维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第５期 工程热物理学报 Ｖｏ１．２３．ＮＯ．５ ２００２年９月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＴＨＥＲＭＯＰＨＹＳＩＣＳ Ｓｅｐ．，２００２ 多子Ｌ表面开槽影响池沸腾传热的 实验研究 吴 伟 杜建华 王补宣 （清华大学热能工程系， 北京１０００８４） 摘要 本文报道了开槽密度对ＲＩＩ在烧结多孔表面池沸腾换热性能影响的实验研究。观察发现，多孔表面开槽，让蒸汽 从槽道逸出、液体从多孔区吸入到受热面，将增强池沸腾换热。沸腾特征可分为液体灌注、槽道起泡、底部蒸干三个区。 对特定的多孔层，合理开槽可获得较好的换热效果。带槽道的多孔表面实验件与均匀多孔表面相比，在相同壁面过热度条 件下，热流密度提高２一ｌ０倍，临界热流密度提高２—４倍。 关键词毛细多孔表面；沸腾换热；开槽 中图分类号：ＴＫ１２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３－２３１Ｘ（２００２）０５—０５８９－０４ ＢｏＩＬＩＮＧ ＨＥＡＴ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ｏＮ ＰｏＲｏＵＳ ＣｏＡＴＥＤ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＷＩＴＨ ＶＡＰｏＲ ＣＨＡＮＮＥＬＳ ＷＵ Ｗ＿ｅｉ ＤＵ Ｊｉａｎ．Ｈｕａ ＷＡＮＧ Ｂｕ Ｘｕａｎ （Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＢｅＵｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｎ ｐｏｒｏｕｓ ｃｏａｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ ＷａＳ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｔｈｒｅｅ ｒｅｇｉｍｅｓ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ：ｌｉｑｕｉｄ ｆｌｏｏｄｉｎｇ，ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ，ａｎｄ ｄｒｙ－ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ ＷａＳ ｍｕｃｈ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｆｏｒ ａｎ ｏｐｔｉｍｕｍ ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＷａＳ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｉｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｅｒｅ ｏｐｅｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ，ｖａｐｏｒ ｃｏｕｌｄ ｅｓｃａｐｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｈｉｌｅ ｌｉｑｕｉｄ ｓｕｃｋｅｄ ｂｙ ｐｏｒｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｈｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｔｗｏ－ｐｈａＳｅ ｒｅｇｉｏｎ ｗｉｌｌ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｐｏｏｌ ｌｉｑｕｉｄ ａｔ ａ ｇｉｖｅｎ ｆｌｕｘ．Ｔｈｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｃａｐｉｌｌａｒｉｔｙ ｐｌａｙｓ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｉｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｃｒｅａＳｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｂｏｉｌｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｐｏｒｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅｓ；ｖａｐｏｒ ｃｈａｎｎｅｌｓ １引 口 多孔表面沸腾换热受到沸腾工质、表面材料、 沸腾换热现象，因其所需过热度小，换热强的 几何结构和尺寸、环境状况等众多因素的影响，利 特点，在换热技术中得到非常广泛的应用。而在制 用多孔表面强化池沸腾传热的设想源于汽化核心数 冷、石油、化工等领域广泛使用的低沸点工质，其沸 的增加和毛细作用的考虑，多孔表面可以有效抑制 腾换热系数相当低，强化这类设备的沸腾换热性能 干斑的扩展而在一定条件下提高临界热流密度。但 就成为改善这类换热设备的关键问题。另外，微电 是，细小孔隙结构也会造成汽体流动阻力增加，在加 子、航天等尖端技术的发展，要求小温差下极大的 热面上容易形成汽膜而降低高热流下的传热系数， 热流，也对沸腾强化提出了更高的要求。国内外有 并提前从核态沸腾向膜态区转变。如果在多孔表面 关多孔表面沸腾换热机理的研究工作，也在广泛地 上开槽，蒸汽就会走槽道，液体走多孔区，将使气液 进行［１ｌ。 流动更有序而使沸腾更加稳定。 收稿日期：２００１—１２—１９；修订日期：２００２—０６—０６ 基金项目：国家自然科学基金重大资助项目（Ｎｏ．５９９９５５５０—３）；清华大学９８５基金资助项目 作者简介：吴 伟（１９７２一），男，硕士生，主要从事多孔介质传热传质的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 工程热物理学报 水进口 抽真空 热电偶 水出口 ２３卷 开槽结构多孔芯沸腾传热已引起一些研究者的 关注。Ｍａｌｙｓｈｅｎｋｏ［ 】曾研究气体通道对沸腾曲线的 影响。Ｍｕｇｈａｌ和Ｐｌｕｎｌｂ＿３ｊ以ＣＰＬ多孔芯体表面蒸 发为对象，用Ｒ１１为工质，对开有１０％一２０％左右 水平槽的多孔表面的沸腾换热进行了实验研究。结 果表明，表面开槽可以提高换热系数２—３倍，合理 的开槽百分数可使沸腾工况更加稳定，并推迟核化 沸腾向膜态区的转化。开槽大小和密度会严重影响 沸腾特性［ ，５】，并且与多种因素有关，需要进行深 入系统的理论和实验研究。 ２实验设计 所设计的实验装置如图１，多孔颗粒为＃８３铜粉 （Ｃｕ８９％Ｓｎ８％Ｐｂ３％），平均颗粒直径见表１，渗透率 数据由厂方随同试样提供，孔隙度根据石蜡浸注量 实测得并经称重法校验。表面尺寸为３０，－￣３０ ｍｍ， 厚３ ｍｍ，铜基板厚为４ ｍｍ，镀２—３＃ｍ厚的镍后 在８６０—９２０。Ｃ无氧炉中用模具烧结成一体。用模 图１实验装置图 铜一康铜热电偶，直径０．２ ｍｍ），热电偶孔的加工偏 差为１０ ｍ，热流密度测量的相对误差为４．２％。距 沸腾表面温度１ ｍｍ断面上均布９个电偶，用以推 算多孔表面上铜基板的温度。另外，在距铜柱顶面３ ｍｍ的四个角还布了４对热电偶，用于监控铜柱顶 具制造的样品孔隙度均为０．３８。实验表面被放在加 热器上的紫铜柱上加热，在铜柱内均匀布置３Ｘ３阵 列的９个热电偶，用傅立叶定律计算通过铜柱的热 流。热电偶的测温误差为０．２。Ｃ（Ｏｍｅｇａ公司生产的 面温度的均匀性。 