池内过冷沸腾气泡行为及传热特性研究

胡 成，周 涛,4，陈 宁，陈 娟，丁锡嘉

(1.华北电力大学 核科学与工程学院，北京102206； 2.华北电力大学 核热工安全与标准化研究所，北京102206；3.非能动核能安全技术北京市重点实验室(华北电力大学)，北京100206；4.东南大学 能源与环境学院，南京211189)

0 引 言

过冷沸腾作为一种高效的换热手段，在锅炉、高温钢板冷却、核反应堆以及超导体线圈冷却等方面都有着非常广泛的应用。例如，在核反应堆中，非能动余热排除系统依靠自然循环来排出堆芯余热，而自然循环往往离不开过冷沸腾[1]。在超临界水堆发生破口事故时，过冷沸腾往往会不可避免地出现。文献[2]对过冷池沸腾换热的研究取得了较大进展，但由于未考虑传热面上的固液接触机理，因而无法了解沸腾换热的详细过程。在过冷池沸腾换热过程中，气泡的不断产生又不断消失使液体不时受到很大的扰动，固体壁面被液体反复浸润，从而使得换热状况显著增强。即使在微通道内沸腾[3]，气泡的行为与过冷沸腾有差异，但都对换热起着决定性作用。因此，将高速摄像机对过冷池沸腾中气泡的行为进行可视化研究和实时温度数据监测系统结合起来定量分析与研究热流密度对气泡的行为的影响，揭示过冷池沸腾的传热机理是十分有必要的。

1 研究对象

1.1 实验台

池内过冷沸腾气泡可视化实验台如图1所示。

图1 池内过冷沸腾气泡可视化实验台

图1中：1为热流密度显示器，2和3为热电偶，4为加热装置，5为导热铜棒，6和7为孔位，8为加热棒，9为凹槽，10为保温材料，11为加热面，12为玻璃缸，13为玻璃缸底部开口，14为冷却铜圈，15为软管，16为高速摄像机。

1.2 实验参数

实验设置了不同热流密度以及不同过冷度工况，并根据不同工况的设定值以及实验数据计算出对应工况下的表面传热系数hi(i=1，2，3，…，9)，以反映铜棒加热面上的换热强度，如表1所示。

表1 实验参数

1.3 实验步骤

实验压力为101 kPa，过冷度设定为5～15 ℃，每隔5 ℃为一个单独的工况，热流密度q设定为40.1～200.5 kW/m2，每隔80.2 kW/m2为一个单独的工况。实验首先在玻璃缸中加入适量水，通过大功率加热棒和冷却铜圈来调节水的过冷度；然后梯次调节q，使用高速摄像机拍摄气泡产生的地点和行为，这样便可得到不同过冷度、不同热流密度的池内过冷沸腾气泡的行为；最后利用牛顿冷却公式h=q/Δt计算得出对应工况的表面传热系数。

2 结果分析

2.1 实验数据

根据1.3节完成表面传热系数的计算，如表2所示。

表2 实验数据

2.2 不同热流密度下气泡的行为现象分析

实验以液体过冷度为15 ℃的不同热流密度值为例进行分析。

2.2.1 热流密度值为40.1 kW/m2时的气泡行为

将热流密度值为40.1 kW/m2时的气泡行为影像经过整理后，如图2所示。

从图2可以看出，这时气泡的行为基本上是属于气泡的稳定孤立状态，在这种稳定孤立的状态下，气泡的换热强度十分有限，主要是依靠Marangoni对流[4]和自然热对流来进行热量的传递，可以看到气泡B1和气泡B2的表面波动十分微弱，气泡的振荡幅度变化微小，使得液体所受的扰动有限，导致表面传热系数(h3=1.685 kW/(m2·K))较小。

图2 热流密度40.1 kW/m2时气泡行为

2.2.2 热流密度值为200.5 kW/m2时的气泡行为

将热流密度值为200.5 kW/m2时的气泡行为影像经过整理后，如图3所示。

从图3可以看出，此时的气泡已经开始发生剧烈的形变，无论是振荡频率还是振荡幅度都较之前的工况更加剧烈，气泡的尺寸也增大了一些，气泡B2上下波动的现象十分明显；从图3(a)可以看出，在气泡剧烈波动的同时，还会有气泡脱离的现象发生；从图3(b)可以看出，在该工况下，气泡聚并[5]的频率也会增加，聚并时气泡的波动也更加剧烈；这时的表面传热系数(h9=6.345 kW/(m2·K))较大，表明池内过冷沸腾的换热效果与气泡的行为是密不可分的。

