金属泡沫在纳米流体池内沸腾换热特性研究

毛玉博

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

金属泡沫在纳米流体池内沸腾换热特性研究

毛玉博

( 上海海事大学 商船学院，上海 201306 )

[摘要]常压下，以去离子水或纳米流体为工质，对光滑平板和沸腾池内铺设金属泡沫，进行池内沸腾实验研究：分析了不同过热度下的热流密度和不同热流密度下池沸腾的传热系数；对沸腾汽泡在光滑平板和泡沫金属表面产生、融合和脱离进行了可视化的研究。实验发现：纳米流体工质会影响金属泡沫池内沸腾特性。

[关键词]池内沸腾；金属泡沫；纳米流体；沸腾汽泡

收稿日期：2015-4-5

作者简介：毛玉博(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：强化传热技术研究。Email：yuboup@163.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-006-05

中图分类号：TK124

文献标识码: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

在科学技术越来越发达的今天，电子产品尺寸越来越小，集成化程度却越来越高，单位面积里的散热密度逐渐增加，对高性能，高效率的导热材料的寻求变得越来越重要。闭孔金属泡沫大多用于航天，军事，建筑等方面，开孔泡沫金属大多用于强化传热，降噪等方面。泡沫由于其优良的性能，能解决工程中的许多问题，所以对泡沫金属的研究也比较广泛。国外[1-3]已经进行了大量的研究，国内研究[4-6]主要集中在结构等力学特性，对池内沸腾研究者甚少。Lee[7]等研究了纳米多孔结构表面对核态沸腾传热系数的影响，研究结果发现，纳米多孔传热表面的起始沸腾点对应的壁面过热度低于没有多孔镀层的传热表面，前面核态沸腾传热系数高于后者，特别是在低热流密度时上述现象更加明显。

纳米流体作为一种新的功能性流体,具有许多独特的性能.把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等流体介质中,制备成均匀且稳定的纳米颗粒悬浮液,是一种潜在的高性能新型换热介质。大量研究结果表明，使用纳米流体能够大幅度提高换热性能。国内对纳米流体池内沸腾换热研究相对较少，在沸腾池底部放置金属泡沫，用纳米流体做工质，是否还能起到强化效果不得而知，本文结合金属泡沫和纳米流体做了相关的研究。

1实验装置和实验方法

图1　多孔介质池内沸腾实验装置Fig.1　Porous media pool boiling experiment device

如图1所示，多孔介质池沸腾传热特性实验装置主要由池沸腾容器、加热控温系统、冷凝回流系统和数据采集仪组成。为了方便观察池内沸腾换热的气泡特性，在60mm×60mm×150mm的不锈钢金属腔两对立面镶嵌了45mm×90mm×5mm的石英玻璃视窗，一方面可用LCD灯进行补光，增加金属腔内部的亮度，另一方面可放置CCD高速摄像机捕捉气泡的生长脱离过程。

为了保证金属腔底部的较好的导热效果，容器由上底60mm×60mm×15mm，下底72mm×72mm×30mm的完整的梯形紫铜组成，竖直方向间隔为4.5mm上下两个平面，四面总共打了深20mm的8个孔，布置了4组铜-康铜热电偶。靠近沸腾容器侧热电偶的编号为i=1～4，靠近加热块侧所布置热电偶的编号为i=5～8，用以获取各截面的平均温度，铜块四周布置隔热保温材料。

如图1所示，通过调整电压控制加热功率，数据采集采用Agilent数据采集仪。

实验将15PPI的金属泡沫置于容器底部，分别添加了纯水和用超声波震荡仪(图4)制备0.01%SiO2纳米流体(图5)作为工质，研究了它们的沸腾传热特性，并给出了池沸腾容器底部铺设多孔层时沸腾汽泡产生和演化的过程。

实验初期以较小恒定功率加热，当热电偶在20分钟内变化不超过0.4K，可以认为处于稳定状态，随后调节调压器，增大30W功率，并记录数据。温度测量的不确定度小于1K，热流密度的测量误差在5%以内，根据傅里叶定律，热流密度、过热度和传热系数通过下式确定；