沸腾容器直径１５４ ｍｍ，高度为 表１ 多孔表面开槽样品表 维普资讯 http://www.cqvip.com ５期 吴伟等：多孔表面开槽影响池沸腾传热的实验研究 ５９１ ２２５ ｍｍ，充液１５０ ｍｍ左右，池内Ｒｌｌ液体饱和 温度由安装在容器内的冷凝器和容器外的辅助加热 器控制，并用两对热电偶测量池内液体饱和温度， 用ｕ型管水银压力计监控容器内压力变化。元件表 面温度及液体温度，通过铜 康铜热电偶测量，热 电偶以及稳压电源信号都由数采仪采集处理。 实验装置安装完后，用丙酮清洗并浸泡２４小 时，除去污垢和油渍。然后抽取真空４０分钟，充灌 Ｒｌｌ，浸泡８小时，以排除不凝气。通过压力表指 示的蒸汽压力值可以和测得的液体温度值相对照， 以判断是否达到饱和。调压器与装置内的辅助加热 器相连，装置上端的铜盘管与进出口水管组成冷却 水回路，在进口管路上装有水调节阀，它们用于调 节沸腾时系统的饱和温度，过冷时加热，过热时冷 却。实验中发现存在起动热滞后现象（但因是开槽多 孔表面故不明显），为消除它的影响，采取热流逐渐 减少的加热方式。即实验开始时，先将加热功率调到 最大值，待表面充分沸腾后，再逐渐减小加热功率， 进行实验测试。加热热流密度范围为５０００ ６０００００ Ｗ／ｍ 。加热功率每减少一次，要等待１０￣３０分钟 左右，待系统稳定（根据加热功率推算出的热流密度 值与热电偶阵列测得的热流密度值基本相等时），再 检测数据。同时观察表面的起泡状况。实验装置整 体用１５ ｍｍ厚泡沫塑料隔热，以减少热损失。 ３实验现象及结果分析 为检验实验的可靠性，先对光表面进行了测试， 与文献［１］结果基本一致，如图２。从观察中发现， 过热度大于ｌ。Ｃ就有气泡产生。升热流与降热流沸 腾曲线呈８字型，有轻微滞后，槽开的越多，滞后越 明显，但与均匀多孔表面相比，滞后现象不明显，见 图３ 其它实验曲线均为降热流曲线。 图２开通槽样品示意图 量 ≥ 。ｌ 一 × 图３ Ｒｔｔ在光表面沸腾曲线 所有多孔表面实验件的沸腾状态都可分为三个 区。过热度小于３。Ｃ时多孔介质处于液体灌注区， 每排槽道都有数个发泡点，发泡点位于槽道和多孔 介质交界面处。由于交界面处为不连续界面，温度 场也不是连续的，加上界面处活化凹坑的存在，造 成滞后现象不明显。随过热度减小，部分发泡点停 止起泡，当过热度小于１。Ｃ时停止沸腾。这时，多 孔介质对沸腾换热的强化作用很小，不同表面之间 的换热性能区别也不大。过热度在３ １５。Ｃ之间， 仅在槽道起泡，起泡点彼此之间的间隔并不均匀， 有的两三个联在一起，随着热流密度的增加，发泡 点数量增多，起泡频率也在增加，且起泡频率大大 高于光表面，不同结构表面的换热系数区别明显。 过热度大于１５。Ｃ后，随着过热度增大，非槽道表面 的起泡不断增多，最终引发多孔表面底部蒸干。值 得说明的是，在表面过热度大于１５。Ｃ以后，６个测 点的温度差变大，表明多孔层底面有干斑产生，只好 使用平均值的办法，对开槽多少的效果进行比较。在 过热度超过３０。Ｃ左右时（随多孔表面厚度和开槽情 况不同而有所差异），因为测点温差大于２０。Ｃ，认 为达到临界热流密度【引。对于２５０ ｍ，１１０ ｍ，６５ ｍ颗粒，临界热流密度３．５×１０ Ｗ／ｍ０，２．０×１０ Ｗ／ｍ 和１．０×１０ Ｗ／ｍ 。此时，几乎所有表面起 泡并相互融合，带槽道的多孔表面顶部处于蒸干状 态。 带槽道的多孔表面实验件与均匀多孔表面相 比，在相同壁面过热度条件下，热流密度提高２ ｌ０ 倍，临界热流密度提高２ ４倍。２５０ ｍ带槽道的 多孔表面临界热流密度为３．５×１０ Ｗ／ｍ。，比光表 面提高１．５倍左右（随多孔表面厚度和开槽情况不同 而有所差异）。光表面临界热流密度使用Ｚｕｂｅｒ的公 式［ 对于开槽开到底的样品，从图４看出，对于 １１０＃ｍ，开２８％的面积百分比的槽最好；图５中， 维普资讯 http://www.cqvip.com ５９２ 工程热物理学报 ２３卷 对于２５０ ｍ，开１６％槽比２１％和１３％要好。图 ６看出，对于６５＃ｍ，开３８％的面积百分比的槽最 好。从样品的实验结果看出，开槽面积百分比随颗 粒直径减小和沸腾热流减小而增大。根据文献［４】的 模型，对于２５０ ｍ，ｉｉ０ ｍ，６５ ｍ颗粒，最优开槽 。ｇ ● ≥ ：、、 。