基于纳米结构的气液相变传热强化研究

发布时间：2018-07-06 16:23

  本文选题：纳米结构 + 相变换热　； 参考：《东南大学》2015年博士论文

【摘要】：沸腾和凝结广泛用于工程中换热设备,如热泵、冷凝器、水冷核反应堆等,强化沸腾和凝结传热有利于提高设备的换热效率和使用寿命,增加沸腾和凝结表面的传热面积是一种非常有效的方法。近年来,纳米结构的出现极大地增加了表面的比表面积,因此,本课题重点研究了纳米结构表面对于沸腾和凝结传热性能的强化作用。在流动沸腾方面,利用MEMS工艺制作了集成加热线和温度测量电阻的硅微米通道,在微通道底面通过溶液刻蚀的方法制成纳米线阵列,搭建了基于微通道的沸腾传热性能和流型表征的实验台,并利用该实验台表征了过冷度为64℃和34℃,质量流密度在119 kg/m2s到571 kg/m2s条件下,纳米线修饰微通道的流动沸腾换热系数,同时利用高速摄像技术表征了该通道内的流型变化,得到的主要结论有：1)在质量流密度高于238 kg/m2s条件下,纳米结构能提高硅微通道的总体传热系数,但在119kg/m2s条件下,纳米结构反而使得硅微通道的总体传热系数有所降低；2)纳米结构随着长度的增加会出现“倒伏”现象,形成不同尺度的坑洞,有利于汽泡成核,使得沸腾开始点(ONB)发生在更小的热流密度或壁面过热度。3)在高速摄像仪的观察下,将微通道中沸腾发生后的二相流流型进行周期性的分析并分为三个阶段,即汽泡产生阶段、汽泡填充阶段以及上游汽泡涌现的阶段,纳米结构的存在改变了通道内弹状流所占有的时间比例,从而揭示了在纳米结构在不同质量流密度条件下,对微通道总体换热性能的不同作用。4)纳米结构能有效地延迟二相流不稳定性的起始点(OFI),同时抑制微通道壁面温度和出入口压力差的波动幅值。在珠状凝结方面,在铜表面通过两步法生长纳米线阵列结构,并经过自组装单分子的疏水涂层处理,获得超疏水表面,搭建了基于水平方向和竖直方向凝结面的传热性能测量实验台,并利用该实验台表征了在过冷度为0～60 K和压力为60 kPa条件下纳米结构表面的凝结传热系数。另外,应用高速摄像技术表征了纳米结构的凝结流型,得到的主要结论有：1)在逐渐从过冷度△T=0 K增加过冷度条件下,纳米结构表面经疏水涂层可形成稳定的珠状凝结,凝结换热系数也得到提升。但进一步增加壁面过冷度,纳米结构表面的凝结换热系数较平表面的增加的幅度有所减小,并逐渐趋于平缓。2)在低的壁面过冷度下(△T～10K),纳米线修饰表面具有超疏水性,液滴形成后呈现出Cassie状态,随着液滴直径的逐渐增大,出现和相邻液滴合并后“飞离”凝结面的现象；在中等过冷度条件下(～10K△T～15K),纳米线修饰表面的接触角减小,Wenzel状态(或部分、Venzel状态)的液滴出现并成主导的模式,液滴的脱离主要依靠重力进行自上而下的扫掠；在高过冷度条件下(△T～15K),液滴主要是呈现完全Wenzel状态,液滴的平均尺寸增大,液滴脱离是依靠重力。
[Abstract]:Boiling and condensation are widely used in engineering heat transfer equipment, such as heat pump, condenser, water-cooled nuclear reactor, etc. The enhancement of boiling and condensation heat transfer is beneficial to improve the heat transfer efficiency and service life of the equipment. Increasing the heat transfer area of boiling and condensation surfaces is a very effective method. In recent years, the appearance of nanostructures has greatly increased the specific surface area of the surface. Therefore, the enhancement of the boiling and condensation heat transfer properties of nanostructured surfaces has been studied in this paper. In the aspect of flow boiling, silicon micron channels integrated with heating wire and temperature measuring resistance were fabricated by MEMS process. Nanowire arrays were fabricated by solution etching at the bottom of the microchannel. An experimental platform for characterization of boiling heat transfer performance and flow pattern based on microchannel was built. The undercooling degree was 64 鈩，

本文编号：2103411