热流密度q：

(1)

壁面温度TW：

(2)

过热度ΔT：

ΔT=Tw-Tsat

(3)

图2　池沸腾容器Fig.2　Pool boiling vessel

图3　15PPI通孔铜泡沫Fig.3　15PPI open-celled copper foams

图4　超声波震荡仪Fig.4　Ultrasonic vibration analyzer

图5　0.02%SiO2纳米流体Fig.5　0.02%SiO2Nanofluids

传热系数h：

(4)

式中，Tsat为饱和压力下的液体温度；δ1为容器底部紫铜块竖直方向铺设热电偶上下两平面间距；δ2为靠近容器侧铺设热电偶平面与容器内表面间距。

2实验结果与分析

2.1泡沫金属对池内沸腾换热的影响

如图6(a)所示放15PPI的泡沫金属-纯水工质的组合效果最好，相对于光滑平板而言，底部放置15PPI的金属泡沫，增加了沸腾换热的比表面积，金属骨架本身的结构特点，在沸腾期间，内部可产生大量的汽化核心，增高了热流密度下气泡的产生速率，并且铜泡沫本身良好的导热特性，也促进了沸腾过程的进行。

图6　纳米流体工质金属泡沫池内沸腾传热曲线Fig.6　nanofluids working fluid metal foam pool boiling heat transfer curve

如图6(b)所示，在起始阶段，自然对流换热阶段时，各个组合的换热效果接近。随着换热过程的经行，且热流密度在10W/cm2以内，纯水-15PPI金属泡沫组合的换热系数最高，且上升最快，原因在于伴随着热流密度的上升，这一组合率先进入了核态沸腾，气泡产生量急剧增大，换热系数急剧增大。当热流密度大于10W/cm2以后，换热过程逐渐趋于平缓，由于大量的气泡产生，且小气泡聚合成大气泡，金属泡沫骨架反而阻挡了气泡的上升，换热开始受到抑制，换热效率下降。光滑平板表面和纳米流体工质的组合，由于一开始气泡的生成脱离过程就受到抑制，所以整个换热过程都相对平缓，稳步上升。

2.2纳米流体对金属泡沫池内沸腾换热的影响

有关纳米流体的池内沸腾换热的大量研究反应出了纳米流体能较好的强化换热，究其原因在于纳米材料的微型颗粒，在液体内部增加了液体的扰动，强化了换热过程的进行。但是当底部放置泡沫金属以后，由于泡沫金属会增加汽化核心，但是纳米颗粒的微观尺度较小，填补了汽化核心的凹坑，这样减少了汽化核心。其次液体里面包含大量的纳米颗粒，液体比重加大，气泡上升过程中就需要更大的浮力，这样增大了气泡在底部脱离的难度。且当铜底座的温度大于112℃，底部会有烧结现象，这也会在一定程度上削弱换热效果。

2.3气泡生成的可视化分析

如图7所示当热流密度q=7.32W/cm2时，光滑平板表面已经聚集了大量的气泡，但是均附着在壁面上，而底部放置了15PPI金属泡沫的那一组，已经开始有小气泡从金属骨架内部缓慢溢出，加入SiO2纳米流体的一组表面也形成了大量的气泡，并未明显看到有气泡从里面溢出。气泡的动态特性也正好与之前分析一致。

3结论

本文研究了在沸腾池底部放置15PPI的金属泡沫和纳米流体工质对换热的综合影响。研究发现当沸腾池底部放置了金属泡沫以后能显著强化换热，且换热初期阶段强化效果较为明显。综合之前大量研究[8-9]发现，当工质为纳米流体时，底部是光滑平板，换热得到强化，底部是金属泡沫换热得到恶化。

图7　热流密度q=7.32W/cm2时，不同组合的表面沸腾气泡生成状况Fig.7　Heat flux q=7.32W/cm2,the surface of the boiling bubble generating different combinations Availability

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