強潤濕性液體池沸騰傳熱的實驗研究和機理分析

1、收稿日期:2000-10-24; 修訂日期:2001-01-02基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(59976002 ; 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃基金資助項目(G 2000026300 作者簡介:周定偉(1971- , 男, 湖南湘潭人, 中國科學(xué)院在站博士后.文章編號:1001-2060(2002 01-0047-04強潤濕性液體池沸騰傳熱的實驗研究和機理分析周定偉, 馬重芳(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)能學(xué)院, 北京100022摘要:對強潤濕性液體的池沸騰傳熱實驗而言, 本文提出了行之有效的實驗程序, 并嚴格按照實驗程序進行了R113池沸騰傳熱的實驗研究。具體研究了表面老化和液體過冷度對池沸騰傳熱曲線及

2、起沸點的影響, 實驗中觀察到了三個反?，F(xiàn)象。最后, 從強潤濕性液體的沸騰傳熱機理的角度對其給出了相應(yīng)的解釋。關(guān)鍵詞:池沸騰; 傳熱; 滯后中圖分類號:TK124文獻標識碼:A符號h -換熱系數(shù)q/(T w -T 1 ,q -熱流密度, W/m 2W/(m 2S -實驗件面積, m 2T sat -過熱度(T w -T sat , KT sub -過冷度(T sat -T 1 , K下標ONB -壁面核沸騰起始點l -液體w -壁面sat -飽和1引言以往的沸騰研究局限于潤濕能力較差的液體。對于強潤濕性液體(即具有低的表面張力和低潤濕角的液體 的池沸騰傳熱來說, 由于實驗沒有遵從一定的實驗程序等

3、原因, 實驗數(shù)據(jù)分散, 導(dǎo)致傳熱工作者對強潤濕性液體的池沸騰傳熱情況缺乏全面而深入的了解。2實驗設(shè)備及實驗程序2. 1實驗設(shè)備及方法試驗件主要部分是一個10m 厚、面積為5mm 5mm 的康銅膜, 用它作電加熱元件及傳熱表面以模擬電子芯片。用鐵-康銅熱電偶測量康銅膜內(nèi)表面溫度。圖1為實驗系統(tǒng)示意圖。詳細情況參見文獻1。2. 2強潤濕性液體池沸騰傳熱實驗程序?qū)嶒炃? 先用丙酮清洗實驗件表面, 然后嚴格按照以下程序進行 。1-穩(wěn)壓電源;2-調(diào)壓器;3-變壓器;4-電流表;5-實驗件;6-熱電偶;7-數(shù)字電壓表;8-轉(zhuǎn)換開關(guān);9-軟橡膠;10-測量室箱體;11-冷卻器圖1實驗系統(tǒng)圖表面老化在室溫下將

4、實驗件浸泡在實驗介質(zhì)中約10h ;液體除氣開啟主加熱器將箱體內(nèi)的液體加熱至沸騰并保持1h 。應(yīng)當指出的是箱體內(nèi)液體在除氣時不應(yīng)對實驗件加熱。池溫控制除氣后關(guān)閉主加熱器, 采用冷卻器使箱體內(nèi)的液體保持在過冷狀態(tài)。實驗件加熱慢慢地增加電流, 每次熱流密度升高值不超過(12 103(W/m 2 /min , 等溫度穩(wěn)定后再依次讀取下列各參數(shù):壁面溫度T w 、電流I , 以及箱體內(nèi)溫度T 1。讀取一個溫度值需2030min 。實驗件降溫只需慢慢地減小電流, 讀數(shù)與升溫時相同。當溫度處于沸騰起始點附近時, 要緩慢增加實驗件功率, 以壁溫升高015為準, 以便觀察沸騰熱滯后的現(xiàn)象, 直至進入充分發(fā)展的核

5、態(tài)沸騰。3實驗結(jié)果及討論3. 1典型強潤濕性液體池沸騰傳熱曲線與常規(guī)液體相比, 強潤濕性液體的沸騰傳熱會出現(xiàn)熱滯后現(xiàn)象, 即液體在自然對流傳熱情況下, 壁面溫度隨著熱流密度的增加發(fā)生過度升高(ABC ;而當沸騰開始后, 壁面溫度顯著下降(CC , 如圖2(a 所示, 此時, 熱流上升和熱流下降時沸騰傳熱曲第17卷(總第97期 熱能動力工程2002年1月 圖2 典型強潤濕性液體池沸騰傳熱曲線圖3表面老化的影響圖4液體過冷度的影響線不重合, 其最大溫差為溫度過頭值(為1414K 。圖2(b 是相應(yīng)的換熱系數(shù)圖, 由圖可見, 自然對流(ABC 和池核沸騰(C E 換熱系數(shù)的非光滑過渡是強潤濕性液體沸

