毛玉博

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

金屬泡沫在納米流體池內(nèi)沸騰換熱特性研究

毛玉博

( 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306 )

[摘要]常壓下，以去離子水或納米流體為工質(zhì)，對(duì)光滑平板和沸騰池內(nèi)鋪設(shè)金屬泡沫，進(jìn)行池內(nèi)沸騰實(shí)驗(yàn)研究：分析了不同過熱度下的熱流密度和不同熱流密度下池沸騰的傳熱系數(shù)；對(duì)沸騰汽泡在光滑平板和泡沫金屬表面產(chǎn)生、融合和脫離進(jìn)行了可視化的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：納米流體工質(zhì)會(huì)影響金屬泡沫池內(nèi)沸騰特性。

[關(guān)鍵詞]池內(nèi)沸騰；金屬泡沫；納米流體；沸騰汽泡

收稿日期：2015-4-5

作者簡(jiǎn)介：毛玉博(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：強(qiáng)化傳熱技術(shù)研究。Email：yuboup@163.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)04-006-05

中圖分類號(hào)：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.002

Abstract：Under pressure,deionized water and nanofluids as working fluid,for smooth and boiling pools laying flat metal foam,pool boiling experiments conducted research：analyzed under different superheat heat flux under different pool boiling heat flux transfer heat transfer coefficient；boiling bubble and foam on a smooth flat metal surface,carried out the integration and visualization research.It was found that：nanofluids will affect the working fluid metal foam pool boiling characteristics.

The Heat Transfer Characteristics of Metal

Foams in Nanofluids Pool Boiling

MAO Yubo

( Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai,201306,China )

Key words:Pool boiling；Metal foam；Nanofluids；Boiling bubble

0引言

在科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天，電子產(chǎn)品尺寸越來越小，集成化程度卻越來越高，單位面積里的散熱密度逐漸增加，對(duì)高性能，高效率的導(dǎo)熱材料的尋求變得越來越重要。閉孔金屬泡沫大多用于航天，軍事，建筑等方面，開孔泡沫金屬大多用于強(qiáng)化傳熱，降噪等方面。泡沫由于其優(yōu)良的性能，能解決工程中的許多問題，所以對(duì)泡沫金屬的研究也比較廣泛。國(guó)外[1-3]已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，國(guó)內(nèi)研究[4-6]主要集中在結(jié)構(gòu)等力學(xué)特性，對(duì)池內(nèi)沸騰研究者甚少。Lee[7]等研究了納米多孔結(jié)構(gòu)表面對(duì)核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米多孔傳熱表面的起始沸騰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壁面過熱度低于沒有多孔鍍層的傳熱表面，前面核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)高于后者，特別是在低熱流密度時(shí)上述現(xiàn)象更加明顯。

納米流體作為一種新的功能性流體,具有許多獨(dú)特的性能.把金屬或非金屬納米粉體分散到水、醇、油等流體介質(zhì)中,制備成均勻且穩(wěn)定的納米顆粒懸浮液,是一種潛在的高性能新型換熱介質(zhì)。大量研究結(jié)果表明，使用納米流體能夠大幅度提高換熱性能。國(guó)內(nèi)對(duì)納米流體池內(nèi)沸騰換熱研究相對(duì)較少，在沸騰池底部放置金屬泡沫，用納米流體做工質(zhì)，是否還能起到強(qiáng)化效果不得而知，本文結(jié)合金屬泡沫和納米流體做了相關(guān)的研究。

1實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

圖1　多孔介質(zhì)池內(nèi)沸騰實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Porous media pool boiling experiment device

如圖1所示，多孔介質(zhì)池沸騰傳熱特性實(shí)驗(yàn)裝置主要由池沸騰容器、加熱控溫系統(tǒng)、冷凝回流系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集儀組成。為了方便觀察池內(nèi)沸騰換熱的氣泡特性，在60mm×60mm×150mm的不銹鋼金屬腔兩對(duì)立面鑲嵌了45mm×90mm×5mm的石英玻璃視窗，一方面可用LCD燈進(jìn)行補(bǔ)光，增加金屬腔內(nèi)部的亮度，另一方面可放置CCD高速攝像機(jī)捕捉氣泡的生長(zhǎng)脫離過程。

為了保證金屬腔底部的較好的導(dǎo)熱效果，容器由上底60mm×60mm×15mm，下底72mm×72mm×30mm的完整的梯形紫銅組成，豎直方向間隔為4.5mm上下兩個(gè)平面，四面總共打了深20mm的8個(gè)孔，布置了4組銅-康銅熱電偶?？拷序v容器側(cè)熱電偶的編號(hào)為i=1～4，靠近加熱塊側(cè)所布置熱電偶的編號(hào)為i=5～8，用以獲取各截面的平均溫度，銅塊四周布置隔熱保溫材料。

如圖1所示，通過調(diào)整電壓控制加熱功率，數(shù)據(jù)采集采用Agilent數(shù)據(jù)采集儀。

實(shí)驗(yàn)將15PPI的金屬泡沫置于容器底部，分別添加了純水和用超聲波震蕩儀(圖4)制備0.01%SiO2納米流體(圖5)作為工質(zhì)，研究了它們的沸騰傳熱特性，并給出了池沸騰容器底部鋪設(shè)多孔層時(shí)沸騰汽泡產(chǎn)生和演化的過程。

