朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量（CHF）。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%～90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

微肋阵通道内流动沸腾CHF特性

以去离子水为工质,在质量流速G为96～224 kg·m^-2·s^-1,入口过冷度为20～50℃,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾临界热通量（critical heat flux,CHF）特性进行了实验研究。临界热通量是通道出口壁面干涸造成的,而出口壁面的干涸是由于流动沸腾向通道上游的反向流动。出口壁温的剧增和两相压降的剧减标志着CHF的发生。此外研究发现质量流速、入口过冷度、微肋形状等实验参数对CHF也有着很大的影响。实验结果表明：在相同的实验工况条件下,微肋片的存在大大减小了沸腾的反向流动和流动沸腾的不稳定性,微肋阵通道的CHF比光滑微通道更高,且椭圆形微肋阵的CHF最大,菱形微肋阵次之,圆形微肋阵最小;CHF随着质量流速和入口过冷度的增大而增大,但随着出口干度的增大而减小。最后将实验数据文献中的关联式进行了比较验证,结果表明该实验数据与关联式吻合良好。     

Ni/Ag微纳结构强化顶部连通型微通道沸腾换热

微通道换热器较大的比表面积使其具有较高的热质传输效率,在化工、能源等领域具有广泛的应用前景。针对微通道流动沸腾换热强化,本文设计了一种具有Ni/Ag微纳复合结构表面的顶部连通型微通道换热器,该顶部连通型微通道由11条并联微通道组成,微通道的截面为400μm×400μm的正方形,并联通道上方连通空间的高度也为400μm;采用电刷镀技术在顶部连通型微通道表面制备了Ni/Ag微纳米复合结构,以无水乙醇为工质,开展了普通并联微通道（regular microchannel, RMC）、顶部连通型微通道（top-connected microchannel,TCMC）以及具有微纳复合结构表面的顶部连通型微通道（TCMC-Ni/Ag）内流动沸腾换热对比实验研究。结果表明：TCMC-Ni/Ag表面的最大局部换热系数达179.84kW/(m²·K),较RMC的最大局部换热系数提高了4.1倍。可视化研究发现,对于TCMC-Ni/Ag,强亲水性的微纳复合结构表面同时提高了核化密度和核化频率,中低热流条件下形成气相汇聚于顶部连通区域,微通道表面仍然产生大量气泡的流型结构,在高热流密度条件下,强亲水性微纳复合结构的毛细吸液作用使得通道内产生了薄液膜对流蒸发换热模式,是其换热性能大幅提高的主要机理。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

电火花改性表面池沸腾换热特性

通过电火花成型加工技术在铜基换热表面制备微纳结构改性表面,以自制换热表面性能测试装置进行改性表面的池沸腾换热性能实验。改性表面随加工电流改变而具有不同粗糙度、孔隙率和粗糙度因子,表面接触角范围在117.4°~133.5°。实验结果表明,改性表面的微纳结构提高换热面的池沸腾换热效果,临界热流密度较光滑铜表面提高了26%~87.8%,最大传热系数提高了48.1%~213%。改性表面的传热系数随着粗糙度增大而减小,而临界热流密度则是先增大后减小;孔隙率的增大使得改性表面的传热系数也随之增大,临界热流密度则是随着孔隙率的增大而先增大后减小;临界热流密度随着粗糙度因子的增大而降低,传热系数则是先增大后降低。粗糙度对沸腾换热的强化效果较小,孔隙率和粗糙度因子是强化池沸腾换热的关键,孔隙率和粗糙度因子分别影响了气泡核化密度和实际接触面积,提高了气泡脱离频率,带走更多的热量,但两者间存在互相制约的平衡关系。     

TiO_2纳米管阵列表面的池沸腾实验

以多个不同管径的TiO2纳米管阵列表面以及不同Ti表面作为换热壁面,以去离子超纯水作为工质,进行重复池沸腾实验。在实验前后进行了样品润湿性能测试实验,测量了超纯水在样品表面上的静态接触角;在实验中,使用高速摄像机观测气泡动力学过程。实验结果表明,管径不是对池沸腾换热性能产生重要影响的唯一主要因素,管径尺度的凹坑难以形成有效的汽化核心,不利于强化换热。实验中没有观察到大量微小气泡,证实没有大量有效的汽化核心。由于TiO2纳米管阵列表面的润湿性能较好,其能明显提高池沸腾的临界热通量(CHF),最大增幅度可达116%。但部分样品在经历CHF后会出现脱落现象,脱落后,CHF明显降低。     

TiO2纳米管阵列表面的池沸腾实验

以多个不同管径的TiO₂纳米管阵列表面以及不同Ti表面作为换热壁面,以去离子超纯水作为工质,进行重复池沸腾实验。在实验前后进行了样品润湿性能测试实验,测量了超纯水在样品表面上的静态接触角;在实验中,使用高速摄像机观测气泡动力学过程。实验结果表明,管径不是对池沸腾换热性能产生重要影响的唯一主要因素,管径尺度的凹坑难以形成有效的汽化核心,不利于强化换热。实验中没有观察到大量微小气泡,证实没有大量有效的汽化核心。由于TiO₂纳米管阵列表面的润湿性能较好,其能明显提高池沸腾的临界热通量（CHF）,最大增幅度可达116%。但部分样品在经历CHF后会出现脱落现象,脱落后,CHF明显降低。     