6、騰傳熱的顯著特征。3. 2池沸騰傳熱曲線及起沸點的影響因素實驗程序、表面粗糙度、系統(tǒng)壓力、液體過冷度、非冷凝性氣體、實驗工質(zhì)和表面老化等因素均會影響沸騰傳熱曲線及起沸點。下面主要討論兩個因素的影響。3. 2. 1表面老化表面老化是指沸騰表面在經(jīng)過較長時間的實驗后, 沸騰傳熱曲線有明顯地向左偏移的現(xiàn)象。如圖3所示, 同一實驗件在液體中分別浸泡1h 和10h后, 沸騰傳熱曲線明顯不同, 老化后的沸騰曲線向左偏移, 沸騰起始溫度降低(從81降低至73?？点~膜在R113液體中浸泡10h 后就可完全老化。3. 2. 2液體過冷度液體過冷度對強潤濕性液體沸騰傳熱的影響示于圖4。由圖可見, 當液體過冷度從T

7、 sub =1815K 增加到2716K 時,沸騰傳熱曲線明顯向左移動, 沸騰起始點從T WONB =7915降低到73。Ma 和Bergles 2對不同過冷度下的池沸騰傳熱進行了研究, 發(fā)現(xiàn)沸騰起始點隨著過冷度的增加而相應(yīng)下降。圖5示出了本文所有沸騰起始點的數(shù)據(jù), 并對它們進行了并聯(lián), 關(guān)聯(lián)式如下:池沸騰T WONB =116104T sub -0. 1436(13. 3強潤濕性液體池沸騰傳熱中的反?，F(xiàn)象采用強潤濕性液體作冷卻劑時, 電子元件模擬芯片的池核沸騰傳熱實驗會出現(xiàn)以下幾個反?，F(xiàn)象。這些現(xiàn)象的發(fā)生對電子元件的冷卻均有不利影響。3. 3. 1熱流密度下降而壁溫上升一般而言, 沸騰傳熱表

8、面溫度隨著熱流密度下降而相應(yīng)地下降。但是, 作者在過冷沸騰實驗中發(fā)現(xiàn), 在傳熱表面熱流密度下降過程中, 壁溫可能突然躍升, 如圖6所示。這是由于傳熱表面在熱流密度下降過程中部分汽化核心突然失去活性使沸騰中止而造成。3. 3. 2同一傳熱面出現(xiàn)二次起沸84熱能動力工程2002年 圖5起沸點隨過冷度的變化圖6 池核沸騰時熱流下降壁溫上升的情況圖7池沸騰傳熱中的二次起沸現(xiàn)象圖8自然對流向膜沸騰的直接過渡熱滯后的發(fā)生一直是以傳熱壁溫突然下降為特征的。如圖7所示, 當傳熱面升溫到起沸點后壁溫突然下降, 但下降值不大, 而在較高熱流密度處壁溫再次下降, 之后, 壁溫才隨熱流密度的增加而增加。Park 和B

9、ergles 3在研究不同尺寸加熱面的池沸騰傳熱時發(fā)現(xiàn)過此現(xiàn)象。該文認為這是由于熱電偶附近活化孔頁的非規(guī)則分布所致, 并推測第一次起沸是由熱電偶下部的孔穴活化所為。加熱面下端沸騰產(chǎn)生的汽泡對上端有沖刷作用, 抑制了加熱面上端的起沸。熱流密度繼續(xù)增加, 壁面過熱度升高到足以使傳熱面上端起沸后, 整個傳熱表面才全部進入充分發(fā)展的核沸騰狀態(tài)。3. 3. 3從自然對流直接過渡到膜沸騰采用強潤濕性液體浸沒冷卻光滑傳熱表面時,必須維持一個較高的壁面過熱度才會起沸。當起沸熱流值高于過渡沸騰向膜沸騰轉(zhuǎn)變時的最小熱流, 且起沸壁溫高于過渡沸騰最小壁溫時, 就可觀察到從單相自然對流向膜沸騰直接過渡的現(xiàn)象4。如圖8

10、所示, 壁面過熱度一直維持到T sat =52時才開始起沸, 說明傳熱從單相自然對流直接過渡到膜沸騰。由于加熱面上熱流密度(均在414104W/m 2左右 不足以使傳熱面處于穩(wěn)定的膜沸騰狀態(tài), 因而, 當傳熱面起沸后壁溫下降, 核沸騰傳熱開始盛行。以R113為工質(zhì), 文獻5觀察到了很高的起沸溫度(T sat=53; 文獻4分別以FC72和FC87為工質(zhì), 在研究光滑銅表面的池沸騰傳熱時獲得了高達T sat =52的過熱度, 且實驗結(jié)果重復(fù)性較好。圖8中池核沸騰傳熱曲線的關(guān)聯(lián)式如下:T sub=2814K , q =310-4T sat 610259(2 4強潤濕性液體沸騰熱滯后的機理分析本文作

