表面活性剂强化沸腾换热特性研究

发布时间：2020-11-16 12:14

　　 沸腾换热一直在工业节能、设备安全运行、空调冰箱制冷与电子产品散热等方面起到举足轻重的作用。小到CPU中央处理器与GPU图形处理器因散热不及时烧毁,大到核反应堆冷却系统出问题引发大范围核辐射灾害。因此,有必要进一步研究强化沸腾换热的手段和沸腾换热的机理。本文利用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)与水杨酸钠(NaSal)以1:1配成水溶液研究了通过添加表面活性剂的方式强化沸腾换热的效果及其机理。研究内容包括热线外过冷池沸腾的实验研究、矩形通道流动沸腾的实验研究、大平板饱和池沸腾的实验研究与格子玻尔兹曼方法(LBM)数值模拟饱和池沸腾与流动沸腾四个部分。研究结果表明实验工况对表面活性剂强化沸腾换热存在影响。在表面活性剂溶液的热线外过冷池沸腾的实验研究中,通过一个水平放置的(?)0.07mm铂丝热线加热容器内工质。建立热流与热线过热度的关系曲线。获得强化沸腾换热的最佳溶液浓度以及强化沸腾换热的机理。实验结果表明,在5-100 ppm溶液表现最佳的传热性能。相同热流下,有利于降低加热丝的温度提高沸腾换热系数,并且临界热流(CHF)最大提高了25%左右。用高速摄像机和显微镜记录了核态沸腾过程。首次发现气泡爆炸和气泡喷射现象发生在加热丝周围,从而增强流体扰动和进一步降低加 热丝的温度。气泡喷射速度达到0.5m·s~(-1)左右。对3种不同的表面活性剂溶液(阳离子表面活性剂CTAC、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠SDBS和非离子表面活性剂烷基糖苷APG)进行了实验发现气泡爆炸和气泡喷射现象与表面活性剂种类无关。借助显微镜和高速摄像装置发现气泡爆炸现象和气泡喷射现象是由于气液两相界面上表面张力分布不均匀造成的。根据拉普拉斯方程(?),界面处表面张力分布不均匀,气泡内高压将蒸汽由低表面张力处喷射出去或引起气泡爆炸。而非离子表面活性剂烷基糖苷(APG)由于热稳定性差降低CHF。在表面活性剂溶液的矩形通道内流动沸腾实验研究中,实验通过一个8mm厚的镍薄金属片在6.0×3.5 mm~2矩形通道的一个面上加热。建立热流与壁面过热度的关系曲线。获得强化沸腾换热的最佳浓度以及强化沸腾换热的机理。实验结果表明,在100 ppm左右的CTAC/NaSal水溶液表现最佳的传热性能。相同热流下,有利于降低壁面温度提高换热系数,并且CHF提高了25%左右,进出口的压差相对于水波动剧烈。用高速摄像机记录了流动沸腾过程,发现CTAC/NaSal水溶液中沸腾产生的气泡更小停留时间更长,加热面上的沸腾核心更多。气泡之间不发生合并使CTAC/NaSal溶液中的气液两相界面更大,更大气液两相界面引起强压力波动现象并且润湿加热面。因此,加热面的润湿和沸腾核心增多可能是表面活性剂强化流动沸腾换热的原因。在水的大平板饱和池沸腾的实验研究中,通过氧化铟锡Indium tin oxide(ITO)透明镀层加热法观察加热面上气液两相分布与沸腾核心分布。实验发现气泡间发生合并减少有效沸腾核心数和气液两相界面进而弱化沸腾换热。在CHF工况,合并后的大气泡在加热面形成气膜抑制沸腾换热。在LBM数值模拟饱和池沸腾与流动沸腾研究中,通过LBM方法的单松驰时间(LBGK)模型、二维D2Q9模型和P-R两相状态方程数值模拟大平板饱和池沸腾换热和矩形通道内流动沸腾换热。对比LBM数值模拟结果与实验结果揭示表面活性剂强化沸腾换热的本质。LBM数值模拟结果显示气液两相交汇处Nu数最高,气泡合并使中间的沸腾核心Nu数减小,气泡合并减小气液两相交汇长度,减小有效沸腾核心数不利于沸腾换热。因此,表面活性剂阻止气泡合并可能是表面活性剂强化沸腾换热的因素之一。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124;TQ423
【部分图文】：

第 1 章 绪 论停留于气液两相界面，此时溶液浓度低于临界胶束浓度（CMC）。当气液界面的表面活性剂分子达到饱和时，此时溶液浓度等于 CMC，会在溶液内小型胶束。进一步增大溶液浓度，表面活性剂分子大量聚集在溶液内形成或层状胶束，如图 1-1 所示。

离子型表面活性剂液膜处电荷分布

图 1-3 S 型透明镀层加热圆管[29]Fig.1-3 S-type tube of transparent coating tube[29]热的常用测温实验方法包括热电偶测温法、热传导测温法、线测温法等。热电偶测温法主要指直接采用温度传感器如热面上，因为热电偶存在体积，将破坏加热面结构影响实验结实验中，热电偶测量点可起到沸腾核心作用，一般不提倡使
【参考文献】

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本文编号：2886214