ｌ 一 × Ｔ 一Ｔｓ／。Ｃ 图４ Ｒｌｌ在 ｉｉ０开槽表面沸腾曲线 。ｇ － ≥ ：、、 。ｌ 一 × 一Ｔｓ／￣ｃ 图４ Ｒｌｌ在 ｉｉ０开槽表面沸腾曲线 ｇ ≥ ：、、 。ｌ 一 × 一ＴＪ＇Ｃ 图５ Ｒｌｌ在＃２５０开槽表面沸腾曲线 ｇ ≥ ：、、 。ｌ 一 × 一Ｔ￣／＇Ｃ 图６ Ｒｌｌ在＃６５开槽表面沸腾曲线 面积百分比分别为２１％，１１％，６％，计算出的临界热 流密度１０ Ｘ １０ Ｗ／ｍ ，６．０ Ｘ １０ Ｗ／ｍ 和４．０ Ｘ １０ Ｗ／ｍ 。而从双孔隙模型【０Ｊ计算，上述最优开槽面积 百分比分别为２５％，２２％，１９％，临界热流密度２ Ｘ １０ Ｗ／ｍ ，１．０ Ｘ １０ Ｗ／ｍ 和０．５ Ｘ １０ Ｗ／ｍ 上述模 型开槽面积百分比随沸腾热流减小而减小。文献［５】 对热管进行的实验则有开槽面积百分比随颗粒层厚 度减小和沸腾热流减小而增大 这种矛盾可能由于 文献［４】的模型和双孔隙模型【０］都对光表面的传热 予以忽略产生的。正确揭示最优开槽面积百分比的 模型，有待进一步研究。 参 考 文 献 ［１】Ｒｏｈｓｅｎｏｗ Ｗ Ｍ，Ｈａｒｔｎｅｔｔ Ｊ Ｐ，Ｇａｎｉｃ Ｅ Ｎ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ．ＭｃＧｒａｗ－Ｈｉｌｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ，１９８７ ［２】Ｍａｌｙｓｈｅｎｋｏ Ｓ Ｐ．Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈ Ｂｏｉｌｉｎｇ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， １９９１，３８（２）：８１—８８ ［３】Ｍｕｇｈａｌ Ｍ Ｐ，Ｐｌｕｍｂ Ｏ Ａ． Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｂｏｉｌｉｎｇ ｏｎ ａ Ｗｉｃｋｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ． １９９６，３９：７７１—７７７ ［４】Ｓｔｕｂｏｓ Ａ Ｋ，Ｂｕｃｈｌｉｎ Ｊ—Ｍ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｖｉａ Ｂｏｉｌｉｎｇ ｉｎ Ｐｏｒｏｕｓ Ｌａｙｅｒｓ：Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｖａｐｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌｓ．ＡＳＭＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９９，１２１（２）：２０５—２０９ ［５】Ｈ Ｚ Ａｂｏｕ－Ｚｙａｎ，Ｏ Ａ Ｐｌｕｍｂ．Ｂｏｉｌｉｎｇ ｏｎ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｓｕｒ－ ｆａｃｅｓ Ｃｏａｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌ ＷｉｃＩ【ｓ．ＡＳＭＥ ＨＴＤ一３４９． １１，１９９７，９０－－９５ ［６】杜建华，吴伟，胡雪蛟等．带开槽结构的多孔表面沸腾换 热的双孔隙模型．清华大学学报，２００１，４１（１０）：７８－８１ ［７】Ｋ Ｎ Ｒａｉｎｅｙ，Ｓ Ｍ Ｙｏｕ．Ｐｏｏｌ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｈｅａｔ ｒＴａｎｓｆｅｒ ｆｒｏｍ Ｐｌａｉｎ ａｎｄ Ｍｉｃｏｐｏｒｏｕｓ，Ｓｑｕａｒｅ Ｐｉｎ Ｆｉｎｎｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ ｉｎ Ｓａｔ－ ｕｒａｔｅｄ ＦＣ一７２．ＡＳＭＥ ＨＴＤ一３６４－４．１９９９．２４５－２５４
