池沸腾多种底面肋型可视化实验研究

刘广峰

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

0 引言

目前研究表明，池沸腾强化换热主要方法包括表面改性、流体介质、表面结构、外源能等。表面改性是目前池沸腾强化换热最为常用的研究方法，表面改性主要通过改变加热壁面材料特性，通过在壁面上镀层，不同镀层金属的亲水性和疏水性不同会导致加热壁面泡核沸腾起点、泡核成核形式、泡核成核频率、泡核大小发生改变，但表面改性情况多变、成本高、不易控制；改变流体介质是通过使用不同肋型的池沸腾工质来对池沸腾进行强化换热，不同工质的沸腾起点、气泡成核与气泡动力学不同，从而对池沸腾的强化换热效果不同；表面结构主要通过改变加热壁面结构达到强化换热的目的，主要方式有改变表面肋型、表面微结构加工等。

李长达等[1]研究了超声中去离子水和纳米流体对池沸腾强化换热的影响，在低热流密度区超声波空化效应对池沸腾的强化换热作用较强，热流密度升高后，由于气泡的剧烈运动，会使其强化换热效果减弱；杨振等[2]研究了池沸腾中表面活性剂对强化换热的影响，以Tween20、Span20及两者复配物为表面活性剂，活性剂的浓度、种类及池沸腾热流密度会对池沸腾强化换热效果产生影响；Sudhir Kumar Singh等[3]研究了表面改性对低浓度条件下纳米流体池沸腾强化换热作用的影响；林石泉等[4]研究了表面改性金属壁面对池沸腾强化换热特性影响，实验研究表明表面改性对低孔隙率的泡沫金属内池沸腾强化换热作用明显。目前池沸腾领域相关研究主要集中于外源强化、纳米流体、表面改性等方面，本文主要在不同加热底面肋型的条件下，研究对池沸腾换热性能和加热底面气泡行为的影响，为池沸腾强化换热技术的发展和应用提供有益的科学依据。

1 实验系统总体设计

本次研究采用课题组自主设计搭建的恒温可控池沸腾强化换热实验平台，平台原理如图1所示，实验平台主要由沸腾池、高速摄像机和恒温加热平台、数据收集系统及测量系统组成。对课题组自主搭建的恒温可控加热平台进行预设参数设定，一定时间后加热平台温度到达预定恒温值，在沸腾池中加入设定温度、体积的去离子水，可视化沸腾池放置在平台加热板上。通过控制电流对实验平台提供预定的热流密度，相关测量参数（如温度、压力、热载、密度等）经过相关仪器测定后输入数据采集系统，并与可视化段高速摄像机图像采集仪器输送至计算机。实验前对加热平台进行预加热，当压力和温度示数趋于稳定后，打开直流电源，调整加热功率直至有沸腾汽泡开始出现。待所有温度、压力读数稳定后，利用同步控制器，同时测量温度、压力及高速图像序列，通过高速采集仪采集电压信号。每组实验持续20 min左右。完成一组实验后，改变不同加热底板肋型沸腾池，重新开始实验，研究沸腾池加热底板肋型对微通道流动沸腾强化换热的影响。利用视频图像技术对超声场强化过冷沸腾的汽泡行为特性进行检测，得出沸腾池加热底板肋型对过冷沸腾池沸腾加热壁面汽泡运动特征的影响。

图1 实验系统原理图

1.1 恒温加热平台

池沸腾恒温加热平台实物如图2所示，加热系统主要由可调节加热板及耐高温绝缘材料组成，由智能恒温加热台对实验沸腾池进行加热，加热板最高加热温度为800℃，误差为±5 ℃；智能温控仪与加热平台相连进行恒温控制。本实验加载的功率为3.5 kW，实验工质为80 ℃的纯水，加热台温度设定为150 ℃。

图2 恒温加热系统

1.2 可视化系统

可视化系统由高速摄像机和可视化沸腾池组成，摄像机参数如表1所示，高速摄像机采用富煌君达千眼狼5F01 2000帧高速摄像机，分辨率为1280×1024。沸腾池由紫铜板（100 mm×100 mm×1.0 mm）、超白钢化玻璃使用高温玻璃胶粘接制成，沸腾池规格为100 mm×100 mm×200 mm）（如图3）。

