強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰試驗(yàn)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

1、第20卷第1期2002年3月應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)JOU RNAL O F A PPL IED SC IEN CESV o l .20,N o.1M arch 2002收稿日期:20010112;修訂日期:20010505基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(59976002;國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(G 2000026300資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:周定偉(1971,男,湖南湘潭人,博士后;馬重芳(1940,男,浙江寧波人,教授,博導(dǎo);劉登瀛(1938,男,四川瀘州人,研究員,博導(dǎo).文章編號(hào):02558297(200201000105強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰試驗(yàn)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究周定偉1,馬重芳1,劉登瀛2(1.北京工業(yè)大

2、學(xué)環(huán)能學(xué)院,北京100022;2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080摘要:就影響強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰試驗(yàn)的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析.結(jié)果表明:只有遵循一定試驗(yàn)程序的強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才具有可比性.關(guān)鍵詞:沸騰傳熱;滯后;強(qiáng)潤(rùn)濕性液體中圖分類號(hào):T K 172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAn Exper i m en ta l Study on the Factors I nf luenc i ng Ebull ien tTests of H ighly -wetti ng L iqu idsZHOU D ing 2w ei 1,M A Chong 2fang 1,L I U D eng 2y

3、ing2(1.Colleg e of E nv ironm ental and E nergy E ng ineering ,B eij ing P oly technic U niversity ,B eij ing 100022,Ch ina ;2.Institu te of E ng ineering T her m op hy sics ,Ch inese A cad e my of S ciences ,B eij ing 100080,Ch ina Abstract :A n experi m en tal and m echan is m ic study w as conduc

4、ted to investigate the facto rseffecting bo iling tests of h igh ly 2w etting liqu ids .T he resu lts show ed that on ly the experi m en tal data ob tained th rough a rigo rou s test p rocedu re cou ld be com pared w ith each o ther .Key words :bo iling heat tran sfer ;hysteresis ;h igh ly 2w etting

5、 liqu id采用強(qiáng)潤(rùn)濕性液體(如D u Pon t 公司生產(chǎn)的R 113和3M 公司生產(chǎn)的FC 72和L 12378等進(jìn)行浸沒(méi)冷卻光滑傳熱表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)常規(guī)液體所不具有的熱滯后現(xiàn)象,這是因其具有低表面張力、低潤(rùn)濕角及高溶氣能力等特性的緣故.而且,試驗(yàn)工質(zhì)處理與否會(huì)直接影響到沸騰傳熱曲線的斜率及位置,甚至關(guān)系到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的有無(wú)發(fā)生.如以水為工質(zhì)的沸騰實(shí)驗(yàn),文獻(xiàn)1觀察到了沸騰熱滯后現(xiàn)象,而文獻(xiàn)2則沒(méi)有觀察到.迄今為止,大多數(shù)傳熱實(shí)驗(yàn)均是用清潔表面來(lái)進(jìn)行的.這是因?yàn)榉序v傳熱的特點(diǎn)之一是某一特定狀況下的傳熱特征受到這一狀況之前傳熱過(guò)程的影響.Joudi 和Jam es 3就傳熱表面上污垢的沉積及復(fù)原對(duì)

6、核沸騰傳熱的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)傳熱表面因水腐蝕、甲醇氧化的雜質(zhì)沉積使得沸騰傳熱數(shù)據(jù)重現(xiàn)性很差,經(jīng)過(guò)惰氣吹洗等表面處理后,數(shù)據(jù)重現(xiàn)性增加.因此,要對(duì)沸騰數(shù)據(jù)進(jìn)行比較就必須嚴(yán)格規(guī)范沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)程序,同時(shí),盡量做到沸騰傳熱數(shù)據(jù)是在同一實(shí)驗(yàn)裝置、從同一傳熱面上在相近的時(shí)間內(nèi)獲取,這樣獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才是比較可信的.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)程序1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖.工作液體在具有測(cè)量、冷卻和過(guò)濾設(shè)備的回路中循環(huán).試驗(yàn)件主要部分是一個(gè)10m 厚、面積為5mm ×5mm 的康銅膜,用它作電加熱元件及傳熱表面以模擬電子芯片.用 0108mm 鐵康銅熱電偶測(cè)量康銅膜內(nèi)表面溫度(即壁面溫度T

