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。     

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。     

Role of nanoparticles on nanofluid boiling phenomenon: Nanoparticle deposition

Suspended nanoparticles inside the nanofluids can modify the characteristics of heated surfaces and the physical properties of the base liquids, offering a great opportunity to optimize boiling heat transfer. This paper reviews the mechanisms of nanoparticle deposition and the effects induced by deposited nanoparticles on surface roughness, force balance at the triple line, surface wettability, active nucleation site density, receding and advancing contact angles, boiling heat transfer coefficient and critical heat flux. Both enhancement and deterioration effects on boiling heat transfer coefficient and critical heat flux have been discussed. Most of the existing experimental data confirms the enhancement of critical heat flux using alumina nanofluid, however there is no consistency about its boiling heat transfer coefficient.     

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。     

不同压力下HFE-7100在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验

池沸腾是重要的传热模式之一,广泛应用于诸多工业领域。饱和压力的变化会影响传热工质的热物性,进而引起表面核化及气泡动力学参数的改变,因此饱和压力对池沸腾传热性能具有显著影响。本文在不同饱和压力（0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa）工况下对HFE-7100工质在纳米级粗糙度光滑铜基表面的池沸腾传热及可视化实验进行了研究,针对饱和压力对池沸腾传热的影响机制进行了深入探讨,同时采用相关池沸腾传热及临界热通量预测模型对传热性能曲线进行了对比分析。光滑铜基表面的平均粗糙度为19nm,HFE-7100工质在其上的静态接触角为9.83°。可视化图像展现了沸腾孤立气泡生成、充分发展合并及核化沸腾向膜状沸腾转换的过渡状态。实验数据表明,饱和压力的提升可强化池沸腾传热能力及提升临界热通量。相较于0.07MPa低压池沸腾,0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa条件下池沸腾的最大传热系数分别提升29%、59%及75%,传热系数的平均提升率分别为24%、50%和63%,而临界热通量分别增加27%、48%及64%。相对而言,Forster和Zuber（1955）建立的池沸腾传热预测模型及Guan等（2011）建立的临界热通量预测模型较为准确地预测了本研究操控条件下的池沸腾实验数据。     

水在开孔泡沫铜中的池沸腾传热特性

对常温、大气压下水在开孔泡沫铜中池沸腾的传热特性进行了试验研究,观察了开孔泡沫铜中汽泡的生长特性及其变化规律,并与水在光管加热面的池沸腾特性进行了对比。试验结果表明:水在泡沫铜中池沸腾时,汽泡脱离直径和汽泡脱离频率随热通量的增加而不断增大,泡沫铜对水的池沸腾传热具有很好的强化效果。根据试验结果,得到了水在开孔泡沫铜中池沸腾传热的传热系数拟合关联式,为进一步的研究提供了依据。     

二氧化铈/水基纳米流体核沸腾传热特性

对CeO₂纳米流体进行了池沸腾传热特性研究,考察了CeO₂/水基纳米流体的热导率,静态接触角以及沸腾后表面沉积情况对沸腾传热的影响。结果表明,CeO₂纳米流体可提高沸腾传热系数,且纳米流体最佳质量分数为0.05%,其沸腾传热系数较去离子水提高36%。热导率以及接触角随纳米流体质量分数的增加而增加,在本实验范围内,热导率最大增加1%;而纳米流体接触角从50.5°增加到92.9°;表面沉积随纳米流体的质量分数增加越来越明显,去离子水在沉积表面的接触角发生较大变化(51.4°～134.4°)。纳米流体的热导率影响可忽略不计;而接触角和沸腾表面颗粒沉积对纳米流体的强化传热作用影响较大。     

CuO/H2O纳米流体的池沸腾传热及预测

通过络合-沉淀法合成氧化铜纳米颗粒,制备铜颗粒的直径在40～100 nm,晶型为正六面体。利用“两步法”制备水基氧化铜纳米流体。考察了不同质量分数纳米流体的热导率、接触角变化和加热表面颗粒沉积对核沸腾传热性能的影响,并利用可视化记录沸腾过程气泡行为。结果表明：在测试质量分数范围内,传热系数随热通量增加而增大,当质量分数达到0.1%时,强化率最大为146.1%。经过分析可知纳米流体的接触角度、热导率、颗粒沉积以及颗粒扰动对水基氧化铜纳米流体强化传热作用均有影响。通过高速摄像采集质量分数0.07%纳米流体沸腾过程验证结论的可靠性。并对纳米流体核沸腾传热过程建立气泡动力学经验模型,模型计算结果与实测值相对偏差在±10%以内。     