图3 沸腾池和高速摄像机

表1 高速摄像机性能参数

图4所示为沸腾池底板结构原理图。沸腾池水平放置在恒温加热台上，底板下表面受热载作用，底板为边长100 mm的方形紫铜板，厚度为5 mm，加热底板侧面上开2排小孔，每排9列以布置K型热电偶，相邻两列测点间距为10 mm，两排测点径向距离为1 mm，紫铜传热系数λ=400 W/(m·K)。

图4 沸腾池底板结构原理图

1.3 数据处理

相关计算根据傅里叶导热定律计算[5]，φ=-λA·dt/dx，由于加热壁面看作一维加热面（即温度在x方向发生变化），由傅里叶导热定律可以推导出热流密度q（kW/m2）的表达式为[5]

式中：i=1，2，3…9；λ为紫铜板导热系数，W/（m·℃）；Ti、Ti＇为同一列两测点温度，℃；L为同一列两测点之间径向间距，mm。

得出热流密度后沸腾池底面温度可以得出表达式为

式中：Tw为沸腾池受热底面内壁面温度，℃；T1为上排测点温度，℃；δw-1为加热底面内壁面与上排测点的间距，mm。

推导出传热系数h的表达式为

式中：h为传热系数，W/（m2·℃）；Tf为沸腾池平均温度，℃。

1.4 实验误差和不确定度分析

由于实验过程中，各种仪器仪表在工作状态中存在不稳定性导致数据在测量时存在误差波动，同时环境空气的温度也是一个不可控的因素，因此实验过程存在不可控误差，主要包括环境误差、仪器误差、测量误差。为了尽量减小环境误差，在实验过程中，相同工况条件下进行多次测量。实验误差分为直接误差和间接误差，直接误差是指由各类仪表自身精度引起的误差，主要有恒温加热平台控制误差、热电偶测量误差、尺寸测量误差等，相关精度参数如表2所示。

表2 实验仪器精度误差

间接误差是因为所求数据通过多个参数间接求得，各个参数与所求参数满足一定函数关系：

各个参数X1、X2……Xi的测量计算存在误差，各参数的误差即不确定度记作δx1、δx2…δxi，可以通过误差传递理论公式计算不确定度[6]：

Y的相对不确定度计算公式为

由式（1）～式（3）可知实验中需要计算不确定度的主要有热流密度、加热底板壁面温度、传热系数等，根据式（4）～式（6）可以计算相关不确定度（如表3）。

表3 计算参数不确定度

2 实验结果与分析

采用高速摄像技术捕捉了汽泡分布和汽泡动态变化行为，研究了池沸腾汽泡运动行为，分析了不同加热底面肋型结构对近壁区边界层汽液两相界面特征的影响规律，团队使用高速摄像机2000 帧/s的帧率记录不同肋型结构沸腾池气泡运动状态。以气泡与壁面接触相切线消失为条件，确定了气泡运动学的相关规律。不同加热底面肋型沸腾池沸腾现象如图5所示。

图5 不同加热底面肋型沸腾池沸腾现象

2.1 气泡动力学特性

图5所示是采用高速摄像机富煌君达千眼狼5F01 2000帧高速摄像机拍摄记录的平均池内温度Tw=90 ℃时不同肋型加热底板沸腾池的沸腾现象。图5（a）所示为沸腾池加热底板为紫铜光板池沸腾在Tw=90 ℃时沸腾现象，可以看到气泡脱离最剧烈、气泡脱离直径最大、脱离频率最低、气泡最为完整、运动轨迹清晰完整；图5（b）、图5（c）所示为相同工况下加热底板肋型为中间打断式和三断式沸腾池沸腾现象，可看出与光板比较，中间打断式肋型沸腾池中气泡脱离较剧烈、脱离直径较小、气泡破裂时间较短、气泡运动轨迹短；三断式肋型加热底板沸腾池中气泡脱离最剧烈、气泡生长周期最短、气泡脱离密度大、脱离尺寸最小、气泡破裂迅速，沸腾池中工质扰动剧烈。由实验研究可知沸腾池加热底板肋型的变化改变了气泡动力学特性，使气泡的运动特性发生改变，比较可知沸腾池三断式肋型强化换热效果最明显，肋型的布置通过对气泡生长、运动规律作用来影响池沸腾强化换热的效果。

