梯度金属泡沫池沸腾换热与气泡行为特性研究
发布时间：2020-08-01 19:43
【摘要】：有效的提高换热效率,对于降低能耗、确保发热设备的安全至关重要。池沸腾换热因具有需要的辅助设备少、噪声小、换热系数大等优点,被广泛作为高热流设备理想散热方式。梯度金属泡沫不仅保留了金属泡沫比表面积大、扰流能力强等优点,其逐渐变大的孔隙结构,有助于气泡逃逸,可以表现出更好的池沸腾换热性能。本文设计、搭建了池沸腾实验台,并利用高速相机来捕获池沸腾气泡行为,研究了梯度金属泡沫池沸腾换热与气泡行为特性。实验中,金属泡沫的材质为铜和镍,孔隙率恒为0.98,孔密度变化范围为5 PPI-100 PPI,厚度变化范围为2 mm-14 mm,沸腾工质为去离子水,不同浓度的SDS、TX-100、正庚醇及Al_2 O_3纳米颗粒溶液。在池沸腾换热特性研究方面,实验结果表明:梯度镍泡沫较单层镍泡沫显著地提高了池沸腾换热能力,但是金属泡沫厚度、孔密度组合、材质及表面活性剂等对沸腾换热效果均有影响。增加下层镍泡沫厚度,池沸腾换热增强,但是对于上层孔密度较大的梯度镍泡沫,高热流密度时,下层镍泡沫厚度变大将恶化换热。中低孔密度组合的梯度镍泡沫的池沸腾换热性能明显优于高低和高中孔密度组合的梯度镍泡沫。材质对梯度金属泡沫池沸腾换热性能影响取决于热流密度大小,低热流密度时,铜-镍梯度金属泡沫换热能力更强。添加SDS可以增强池沸腾换热,浓度增加,强化效果减弱;TX-100强化效果不如SDS,甚至会恶化沸腾换热。Al_2 O_3纳米颗粒会抑制池沸腾换热,因为Al_2 O_3纳米颗粒在沸腾过程中发生沉积,且沉积层的导热率更低。在气泡行为特性研究方面,实验结果表明:SDS使梯度金属泡沫池沸腾气泡脱离直径变小、膨胀速率变大、生成速率增大,且TX-100活化性能更强。正庚醇增大了铜表面润湿性,不利于换热,观察其在梯度金属泡沫内池沸腾时气泡脱离行为发现:低热流密度时,脱离的气泡依附在金属骨架,或是静止或是滑移,气泡直径变小直至消失;增大热流密度,气泡以破裂和整体滑移两种常见形式脱离金属泡沫骨架阻碍;当热流密度增加到1.0×10~5 W·m~(-2)时,相邻气泡在梯度金属泡沫内发生合并,形成一个较大的气泡,并最终脱离金属泡沫。在数值模拟方面,建立了二维简化的梯度金属泡沫几何模型,重点研究了气泡在金属泡沫内的脱离规律,模拟结果表明:梯度金属泡沫上层变大的孔隙有助于气泡脱离,且气泡上下表面速度振荡变得更加明显。但是两层金属泡沫接口处骨架的排列方式会影响气泡的运动,如果出现明显的叉排骨架,气泡顶部将受到金属骨架阻碍,发生破裂,不利于气泡脱离。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：
（a） （b）图 1-1新型超轻多功能材料-金属泡沫Fig. 1-1 New ultralight multi-functional material——metal foams不过大量研究表明，金属泡沫池沸腾换热性能受到孔密度、孔隙率和沸腾工物性等因素的影响。这是因为金属泡沫内部生成的气泡脱离会受到金属泡沫骨以及工质液体的阻力，如果金属泡沫过厚或者孔密度较大，气泡脱离阻力更为显，严重影响气泡的正常逃逸，导致沸腾换热恶化，金属泡沫的沸腾换热性能至低于光滑平板的换热性能[14,15]。虽然在金属泡沫上开槽提供气泡脱离通道，者往沸腾工质里加入表面活性剂等措施可以改善气泡脱离情况，但改善效果有，尤其是在金属泡沫上开槽会破坏金属泡沫原有的形态结构。而梯度金属泡沫但保留了均匀金属泡沫换热比表面积大、扰流能力强等优点，其逐渐变大的孔结构，有助于气泡逃逸。兼顾更大的换热比表面积同时减小气泡脱离遇到的阻，可以表现出更好的换热性能。在这一背景下，研究梯度金属泡沫池沸腾换热重要意义。2 国内外研究现状