7、 w .圖2為實(shí)驗(yàn)容器及測(cè)量?jī)x表.實(shí)驗(yàn)容器頂面開有圓孔,便于噴管在容器內(nèi)移動(dòng).實(shí)驗(yàn)中用三維坐標(biāo)架在三個(gè)方向上調(diào)節(jié)噴管與試件的相對(duì)位置,最小位移為10m .圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖圖2實(shí)驗(yàn)容器及測(cè)量?jī)x表1.穩(wěn)壓電源2.調(diào)壓器3.變壓器4.電流表5.實(shí)驗(yàn)件6.熱電偶7.數(shù)字電壓表8.轉(zhuǎn)換開關(guān)9.軟橡膠10.三維坐標(biāo)架11.測(cè)量室箱體12.噴嘴熱流密度q =(I 2×R S ,S 為傳熱面積,R 為實(shí)驗(yàn)件的電阻,分別由精度為10m 的工具顯微鏡和直流法精確測(cè)量.換熱系數(shù)h =q (T w -T l ,T w 為壁面溫度,T l 為箱體內(nèi)液體溫度.q 和h 的不確定度分別小于5%和515%.1.2強(qiáng)

8、潤(rùn)濕性液體沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)程序?qū)嶒?yàn)前,先用丙酮清洗實(shí)驗(yàn)件表面,然后按照下面的程序進(jìn)行4.(1表面老化實(shí)驗(yàn)中采用三種不同的表面老化方法.A .實(shí)驗(yàn)件在室溫下浸泡在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中約10h ;B .箱體內(nèi)的液體在主加熱器加熱至沸騰后,由輔加熱器保持在沸騰狀態(tài)1h ,同時(shí),實(shí)驗(yàn)件在熱流密度為2×1042下保持1h ,然后,關(guān)閉主、輔加熱器,冷卻實(shí)驗(yàn)件和箱體內(nèi)的液體015h ;C .加熱程序與B 相同,不對(duì)實(shí)驗(yàn)件和箱體內(nèi)液體進(jìn)行冷卻而直接開始實(shí)驗(yàn).(2液體除氣程序運(yùn)轉(zhuǎn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),同時(shí)開啟主加熱器將箱體內(nèi)的液體加熱至沸騰并保持1h .逸出的氣體(如空氣等經(jīng)過(guò)冷凝盤管排出到箱體外,而工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)冷凝后返

9、回箱體.應(yīng)當(dāng)指出的是,在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除氣時(shí)不應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)件加熱.(3池溫控制除氣后,關(guān)閉主加熱器,采用冷卻器使箱體內(nèi)的液體保持在過(guò)冷狀態(tài).(4實(shí)驗(yàn)件加熱慢慢地增加電流,每次熱流密度升高值不超過(guò)(12×103W m 2(折合電流值約015A 左右,等到溫度穩(wěn)定后再依次讀取下列各參數(shù):壁面溫度T w 、射流液體溫度T l 、電流I 、箱體內(nèi)液體溫度T b 以及流量Q .對(duì)于池沸騰讀取一個(gè)溫度值需2030m in ,而對(duì)于射流沖擊沸騰只需23m in .(5實(shí)驗(yàn)件降溫實(shí)驗(yàn)件降溫時(shí),只需慢慢地減小電流,讀數(shù)與升溫時(shí)相同.對(duì)于沸騰傳熱實(shí)驗(yàn),當(dāng)溫度處于沸騰起始點(diǎn)附近時(shí),要緩慢增加實(shí)驗(yàn)件功率,以壁溫升高0

10、15為準(zhǔn),以便觀察溫度過(guò)頭的現(xiàn)象,直至進(jìn)入充分發(fā)展的核態(tài)沸騰.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2.1影響沸騰傳熱試驗(yàn)的因素(1非冷凝性氣體許多用于微電子元件浸沒(méi)冷卻的液體均具有低表面張力、低潤(rùn)濕角(即接觸角和高氣體溶解度.溶解在液體中的非冷凝氣體(如空氣會(huì)隨著溫度的升高而溢出.因此,這些液體的沸騰傳熱必伴隨不規(guī)則的核化和壁面溫度過(guò)頭.圖3示出了非冷凝氣體對(duì)L 12378池沸騰傳熱的影響.實(shí)驗(yàn)前不對(duì)液體作除氣處理,液體中會(huì)含有大量非冷凝氣體.對(duì)于L 12378液體的過(guò)冷沸騰而言,壁溫升高到45左右即可用肉眼觀察到氣泡從加熱壁面上脫離.與作過(guò)除氣處理的池沸騰曲線相比,未除氣的整個(gè)核沸騰曲線向左偏移,沸騰起始溫度大

11、大降低,這可從圖3中清楚地看到,且過(guò)渡沸騰2應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)20卷?yè)Q熱數(shù)據(jù)顯得雜亂無(wú)章.當(dāng)過(guò)冷度T sub =24K 時(shí),浸泡在經(jīng)過(guò)除氣處理的L 12378液體中的傳熱面直到84才起沸,相應(yīng)溫度過(guò)頭值(即起沸對(duì)應(yīng)壁面溫度減去起沸后溫度降低至最小值時(shí)的壁面溫度為2615K .圖3 非冷凝氣體對(duì)池沸騰曲線的影響圖4表面老化對(duì)沸騰曲線的影響(2表面老化表面老化是指沸騰表面在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)后,沸騰曲線會(huì)明顯地向左偏移的現(xiàn)象.本文觀察到了表面老化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,如圖4所示,實(shí)驗(yàn)件在液體中浸泡1h 和10h 后,沸騰傳熱曲線明顯不同,老化后的沸騰曲線向左偏移.對(duì)于康銅膜來(lái)說(shuō),在強(qiáng)潤(rùn)濕性液體中浸泡10h