图3 热流密度200.5 kW/m2时气泡行为

2.2.3 对比分析

从图2、图3可以看出，气泡的行为有着肉眼可见的明显变化，随着热流密度的增加，气泡的波动逐渐剧烈，尺寸逐渐增大，对流体的扰动加强，因此换热效果也会得到强化。

2.3 不同热流密度下表面传热系数变化分析

当液体过冷度为15 ℃时，表面传热系数随热流密度的变化如图4所示。

图4 液体过冷度为15 ℃，表面传热系数随热流密度的变化

从图4中可以看出，随着热流密度的增加，表面的传热系数也在不断增加，同时气泡的行为也在不断发生着变化，如2.2节所描述。随着热流密度的增加，气泡的产生频率显著加快，波动频率显著加快，波动幅度增加并逐渐频繁地出现聚并现象和脱离现象，与此同时表面传热系数也在不断增加，说明气泡行为的这些变化对池内过冷沸腾的换热具有极其重要的影响，能够加快换热速率，强化换热效果。

2.4 不同液体过冷度下的气泡行为现象分析

实验以热流密度为120.3 kW/m2的不同液体过冷度为例进行分析。

2.4.1 过冷度为15 ℃时的气泡行为分析

将过冷度为15 ℃时的气泡行为影像经过整理后，如图5所示。

图5 液体过冷度15 ℃时气泡行为

从图5可以看出，这时气泡表面具有明显的波动现象；从图5(a)、图5(b)可以看出，同时气泡也出现了聚并和脱离的行为，气泡在聚并后发生脱离；在该工况下，表面传热系数(h6=4.375 kW/(m2·K))较小。

2.4.2 过冷度为5 ℃时气泡的行为分析

将过冷度为5 ℃时的气泡行为影像经过整理后，如图6所示。

图6 液体过冷度5 ℃时气泡行为

从图6可以看出，气泡的尺寸很大，气泡的振荡幅度也有显著增加，气泡的脱离频率较图5更加快；从图6(a)以及图6(b)可以看出，在一个气泡脱离之后，又接连地发生了3次气泡脱离现象，并且气泡脱离铜棒加热面时的直径都较之前更大，能够带给液体更大的扰动。在该工况下，表面传热系数(h4=6.914 kW/(m2·K))较大。

2.4.3 对比分析

从图5、图6可以看出，随着过冷度的减少，气泡的平均尺寸、振荡幅度、波动频率以及脱离直径都有着明显的变化，同时两种工况下的换热效果也是不同的，因此，不同液体过冷度的气泡行为对换热效果有着显著的影响。

2.5 不同液体过冷度下表面传热系数变化分析

当热流密度为120.3 kW/m2时，表面传热系数随液体过冷度的变化如图7所示。

图7 热流密度为120.3 kW/m2，表面传热系数随液体过冷度的变化

从图7可以看出，随着液体过冷度的减少，表面的传热系数在不断增加，同时气泡的行为也在不断发生着变化，并且变化显著，如上文所描述。随着液体过冷度的不断减少，气泡的尺寸也不断变大，气泡表面的波纹变得更加密集，气泡振荡幅度增大得十分显著，同时气泡的聚并和脱离更加频繁，并且气泡的脱离直径很大，对液体的扰动增大，表面传热系数也在增加，因此，气泡的这些变化能够增加表面传热系数，强化换热效果。

3 结 论

为了详细探究池内过冷沸腾中气泡的行为及传热特性，采用了高速摄像机对铜棒加热面进行拍摄，从而把气泡的产生、运动以及脱离等现象的相关参数清晰地记录下来。通过比较不同热工参数下气泡行为以及表面传热系数，得到了过冷池沸腾气泡行为变化规律及其对换热的影响。

1)气泡处于稳定孤立状态下，气泡直径随时间波动不大，并不会出现明显的气泡运动，对流体扰动较小，换热效果有限。

2)气泡的聚并现象能够使气泡发生显著的振荡，使加热面重新裸露出来，并被过冷液体频繁地润湿，这使得气泡与其附近其他气泡聚并的可能性增大，增加了液体的扰动，显著强化换热过程。

3)气泡的脱离能够带走加热面上大量的热量，同时使加热面裸露出来被再润湿，并且气泡在上升过程中还会强迫液体流动，强化换热效果。

4)气泡在脱离或是聚并时，气泡的尺寸越大，产生的波动也越大，对流体的扰动也越大，换热效果就会增强。

5)热流密度的增加能够显著增加气泡的振荡频率，而液体过冷度的减少能够显著增加气泡的尺寸，同时两者都会增加气泡聚并和脱离现象发生的概率，从而强化池内过冷沸腾的换热效果。