第一章 绪论随着生产、加工技术的提高，人们可利用等离子体涂层、微机电系统制造、加工表面、电化学等手段制造出各种形态的表面多孔结构，以此来探究多孔表面对池沸腾换热的强化[24,25]。Saeidi 等人[26]通过阳极氧化处理在铝样本表面生成纳米层，并以去离子水为工质进行实验，测量了它们的临界热流密度与池沸腾传热系数。与没有经过处理的表面相比，有纳米层的换热面的临界热流密度提高了 8%，池沸腾换数提高了 159%。Xu 等人[27]通过电化学的方法制备了三种类型的复合多孔层表面，如图 1，实验结果表明，随着多孔层的厚度和表面润湿性增大，池沸腾传热系数与热流密度也相应增加。此外， Saeidi 等人[28-30]的研究也都证实了表面多孔结使池沸腾换热能力有不同程度的提高。
图 1-3铋多孔表面可以提高池沸腾换热性能3 Heat transfer performance of pool boiling is enhanced by Bi porous surf人[33]通过实验发现，一个厚度呈周期变化的多孔加热表面（热系数可达 0.76-2MW m，是平板池沸腾换热系数的三倍孔加热表面明显提升了池沸腾换热能力。总之，利用一系工各种各样的多孔表面，在池沸腾换热强化领域得到广泛
本文编号：2777913
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：
（a） （b）图 1-1新型超轻多功能材料-金属泡沫Fig. 1-1 New ultralight multi-functional material——metal foams不过大量研究表明，金属泡沫池沸腾换热性能受到孔密度、孔隙率和沸腾工物性等因素的影响。这是因为金属泡沫内部生成的气泡脱离会受到金属泡沫骨以及工质液体的阻力，如果金属泡沫过厚或者孔密度较大，气泡脱离阻力更为显，严重影响气泡的正常逃逸，导致沸腾换热恶化，金属泡沫的沸腾换热性能至低于光滑平板的换热性能[14,15]。虽然在金属泡沫上开槽提供气泡脱离通道，者往沸腾工质里加入表面活性剂等措施可以改善气泡脱离情况，但改善效果有，尤其是在金属泡沫上开槽会破坏金属泡沫原有的形态结构。而梯度金属泡沫但保留了均匀金属泡沫换热比表面积大、扰流能力强等优点，其逐渐变大的孔结构，有助于气泡逃逸。兼顾更大的换热比表面积同时减小气泡脱离遇到的阻，可以表现出更好的换热性能。在这一背景下，研究梯度金属泡沫池沸腾换热重要意义。2 国内外研究现状
第一章 绪论随着生产、加工技术的提高，人们可利用等离子体涂层、微机电系统制造、加工表面、电化学等手段制造出各种形态的表面多孔结构，以此来探究多孔表面对池沸腾换热的强化[24,25]。Saeidi 等人[26]通过阳极氧化处理在铝样本表面生成纳米层，并以去离子水为工质进行实验，测量了它们的临界热流密度与池沸腾传热系数。与没有经过处理的表面相比，有纳米层的换热面的临界热流密度提高了 8%，池沸腾换数提高了 159%。Xu 等人[27]通过电化学的方法制备了三种类型的复合多孔层表面，如图 1，实验结果表明，随着多孔层的厚度和表面润湿性增大，池沸腾传热系数与热流密度也相应增加。此外， Saeidi 等人[28-30]的研究也都证实了表面多孔结使池沸腾换热能力有不同程度的提高。
图 1-3铋多孔表面可以提高池沸腾换热性能3 Heat transfer performance of pool boiling is enhanced by Bi porous surf人[33]通过实验发现，一个厚度呈周期变化的多孔加热表面（热系数可达 0.76-2MW m，是平板池沸腾换热系数的三倍孔加热表面明显提升了池沸腾换热能力。总之，利用一系工各种各样的多孔表面，在池沸腾换热强化领域得到广泛
【参考文献】
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3 孙东亮;徐进良;王丽;;求解两相蒸发和冷凝问题的气液相变模型[J];西安交通大学学报;2012年07期
4 莫少嘉;吴晓敏;田雷;胡珊;姜培学;王维城;;堆积多孔介质中流动沸腾换热的实验研究[J];工程热物理学报;2010年06期
5 韩冰;徐之平;;强化换热的方法及新进展[J];能源研究与信息;2008年04期
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本文编号：2777913
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