實(shí)驗(yàn)初期以較小恒定功率加熱，當(dāng)熱電偶在20分鐘內(nèi)變化不超過0.4K，可以認(rèn)為處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，增大30W功率，并記錄數(shù)據(jù)。溫度測(cè)量的不確定度小于1K，熱流密度的測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，根據(jù)傅里葉定律，熱流密度、過熱度和傳熱系數(shù)通過下式確定；

熱流密度q：

(1)

壁面溫度TW：

(2)

過熱度ΔT：

ΔT=Tw-Tsat

(3)

圖2　池沸騰容器Fig.2　Pool boiling vessel

圖3　15PPI通孔銅泡沫Fig.3　15PPI open-celled copper foams

圖4　超聲波震蕩儀Fig.4　Ultrasonic vibration analyzer

圖5　0.02%SiO2納米流體Fig.5　0.02%SiO2Nanofluids

傳熱系數(shù)h：

(4)

式中，Tsat為飽和壓力下的液體溫度；δ1為容器底部紫銅塊豎直方向鋪設(shè)熱電偶上下兩平面間距；δ2為靠近容器側(cè)鋪設(shè)熱電偶平面與容器內(nèi)表面間距。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1泡沫金屬對(duì)池內(nèi)沸騰換熱的影響

如圖6(a)所示放15PPI的泡沫金屬-純水工質(zhì)的組合效果最好，相對(duì)于光滑平板而言，底部放置15PPI的金屬泡沫，增加了沸騰換熱的比表面積，金屬骨架本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在沸騰期間，內(nèi)部可產(chǎn)生大量的汽化核心，增高了熱流密度下氣泡的產(chǎn)生速率，并且銅泡沫本身良好的導(dǎo)熱特性，也促進(jìn)了沸騰過程的進(jìn)行。

圖6　納米流體工質(zhì)金屬泡沫池內(nèi)沸騰傳熱曲線Fig.6　nanofluids working fluid metal foam pool boiling heat transfer curve

如圖6(b)所示，在起始階段，自然對(duì)流換熱階段時(shí)，各個(gè)組合的換熱效果接近。隨著換熱過程的經(jīng)行，且熱流密度在10W/cm2以內(nèi)，純水-15PPI金屬泡沫組合的換熱系數(shù)最高，且上升最快，原因在于伴隨著熱流密度的上升，這一組合率先進(jìn)入了核態(tài)沸騰，氣泡產(chǎn)生量急劇增大，換熱系數(shù)急劇增大。當(dāng)熱流密度大于10W/cm2以后，換熱過程逐漸趨于平緩，由于大量的氣泡產(chǎn)生，且小氣泡聚合成大氣泡，金屬泡沫骨架反而阻擋了氣泡的上升，換熱開始受到抑制，換熱效率下降。光滑平板表面和納米流體工質(zhì)的組合，由于一開始?xì)馀莸纳擅撾x過程就受到抑制，所以整個(gè)換熱過程都相對(duì)平緩，穩(wěn)步上升。

2.2納米流體對(duì)金屬泡沫池內(nèi)沸騰換熱的影響

有關(guān)納米流體的池內(nèi)沸騰換熱的大量研究反應(yīng)出了納米流體能較好的強(qiáng)化換熱，究其原因在于納米材料的微型顆粒，在液體內(nèi)部增加了液體的擾動(dòng)，強(qiáng)化了換熱過程的進(jìn)行。但是當(dāng)?shù)撞糠胖门菽饘僖院?，由于泡沫金屬?huì)增加汽化核心，但是納米顆粒的微觀尺度較小，填補(bǔ)了汽化核心的凹坑，這樣減少了汽化核心。其次液體里面包含大量的納米顆粒，液體比重加大，氣泡上升過程中就需要更大的浮力，這樣增大了氣泡在底部脫離的難度。且當(dāng)銅底座的溫度大于112℃，底部會(huì)有燒結(jié)現(xiàn)象，這也會(huì)在一定程度上削弱換熱效果。

2.3氣泡生成的可視化分析

如圖7所示當(dāng)熱流密度q=7.32W/cm2時(shí)，光滑平板表面已經(jīng)聚集了大量的氣泡，但是均附著在壁面上，而底部放置了15PPI金屬泡沫的那一組，已經(jīng)開始有小氣泡從金屬骨架內(nèi)部緩慢溢出，加入SiO2納米流體的一組表面也形成了大量的氣泡，并未明顯看到有氣泡從里面溢出。氣泡的動(dòng)態(tài)特性也正好與之前分析一致。

3結(jié)論

本文研究了在沸騰池底部放置15PPI的金屬泡沫和納米流體工質(zhì)對(duì)換熱的綜合影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)沸騰池底部放置了金屬泡沫以后能顯著強(qiáng)化換熱，且換熱初期階段強(qiáng)化效果較為明顯。綜合之前大量研究[8-9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工質(zhì)為納米流體時(shí)，底部是光滑平板，換熱得到強(qiáng)化，底部是金屬泡沫換熱得到惡化。

圖7　熱流密度q=7.32W/cm2時(shí)，不同組合的表面沸騰氣泡生成狀況Fig.7　Heat flux q=7.32W/cm2,the surface of the boiling bubble generating different combinations Availability

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