發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 12:14

　　 沸騰換熱一直在工業(yè)節(jié)能、設(shè)備安全運(yùn)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(shí)燒毀,大到核反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)出問題引發(fā)大范圍核輻射災(zāi)害。因此,有必要進(jìn)一步研究強(qiáng)化沸騰換熱的手段和沸騰換熱的機(jī)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(qiáng)化沸騰換熱的效果及其機(jī)理。研究?jī)?nèi)容包括熱線外過冷池沸騰的實(shí)驗(yàn)研究、矩形通道流動(dòng)沸騰的實(shí)驗(yàn)研究、大平板飽和池沸騰的實(shí)驗(yàn)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(dòng)沸騰四個(gè)部分。研究結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)工況對(duì)表面活性劑強(qiáng)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(shí)驗(yàn)研究中,通過一個(gè)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(guān)系曲線。獲得強(qiáng)化沸騰換熱的最佳溶液濃度以及強(qiáng)化沸騰換熱的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jī)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(qiáng)流體擾動(dòng)和進(jìn)一步降低加 熱絲的溫度。氣泡噴射速度達(dá)到0.5m·s~(-1)左右。對(duì)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(guān)。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(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)研究中,實(shí)驗(yàn)通過一個(gè)8mm厚的鎳薄金屬片在6.0×3.5 mm~2矩形通道的一個(gè)面上加熱。建立熱流與壁面過熱度的關(guān)系曲線。獲得強(qiáng)化沸騰換熱的最佳濃度以及強(qiáng)化沸騰換熱的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)出口的壓差相對(duì)于水波動(dòng)劇烈。用高速攝像機(jī)記錄了流動(dòng)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(shí)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(qiáng)壓力波動(dòng)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(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的原因。在水的大平板飽和池沸騰的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dòng)沸騰研究中,通過LBM方法的單松馳時(shí)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(dòng)沸騰換熱。對(duì)比LBM數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示表面活性劑強(qiáng)化沸騰換熱的本質(zhì)。LBM數(shù)值模擬結(jié)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(qiáng)化沸騰換熱的因素之一。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(shí)溶液濃度低于臨界膠束濃度（CMC）。當(dāng)氣液界面的表面活性劑分子達(dá)到飽和時(shí)，此時(shí)溶液濃度等于 CMC，會(huì)在溶液內(nèi)小型膠束。進(jìn)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(cè)溫實(shí)驗(yàn)方法包括熱電偶測(cè)溫法、熱傳導(dǎo)測(cè)溫法、線測(cè)溫法等。熱電偶測(cè)溫法主要指直接采用溫度傳感器如熱面上，因?yàn)闊犭娕即嬖隗w積，將破壞加熱面結(jié)構(gòu)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)實(shí)驗(yàn)中，熱電偶測(cè)量點(diǎn)可起到沸騰核心作用，一般不提倡使
【參考文獻(xiàn)】

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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(lǐng)域的應(yīng)用[J];化工學(xué)報(bào);2014年07期

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本文編號(hào)：2886214