規律，得出以下結論：1）沸騰池加熱底面肋型對池沸騰氣泡運動行為作用明顯，氣泡運動規律發生改變，影響氣泡脫離速度，換熱三斷式肋型池沸騰氣泡脫離速度明顯加快，氣泡運動距離、強化換熱效果最顯著，中間打斷式肋型對池沸騰強化換熱作用較弱。2）在相同熱流密度條件下，相比于光板肋型池沸騰，三斷式肋型池沸騰和中間打斷式肋型池沸騰氣泡脫離直徑明顯減小，氣泡生成時間縮短。具體而言，三斷式肋型池沸騰氣泡脫離直徑最小，底面氣泡生成時間最短；光板式肋型池沸騰氣泡脫離直徑最大，底面氣泡生成時間最長。3）在相同熱流密度條件下，與光板肋型池沸騰相比中間打斷式肋型池沸騰換熱系數增大約8%，三斷式肋型池沸騰比光板肋型池沸騰換熱系數增大約16.5%，相同熱流密度的條件下不同肋型沸騰池換熱系數q值關系為q三斷式＞q中間打斷式＞q光板。