2.2 加热壁面气泡脱离直径变化

如图6所示，在对3种肋型池沸腾热流密度相同时，对沸腾池相同加热位置区域壁面气泡脱离运动进行观察记录，从拍摄记录的壁面生成的气泡我们可以得到，在热流密度相同时，三断式肋型池沸腾气泡脱离直径最小，气泡脱离密度最大，气泡脱离速度最快；光板式肋型气泡脱离的直径最大，气泡脱离密度最小，气泡脱离速度明显低于中间打断式和三断式底板肋型池沸腾。由气泡脱离直径和气泡密度可以得出，三断式肋型池沸腾换热性能优于中间打断式肋型池沸腾和光板式肋型池沸腾。

图6 壁面脱离气泡

2.3 加热底板肋型对池沸腾传热的影响

在沸腾池壁面布置K型热电偶记录不同位置测点水温及壁面温度变化，布置两排并列的9对热电偶测点，测点之间距离为8 mm，沸腾池内液高为150 mm。图7得出了沸腾池平均液温为Tw=90 ℃条件下，池沸腾传热性能与沸腾池加热底板肋型的变化关系。

由图7 可以得到池沸腾强化换热特性随沸腾池加热底板肋型变化的影响。由图7中间打断式肋型池沸腾和三断式肋型池沸腾传热规律曲线图可以看到，在较低热流密度阶段即q＜100 kW/m2时传热系数随热流密度变化平缓，这可以解释为低热流密度阶段池沸腾热量积聚不足，流体气泡运动平缓因此换热效果一般；在热流密度达到一定界限值后气泡运动加剧，换热加快，随热流密度增大，换热系数明显增大；在相同热流密度条件下，与光板肋型池沸腾相比中间打断式肋型池沸腾换热系数增大约8%，三断式肋型池沸腾比光板肋型池沸腾换热系数增大约16.5%。热流密度相同的条件下不同肋型沸腾池换热系数q存在以下关系：q三断式＞q中间打断式＞q光板。可以得出在光板、中间打断式、三断式3种底板类型沸腾池中加热底板肋型为三断式的沸腾池强化换热性能最好。这是由于沸腾池加热底板肋型的不同导致气泡的动力学特性发生变化，壁面气泡生成增加，脱离直径减小，气泡运动加剧，换热性能加强。

图7 底板肋型对传热性能的影响

3 结论

本次实验研究了不同底板肋型池沸腾强化换热特性的变化规律，对不同底面肋型的池沸腾强化换热进行研究，观察分析了不同肋型条件下的气泡动力学特性，揭示了不同肋型池沸腾强化换热的传热规律，得出以下结论：1）沸腾池加热底面肋型对池沸腾气泡运动行为作用明显，气泡运动规律发生改变，影响气泡脱离速度，换热三断式肋型池沸腾气泡脱离速度明显加快，气泡运动距离、强化换热效果最显著，中间打断式肋型对池沸腾强化换热作用较弱。2）在相同热流密度条件下，相比于光板肋型池沸腾，三断式肋型池沸腾和中间打断式肋型池沸腾气泡脱离直径明显减小，气泡生成时间缩短。具体而言，三断式肋型池沸腾气泡脱离直径最小，底面气泡生成时间最短；光板式肋型池沸腾气泡脱离直径最大，底面气泡生成时间最长。3）在相同热流密度条件下，与光板肋型池沸腾相比中间打断式肋型池沸腾换热系数增大约8%，三断式肋型池沸腾比光板肋型池沸腾换热系数增大约16.5%，相同热流密度的条件下不同肋型沸腾池换热系数q值关系为q三断式＞q中间打断式＞q光板。