12、后就可老化完全.(3試驗(yàn)程序圖5給出了同一個(gè)實(shí)驗(yàn)件在兩種不同試驗(yàn)程序下獲得的數(shù)據(jù).由圖可見,液體過(guò)冷度為T sub =方向r d =2,采用程序A 和B 的沸騰曲線均可見到熱滯后現(xiàn)象.文獻(xiàn)5研究了同一傳熱面在飽和及過(guò)冷度為15K 時(shí)分別依三種程序進(jìn)行升溫和降溫的沸騰傳熱實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明:依A 、B 兩種實(shí)驗(yàn)程序獲得的飽和沸騰曲線均出現(xiàn)了從單相自然對(duì)流到核沸騰過(guò)渡的壁溫躍降現(xiàn)象,即溫度過(guò)頭,而按程序C 獲得的沸騰曲線則沒(méi)有觀察到這一現(xiàn)象;對(duì)于過(guò)冷沸騰,依三種試驗(yàn)程序可獲得相似的沸騰曲線,這表明在過(guò)冷狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)程序沒(méi)有明顯的影響 .圖5試驗(yàn)程序?qū)Ψ序v曲線的影響(4液體過(guò)冷度液體過(guò)冷度對(duì)池沸騰傳熱的影

13、響已有過(guò)報(bào)道,但只限于充分發(fā)展的核沸騰,所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也往往自相矛盾.但一般均認(rèn)為對(duì)于以h q 形式給出的沸騰曲線,過(guò)冷度沒(méi)有顯著的影響 .圖6液體過(guò)冷度的影響圖6給出了過(guò)冷度分別為T sub =1815K 和2716時(shí)池沸騰換熱情況.液體過(guò)冷度增加,沸騰曲31期周定偉等:強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰試驗(yàn)影響因素的實(shí)驗(yàn)研究線向左移動(dòng),這說(shuō)明過(guò)冷沸騰具有更高的換熱性能.同時(shí),當(dāng)過(guò)冷度從T sub=1815K增加到T sub= 2716K時(shí),沸騰起始溫度雖然由81降低到76左右,但對(duì)應(yīng)熱流密度卻從q=41443W m2提高到q=43494W m2,這是因?yàn)檫^(guò)冷度越大的液體沸騰時(shí)從壁面帶走的顯熱也越多,液體達(dá)

14、到飽和狀態(tài)所需的熱流密度也就越大.除上述四個(gè)因素以外,影響沸騰傳熱試驗(yàn)的因素還有系統(tǒng)壓力、表面粗糙度、壁面材料的熱物理性質(zhì)、加熱面的尺寸和方向、重力場(chǎng)和加熱面至自由液面的高度等因素.2.2影響沸騰傳熱試驗(yàn)因素的機(jī)理分析由于強(qiáng)潤(rùn)濕性液體獨(dú)有的性質(zhì),浸泡其中的光滑表面沸騰傳熱是不同于常規(guī)液體沸騰時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的行為.據(jù)文獻(xiàn)5報(bào)道,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下用于微電子元件冷卻的液體氣體溶解量可達(dá)到50%(按體積算,這些溶解的氣體大部分被沸騰表面孔穴所捕獲,這不但降低了元件核化所要求的過(guò)熱度,而且從根本上降低了液體熱動(dòng)力學(xué)飽和溫度.例如, M u rp hy和B ergles6發(fā)現(xiàn)在室溫和1×105Pa下溶有

15、空氣的R113,其飽和溫度不再為48而是降低到27.B ar2Cohen認(rèn)為7,溶解的氣體也降低了液體的表面張力.因此,在確定電介質(zhì)的起始沸騰溫度時(shí),必須標(biāo)明是均質(zhì)核化還是異質(zhì)核化以及除氣的影響.除上述特性外,強(qiáng)潤(rùn)濕性液體作為清潔劑而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域等設(shè)備的清洗.它能充分溶解表面的有機(jī)物和有效地去除污垢,從而改變了浸沒(méi)表面的性質(zhì).這就是表面老化與表面粗糙度作用相同的原因.飽和狀態(tài)下按程序C進(jìn)行的沸騰曲線沒(méi)有出現(xiàn)滯后現(xiàn)象是因?yàn)槿夂蟮囊后w來(lái)不及完全潤(rùn)濕傳熱表面,這時(shí)壁面溫度就高于液體飽和溫度;而當(dāng)液體過(guò)冷時(shí),不論是哪種實(shí)驗(yàn)程序液體均可以充分潤(rùn)濕傳熱表面致使孔穴中的氣體被最大限度地排出.現(xiàn)在