11、者認為:在相同條件下, 壁面起沸溫度越高, 起沸所對應(yīng)的孔穴尺寸越小; 根據(jù)理論和實驗的結(jié)果分析表明, 沸騰時汽泡的生成是在表面孔穴內(nèi)完成的。當強潤濕性液體浸沒冷卻光滑傳熱表面時, 由于該類液體特有的熱物性, 傳熱面上大量尺寸的孔94第1期周定偉, 等:強潤濕性液體池沸騰傳熱的實驗研究和機理分析穴被液體所淹沒。由于用以起沸的孔穴被液體淹沒而捕捉不到氣體, 汽泡胚胎無法生成, 傳熱壁面只能以導(dǎo)熱和對流的形式散走熱量, 壁面處于單相自然對流傳熱形態(tài); 熱流密度增加, 壁面維持一定的過熱度, 同時, 光滑表面存在各種尺寸的孔穴, 而強潤濕性液體也只能將一定大小尺寸的孔穴淹沒, 小于該尺寸的孔穴仍然殘

12、留有非冷凝性氣體, 當壁面過熱度增加到足以使該尺寸孔穴的氣泡胚胎開始生成、長大并在孔穴內(nèi)脫離傳熱壁面時, 沸騰就開始發(fā)生。這就是強潤濕性液體起沸溫度如此之高的緣故。在池沸騰實驗中, 覆蓋在傳熱面上的冷流體直接影響了傳熱面上溫度邊界層的厚度。一般而言, 強潤濕性液體表面張力隨著液體溫度增加而減小。過冷度增加, 溫度邊界層厚度減薄, 同時, 液體表面張力增加, 孔穴捕捉氣體的能力增強, 捕捉到氣體胚胎的孔穴尺寸增大, 因而壁面起沸溫度下降。5結(jié)論(1 采用強潤濕性液體作工質(zhì)時, 光滑傳熱表面孔穴尺寸越小, 壁面起沸點越高; 沸騰起始點隨液體過冷度增加和表面老化而降低, 池核沸騰曲線則相應(yīng)明顯地向左

13、移動;(2 在強潤濕性液體浸沒冷卻光滑傳熱表面的池沸騰傳熱實驗中觀察到了三個不利于電子元件冷卻的反?，F(xiàn)象;(3 對于強潤濕性液體浸沒冷卻光滑傳熱表面而言, 汽泡胚胎的生成、長大和脫離均是在傳熱表面孔穴內(nèi)進行的。參考文獻:1周定偉. 強潤濕性液體圓形射流的單相對流與核沸騰沖擊傳熱的研究D.西安:西安交通大學(xué)能動學(xué)院,2000.2M A C F , BERG LES A E. Jet im pingement nucleate boilingJ.I nt JH eat and M ass T rans fer , 1986, 29(2 :1095-1100.3PARK K A , BERG LES

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15、 K A , JAMES D D. Incipient boiling characteristics at atm o 2spheric and subatm ospheric pressuresJ.J H eat T rans fer , 1977, 99(8 :398-403.(何靜芳編輯(上接第42頁用, 它只是在CaO +S O 2+015O 2CaO +S O 3CaS O 4的反應(yīng)過程中起了促進作用, 這一結(jié)果與文獻7報道一致。Fe 2S O 3的存在降低了S O 2和CaO 反應(yīng)的活化能, 使這個反應(yīng)更加容易進行, 在其它條件一定的情況下, 加Fe 2O 3時CaO 和S O

16、2反應(yīng)生成CaS O 3轉(zhuǎn)化率比不加Fe 2O 3時要優(yōu)越得多, 但對固硫作用產(chǎn)生決定性影響的仍是CaO , 而不是Fe 2O 3。一般認為, Fe 2O 3的加入量在燃料總重量的46時比較合適。另外,Fe 2O 3還可以使CaS O 4的分解溫度提高、CaS O 3的氧化反應(yīng)加快。5結(jié)論生物質(zhì)復(fù)合型煤(BCC 中因為加入了具有有機活性的生物質(zhì), 所以它的固硫性能比普通型煤高得多, 在燃燒溫度低于900、鈣硫比為210時,BCC 的固硫率可以達到90%以上, 隨著燃燒溫度的提高, 因為固硫產(chǎn)物的分解而導(dǎo)致固硫率的降低;BCC 的固硫率還隨著鈣硫比的增加而增大, 當鈣硫比為210時,固硫率趨于最

