發(fā)布時間：2020-11-16 12:14

　　 沸騰換熱一直在工業(yè)節(jié)能、設備安全運行、空調(diào)冰箱制冷與電子產(chǎn)品散熱等方面起到舉足輕重的作用。小到CPU中央處理器與GPU圖形處理器因散熱不及時燒毀,大到核反應堆冷卻系統(tǒng)出問題引發(fā)大范圍核輻射災害。因此,有必要進一步研究強化沸騰換熱的手段和沸騰換熱的機理。本文利用十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)與水楊酸鈉(NaSal)以1:1配成水溶液研究了通過添加表面活性劑的方式強化沸騰換熱的效果及其機理。研究內(nèi)容包括熱線外過冷池沸騰的實驗研究、矩形通道流動沸騰的實驗研究、大平板飽和池沸騰的實驗研究與格子玻爾茲曼方法(LBM)數(shù)值模擬飽和池沸騰與流動沸騰四個部分。研究結果表明實驗工況對表面活性劑強化沸騰換熱存在影響。在表面活性劑溶液的熱線外過冷池沸騰的實驗研究中,通過一個水平放置的(?)0.07mm鉑絲熱線加熱容器內(nèi)工質(zhì)。建立熱流與熱線過熱度的關系曲線。獲得強化沸騰換熱的最佳溶液濃度以及強化沸騰換熱的機理。實驗結果表明,在5-100 ppm溶液表現(xiàn)最佳的傳熱性能。相同熱流下,有利于降低加熱絲的溫度提高沸騰換熱系數(shù),并且臨界熱流(CHF)最大提高了25%左右。用高速攝像機和顯微鏡記錄了核態(tài)沸騰過程。首次發(fā)現(xiàn)氣泡爆炸和氣泡噴射現(xiàn)象發(fā)生在加熱絲周圍,從而增強流體擾動和進一步降低加 熱絲的溫度。氣泡噴射速度達到0.5m·s~(-1)左右。對3種不同的表面活性劑溶液(陽離子表面活性劑CTAC、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉SDBS和非離子表面活性劑烷基糖苷APG)進行了實驗發(fā)現(xiàn)氣泡爆炸和氣泡噴射現(xiàn)象與表面活性劑種類無關。借助顯微鏡和高速攝像裝置發(fā)現(xiàn)氣泡爆炸現(xiàn)象和氣泡噴射現(xiàn)象是由于氣液兩相界面上表面張力分布不均勻造成的。根據(jù)拉普拉斯方程(?),界面處表面張力分布不均勻,氣泡內(nèi)高壓將蒸汽由低表面張力處噴射出去或引起氣泡爆炸。而非離子表面活性劑烷基糖苷(APG)由于熱穩(wěn)定性差降低CHF。在表面活性劑溶液的矩形通道內(nèi)流動沸騰實驗研究中,實驗通過一個8mm厚的鎳薄金屬片在6.0×3.5 mm~2矩形通道的一個面上加熱。建立熱流與壁面過熱度的關系曲線。獲得強化沸騰換熱的最佳濃度以及強化沸騰換熱的機理。實驗結果表明,在100 ppm左右的CTAC/NaSal水溶液表現(xiàn)最佳的傳熱性能。相同熱流下,有利于降低壁面溫度提高換熱系數(shù),并且CHF提高了25%左右,進出口的壓差相對于水波動劇烈。用高速攝像機記錄了流動沸騰過程,發(fā)現(xiàn)CTAC/NaSal水溶液中沸騰產(chǎn)生的氣泡更小停留時間更長,加熱面上的沸騰核心更多。氣泡之間不發(fā)生合并使CTAC/NaSal溶液中的氣液兩相界面更大,更大氣液兩相界面引起強壓力波動現(xiàn)象并且潤濕加熱面。因此,加熱面的潤濕和沸騰核心增多可能是表面活性劑強化流動沸騰換熱的原因。在水的大平板飽和池沸騰的實驗研究中,通過氧化銦錫Indium tin oxide(ITO)透明鍍層加熱法觀察加熱面上氣液兩相分布與沸騰核心分布。實驗發(fā)現(xiàn)氣泡間發(fā)生合并減少有效沸騰核心數(shù)和氣液兩相界面進而弱化沸騰換熱。在CHF工況,合并后的大氣泡在加熱面形成氣膜抑制沸騰換熱。在LBM數(shù)值模擬飽和池沸騰與流動沸騰研究中,通過LBM方法的單松馳時間(LBGK)模型、二維D2Q9模型和P-R兩相狀態(tài)方程數(shù)值模擬大平板飽和池沸騰換熱和矩形通道內(nèi)流動沸騰換熱。對比LBM數(shù)值模擬結果與實驗結果揭示表面活性劑強化沸騰換熱的本質(zhì)。LBM數(shù)值模擬結果顯示氣液兩相交匯處Nu數(shù)最高,氣泡合并使中間的沸騰核心Nu數(shù)減小,氣泡合并減小氣液兩相交匯長度,減小有效沸騰核心數(shù)不利于沸騰換熱。因此,表面活性劑阻止氣泡合并可能是表面活性劑強化沸騰換熱的因素之一。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK124;TQ423
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論停留于氣液兩相界面，此時溶液濃度低于臨界膠束濃度（CMC）。當氣液界面的表面活性劑分子達到飽和時，此時溶液濃度等于 CMC，會在溶液內(nèi)小型膠束。進一步增大溶液濃度，表面活性劑分子大量聚集在溶液內(nèi)形成或?qū)訝钅z束，如圖 1-1 所示。

離子型表面活性劑液膜處電荷分布

圖 1-3 S 型透明鍍層加熱圓管[29]Fig.1-3 S-type tube of transparent coating tube[29]熱的常用測溫實驗方法包括熱電偶測溫法、熱傳導測溫法、線測溫法等。熱電偶測溫法主要指直接采用溫度傳感器如熱面上，因為熱電偶存在體積，將破壞加熱面結構影響實驗結實驗中，熱電偶測量點可起到沸騰核心作用，一般不提倡使
【參考文獻】

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1 付宇航;趙述芳;王文坦;金涌;程易;;多相/多組分LBM模型及其在微流體領域的應用[J];化工學報;2014年07期

2 曾建邦;李隆鍵;廖全;蔣方明;;池沸騰中氣泡生長過程的格子Boltzmann方法模擬[J];物理學報;2011年06期

3 曾建邦;李隆鍵;廖全;陳清華;崔文智;潘良明;;格子Boltzmann方法在相變過程中的應用[J];物理學報;2010年01期

4 王曉東,田勇,彭曉峰,王補宣;沸騰核心內(nèi)部結構及其演化特性[J];化工學報;2005年05期

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本文編號：2886214