16、,傳熱工作者對(duì)光滑表面在強(qiáng)潤(rùn)濕性液體中沸騰時(shí)出現(xiàn)的熱滯后現(xiàn)象已取得了某些一致的意見.文獻(xiàn)1,8等認(rèn)為,影響滯后的主要因素是沸騰表面狀況、液體和傳熱表面的熱性能、系統(tǒng)壓力及加熱程序的熱過(guò)程等.然而,不難理解,上述諸因素對(duì)熱滯后的影響均是通過(guò)固液間的接觸角施加的.下表列出了幾種材質(zhì)和強(qiáng)潤(rùn)濕性液體的靜接觸角8.表強(qiáng)潤(rùn)濕性液體與光滑表面間的靜接觸角(°潤(rùn)濕液體R113R113R113R11FC72FC77FC87接觸表面不銹鋼T i拋光的銅銅不銹鋼Si Si靜接觸角000<500.750.85由表可見,當(dāng)光滑傳熱表面浸泡在強(qiáng)潤(rùn)濕性液體中時(shí),固液間的接觸角非常小甚至為零.B ar2Coh

17、en 和Si m on9在分析了以前有關(guān)熱滯后及溫度過(guò)頭的文獻(xiàn)后指出,傳熱表面沸騰開始是由于來(lái)自蒸氣胚胎和氣體孔穴的氣泡核化的結(jié)果.如果一個(gè)氣泡從孔穴中逸出,那么它周圍的液體會(huì)進(jìn)入孔穴中,而參與潤(rùn)濕液體的前端形狀卻由傳熱表面與潤(rùn)濕液體間的接觸角確定.通常情況下,因接觸角大于孔穴錐角而使液體不能填滿整個(gè)孔穴,由此沸騰表面孔穴能誘捕到殘余氣體而恢復(fù)了活化核心.然而,在相同的沸騰條件下,強(qiáng)潤(rùn)濕性液體可淹沒(méi)一定尺寸大小的孔穴,從而抑制了沸騰表面孔穴的活化.大量的活化核心因被液體淹沒(méi)因而要求更高的過(guò)熱度來(lái)活化更小尺寸孔穴中的殘余氣體來(lái)起沸,否則就必須通過(guò)均質(zhì)核化來(lái)起沸.這與文獻(xiàn)4的意見一致.在沸騰試驗(yàn)中

18、,覆蓋在傳熱面上的冷流體直接影響了傳熱面上溫度邊界層的厚度.一般而言,強(qiáng)潤(rùn)濕性液體的表面張力隨著液體溫度增加而減小8.過(guò)冷度增加,溫度邊界層厚度減薄,同時(shí),液體表面張力增加,孔穴捕捉氣體的能力增強(qiáng),捕捉到氣體胚胎的孔穴尺寸增大,因此,壁面起沸過(guò)熱度下降.2.3 充分發(fā)展核沸騰傳熱曲線的比較圖7核沸騰傳熱曲線的比較4應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)20卷對(duì)沸騰曲線的比較重點(diǎn)在于對(duì)強(qiáng)潤(rùn)濕性液體充分發(fā)展核沸騰曲線的斜率和位置的比較上.圖7示出了圓形自由和浸沒(méi)射流沖擊充分發(fā)展核沸騰曲線的比較情況.由圖可見,本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨液體過(guò)冷度增加而向左上方移動(dòng);與M a和B ergles10的數(shù)據(jù)相比,本文數(shù)據(jù)分布在其兩側(cè);與圓形自

19、由射流沖擊沸騰傳熱數(shù)據(jù)相比11,兩者具有一定的重疊性.3結(jié)論(1強(qiáng)潤(rùn)濕性液體的沸騰傳熱試驗(yàn)受非冷凝性氣體含量、表面老化、試驗(yàn)程序和液體過(guò)冷度等因素的影響;(2隨著非冷凝性氣體含量、沸騰表面老化程度和液體過(guò)冷度的增加,核沸騰曲線均向左明顯移動(dòng);(3對(duì)強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰傳熱試驗(yàn)有影響的因素均是通過(guò)固液間的接觸角施加的;(4核沸騰曲線的比較說(shuō)明強(qiáng)潤(rùn)濕性液體沸騰實(shí)驗(yàn)必須遵循一定的試驗(yàn)程序.參考文獻(xiàn):1Bergles A E,Roh senow W M.T he determ inati on offo rced convecti on su rface bo iling heat tran sferJ.

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