17、大;BCC 的固硫率隨生物質(zhì)添加量的增加而增大; 鐵系氧化物的存在能顯著提高BCC 的固硫率?？傊镔|(zhì)復(fù)合型煤是一項投資少、見效快適合我國國情的高效潔凈煤技術(shù), 值得大力推廣。參考文獻:1陳文敏, 李文華, 徐振剛, 等. 潔凈煤技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:煤炭工業(yè)出版社,1997.2劉偉軍, 劉興軍. 生物質(zhì)型煤燃燒污染特性的理論分析研究J.潔凈煤技術(shù),1998, 4(4 :40-44.3任有中, 董佳芳, 曹源泉, 等. 潔凈型煤中提高脫硫性能的新技術(shù)J.工程熱物理學(xué)報,1999, 20(1 :126-128.4王華, 何方, 馬文會, 等. 生物質(zhì)復(fù)合型煤生產(chǎn)新工藝P , 中國專利:011070

18、33.2001-08.5劉偉軍, 孫慶濱, 張維潔. 生物質(zhì)型煤固硫規(guī)律研究J.動力工程,2000, 19(5 :410-413.6PE DERSE N L S , M ORG AN D J , VAN DE K AMP W L , et al . E f 2fects on S O x emission by co 2firing straw and pulverized coal J.E n 2ergy Fuels , 1997, 11(2 :439-446.7張良全, 成思危. Fe 2O 3對型煤固硫作用的機理探討J.環(huán)境科學(xué),1997, 18(1 :65-67.(何靜芳編輯Y ing

19、 , NI U Zhong 2yi , ZH ANG Zheng 2yi , et al (P ower Engineering Department , Harbin Engineering University , Harbin , China , P ost C ode :150001 /Journal of Engineering for Thermal Energy &P ower. -2002, 17(1 . -3740A combined diesel or gas turbine (C ODOG power plant underwent a technical m odifi

20、cation. On this basis studied under various loads was the effect of different dam ping values , various switch 2over speed differences and other factors of a SSS clutch on the dynamic characteristics of the the C ODOGpower plant during the switch 2over process. As a result , obtained were the SSS cl

21、utch displacement curves and s ome meaning ful conclusions. K ey w ords :combined diesel or gas turbine power plants , synchronous 2self 2shifting clutch , displacement curve生物質(zhì)復(fù)合型煤固硫特性研究=A Study of the Sulfur R etention Characteristics of Biom ass Compound Type of Coal 刊, 漢/HE Fang , W ANG Hua , BA

22、O G ui 2rong , et al (Institute of New T echnology on Environment 2harm onious Energy S ource under the K unming University of Science &T echnology , K unming , Y unnan Province , China , P ost C ode :650093 /Journal of Engineering for Thermal Energy &P ower. -2002, 17(1 . -4042,50On the basis of an

23、alyzing the sulfur retention mechanism of the biomass com pound type of coal developed by the authors an experimental study was conducted of the sulfur retention characteristics of this type of coal. The results of the study in 2dicate that the coal under discussion enjoys a higher sulfur retention

24、ratio than that of conventional types of coal. When Ca/S is equal to 2and the combustion tem perature lower than 900the sulfur retention ratio of the biomass com pound type of coal can reach in excess of 90%.This retention ratio is subject to various factors , such as combustion tem pera 2ture , the

25、 am ount of biomass added , Ca/S ratio , etc. S ome additives , such as Fe 2O 3can significantly enhance the sulfur retention capability. K ey w ords :biomass com pund coal , sulfur retention mechanism , sulfur retention characteristics豎管內(nèi)空氣強迫與自然對流換熱實驗=An Experiment on the Forced and N atural Convec

26、tion H eat Exchange of Air in a V ertical Tube 刊, 漢/SHI Jin 2sheng (Mechanical Department , T ianjin Light Industry Institute , T ianjin , China , P ost C ode :300222 /Journal of Engineering for Thermal Energy &P ower. -2002, 17(1 . -4346An experiment was conducted of the forced and natural convecti

27、on heat exchange of air in a vertical round tube. The dif 2ference between the above tw o types of heat exchange is shown from the aspect of the order of magnitude. Through the ex 2periment obtained was a natural convection heat exchange expressed by Reynolds number , which is com pared with the nat

28、ural convection heat exchange of the existing large air space. K ey w ords :forced convection , natural convection , heat exchange , com paris on of the order of magnitude強潤濕性液體池沸騰傳熱的實驗研究和機理分析=Experimental Study and Mechanism Analysis of Pool Boil 2ing H eat T ransfer of H ighly Wetted Liquid 刊, 漢/ZH OU Ding 2wei , M A Chong 2fang (C ollege of Environmental and Ene