微细通道内CO2沸腾换热与干涸特性

CO₂作为一种天然制冷剂在微通道内应用具有很大的换热优势,然而由于微尺度效应及其物性,在低干度区容易发生干涸,严重影响换热效果。为研究微细通道内CO₂流动沸腾换热与干涸特性,搭建了相应实验装置,对内径分别为1mm、2mm、3mm以及内表面粗糙度为16μm的不锈钢管,在CO₂制冷剂热流密度2~34kW/m²、质量流率50~1350kg/(m²·s)、饱和温度-10~15℃下进行换热性能与干涸实验对比研究。结果表明:常规管径换热特性在微细通道内不再适用;热流密度的增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,高于临界热流密度(critical heat flux,CHF)则发生干涸;质量流率对于核态沸腾区换热系数的影响则较小;不同饱和温度时换热特性有所不同,高饱和温度下换热系数随其升高而提高,低饱和温度下则相反;干涸过程对总换热系数的影响占34%。研究结论为CO₂微通道换热器的研究开发提供理论依据。     

Nucleate boiling performance on nano/microstructures with different wetting surfaces

ABSTRACT: A study of nucleate boiling phenomena on nano/microstructures is a very basic and useful study with a view to the potential application of modified surfaces as heating surfaces in a number of fields. We present a detailed study of boiling experiments on fabricated nano/microstructured surfaces used as heating surfaces under atmospheric conditions, employing identical nanostructures with two different wettabilities (silicon-oxidized and Teflon-coated). Consequently, enhancements of both boiling heat transfer (BHT) and critical heat flux (CHF) are demonstrated in the nano/microstructures, independent of their wettability. However, the increment of BHT and CHF on each of the different wetting surfaces depended on the wetting characteristics of heating surfaces. The effect of water penetration in the surface structures by capillary phenomena is suggested as a plausible mechanism for the enhanced CHF on the nano/microstructures regardless of the wettability of the surfaces in atmospheric condition. This is supported by comparing bubble shapes generated in actual boiling experiments and dynamic contact angles under atmospheric conditions on Teflon-coated nano/microstructured surfaces.     

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。     

高热通量水平管外池沸腾传热

在制冷空调的满液式蒸发器中,制冷剂在壳侧沸腾蒸发,管内为水的单相对流传热。实验研究了高热通量下R134a在一根光管和一根强化管（No.1）外的池沸腾传热,并将光管实验结果和Cooper公式进行了比较。在不同的饱和温度下,热通量10～250 kW·m^-2的范围内,研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热系数随热通量的变化关系。光管和强化管外径分别为15.93 mm 和 25.36 mm。通过研究发现,在热通量10～250 kW·m^-2的范围内,光管的池沸腾传热系数和Cooper公式符合较好,偏差小于±15%。在双对数坐标下传热系数和热通量实验结果拟合直线斜率为0.67。在较高热通量,即热通量大于250 kW·m^-2时,光管的传热系数相对Cooper公式偏差开始增大。对于高效管,在小于40 kW·m^-2热通量下的传热效果最好。强化管的强化倍率随热通量增加一直减小,在较高热通量250 kW·m^-2下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

石墨烯/镍复合微结构表面的池沸腾传热特性

采用电刷镀和表面改性技术,在紫铜表面制备了纯镍微结构（TS1）、亲水性石墨烯/镍复合微结构（TS2）以及疏水性石墨烯/镍复合微结构（TS3）。采用扫描电镜和接触角测量仪分别对三类微结构的表面形貌和润湿性进行了表征;以去离子水为工质,对三类微结构表面的池沸腾传热特性进行了实验研究,发现含有石墨烯的TS2和TS3较TS1的沸腾传热性能均显著改善,其中,TS3具有最大的传热系数和最高的临界热流密度,与TS1相比,其最大传热系数和临界热流密度分别提高了135%和97%。分析表明,TS3具有复杂三维堆叠微结构,疏水性微结构减小了气泡成核的活化能,增加了核化密度,是传热系数提高的主要因素,同时,三维堆叠微结构增加了受热表面的毛细吸液再润湿能力,是临界热流密度提高的主要机理。     

多级复合芯结构的强化沸腾传热研究

采用固相烧结技术制备了均匀多孔层、复合16芯和复合32芯三种多孔结构,并且建立了池沸腾传热测试系统来研究不同芯数量、粒径与结构高度对多孔结构沸腾传热性能的影响。实验结果表明,在测试范围内复合层高1 mm的多孔复合32芯结构传热性能较强,临界热通量(CHF)最高为386 W/cm²,传热系数最高达到9.5 W/(cm²·K)。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。可视化数据表明,相比于光滑表面,在高热通量下多孔复合表面上气泡周期更短,脱离更快,气泡的离开带来了更多的液体补充,进而不断提升传热性能,获得更高的CHF值。     

不同润湿表面液体沸腾的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究纳米尺度下液氩在过热基板上的沸腾过程。通过调节固液间相互作用的方式改变壁面润湿性,模拟并分析了壁面润湿性对沸腾过程中能量传递和液体运动情况的影响。结果表明:不同润湿性表面均会发生固液分离的现象,但是固体表面附近吸附的氩原子数密度随润湿性增强而增大;润湿性较强时,液体的能量上升快,热通量高,液体内部温度梯度大,发生固液分离时间早,系统中氩的温度和能量低,上升过程中液氩密度、厚度变化小;润湿性较弱时,液体的能量上升慢,热通量小,液体内部温度梯度小,发生固液分离时间延后,系统中氩的温度、能量更高,上升过程中液氩密度、厚度变化较大。下部气体压力整体上大于上部气体压力,发生固液分离时润湿性越强的表面上液体上下压差越大,首次上升过程能达到的高度越高,所需时间越短。     

假塑性高粘流体垂直管内流动沸腾CHF

以ＣＭＣ水溶液为介质，对高粘幂律流体进行了垂直管内流动沸腾超临界热流的研究。测定了３１组临界热流数据，建立了临界热流关联式。计算值与实验值的偏差为１７．７％。