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。     

烧结型多孔表面管外池沸腾传热特性

实验研究了热通量为0.1~160 kW·m^-2时,去离子水在光管及烧结型多孔表面管管外的池沸腾传热特性,分析了换热管布置方式(垂直与水平)、管径大小(20、25和32 mm)与多孔层颗粒尺寸(30~105 μm)对池沸腾传热特性的影响规律。结果表明:去离子水在多孔管表面的起始沸腾过热度小于光管,比光管低3 K左右;多孔表面管可明显强化核态沸腾传热,其沸腾传热系数可达光管的3~4.5倍;大热通量下,换热管水平布置时的传热效果较垂直布置佳,且布置方式对多孔管换热效果的影响比对光管的影响小;随管径增大,光管与多孔表面管的沸腾传热系数降低;大颗粒尺寸多孔层的强化效果优于小颗粒尺寸多孔层。     

常见液体除湿剂池内核态沸腾换热特性

溶液除湿剂的沸腾式再生能够降低除湿空调对室外环境的依赖性,而溶液的沸腾特性的研究对沸腾再生器的设计有重要意义。针对3种常规除湿溶液及一种配方型除湿剂的池内核态沸腾特性展开实验研究。研究发现:3种溶液的沸腾温度均随着浓度的增加而升高;3种溶液的沸腾传热系数均低于水,并随浓度的增加而降低,但是当浓度增大到极限时,溶液中有小颗粒析出,其传热系数却提高。相近传质能力条件下,溴化锂溶液与氯化钙溶液的沸腾换热性能优于氯化锂溶液;在氯化锂溶液中添加一定量的氯化钙溶液能够优化氯化锂溶液的沸腾换热性能。     

Line tension and wettability effects on reduced gravity nucleate boiling heat transfer

Line tension has a significant influence on contact angle during boiling at normal gravity, but previous studies conducted at reduced gravity levels have not considered this parameter. Models were developed to study the validity of neglecting line tension and to examine the influence of contact angle on heat transfer in reduced gravity. It was shown that, although line tension may have an effect at normal gravity, line tension effects are insignificant in reduced gravity. A more non-wetting liquid on a solid surface has significantly increased heat transfer from the surface to a bubble due to a larger departure radius.     

变截面翅片通道内过冷沸腾可视化试验

以水为介质,对三角多孔翅片（TP）和横排锯齿翅片（TDS）两种变截面翅片通道的过冷沸腾进行了可视化试验。研究了体积流量、过冷度与热通量对过冷沸腾起始位置的影响,通过观察变截面翅片流道内单个气泡形成、生长与合并或脱离的过程,对比分析两种变截面翅片对流沸腾传热强化机理。试验结果表明：TDS翅片通道内气泡从出现到消失的平均周期约为TP翅片的一半;过冷沸腾起始位置随着体积流量的增大,逐渐向流道出口处移动;而随着热通量的增大和过冷度的减小逐渐靠近流道入口处;过冷度对过冷沸腾起始位置的影响比热通量对其的影响更大。     

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％。     

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.     

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。     

电场强化乙醚自然对流和池沸腾换热

外加电场强化传热是将电场及其理论引入传热学领域,利用电场力与流场和温度场的相互作用而达到强化传热的一种有效方法．     

Phase hold-up and critical fluidization velocity in a three-phase inverse fluidized bed

We studied the hydrodynamic characteristics of a three-phase inverse fluidized bed made of a transparent acrylic column of 0.115 m inner diameter and 2 m heights. Air, water and polyethylene particles were used as the gas, liquid and solid phase, respectively. We used both hydrophobic low density polyethylene (LDPE) and hydrophilic LDPE as solid phase, and distilled water as liquid phase, and filtered air as gas phase. The LDPE was chemically treated by chlorosulfonic acid to change the surface property from hydrophobic to hydrophilic. We tried to solely investigate the effect of the surface hydrophilicity of polymeric particles on the phase holdup and the critical fluidization velocity of three-phase inverse fluidization. Thus, we measured the static pressure and eventually observed critical fluidization velocity. Critical fluidization velocity became smaller in case of using MDPE hydrophobic particles than LDPE hydrophilic particles. This was thought to be due to the retardation of rising bubbles near hydrophobic particles and, subsequently, the increase of gas hold-up.     

梯度润湿表面脉动热管传热性能的研究

为提高脉动热管水平方向的运行性能,本文通过控制化学刻蚀时间,制备出冷凝段到蒸发段接触角由83.8°至0°均匀变化的纳米草结构梯度润湿表面。并将此结构引入至6弯管板式脉动热管中,在不同充液率、加热功率以及运行方向下开展可视化和传热性能试验。试验结果表明,在竖直运行时,梯度润湿表面脉动热管相比于纯铜脉动热管展现出较好的传热性能。水平方向上,相较于纯铜脉动热管几乎完全烧干、无法启动的情况,梯度润湿表面由于附加的梯度润湿驱动力,促进了液体工质的回流,脉动热管成功启动。且汽液界面脉动振幅、脉动速度以及脉动热管的传热性能显著提高,充液率50%时热阻最多降低45%。     

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。