饱和液氮中临界热流密度和最小膜态沸腾热流密度的实验研究

　1998年第6期低　温　工　程No.6　1998 总第106期CRYOGEN ICS Sum　No.106　

饱和液氮中临界热流密度和

最小膜态沸腾热流密度的实验研究

许建俊　华泽钊　刘宝林　傅行军

(上海理工大学制冷与低温研究所　上海　200093)

摘要　用直径为50m m、厚度分别为12,20,30mm的铜平板在液氮中进行了

不同热面方位角(热面水平向下为0°,热面垂直为90°)的淬冷沸腾实验研究。方位角

对临界热流密度、最小膜态沸腾热流密度及其壁面过热度的影响较大。在一定的方位

角下,临界热流密度随平板厚度的增加而增加,但厚度达到一定大小时,其值与厚

度无关。最小膜态沸腾热流密度与厚度呈离散关系。平板厚度对临界沸腾密度和最小

膜态沸腾热流密度所对应的表面过热度的影响较小。

主题词　淬冷沸腾　传热　热流密度　研究

1　引 言

用淬冷法来确定池沸腾热流密度曲线是一个快速、方便、有效的方法,同时淬冷在金属材料的热处理、生物材料的玻璃化保存等方面具有一定的应用背景。Westw ater[1]和lr ving[2]曾用球和热面水平向上的圆柱体在液氮中进行了淬冷沸腾实验,研究了球直径、平板厚度、材料性质对热流密度曲线的影响。在确定热流密度时,方位角也是一个重要的影响参数,文献[3～6]报道了在液氦、R—11、液氮、水中热面向下和倾斜时稳态法获得的核态区和膜态区的实验数据。Guo和EL-Genk[7,8]、本文作者[9]分别研究了在水和液氮中热面方位角对淬冷沸腾的影响。样品大小对沸腾的影响也较大,韩等[10]对小样品进行了淬冷沸腾实验研究,本文作者[11]研究了大小样品淬冷沸腾曲线的特性。在淬冷沸腾中,临界热流密度、最小膜态沸腾热流密度及其壁面过热度对整个沸腾曲线的形态的确定是非常重要的,本文实验研究了平板厚度和方位角对临界热流密度和最小膜态沸腾热流密度的影响。

2　实验装置

实验装置如图1(a)所示,实验装置主要由试件、计算机采集系统、弹射装置等组成。图1

博士研究生。

(b)为试件的示意图,试件是由纯铜圆柱加工而成的平板,直径为50mm ,厚度 1分别为12,20和30m m 。试件的一个端面为淬冷沸腾面,试件其它面用尼龙绝热。尼龙的导热系数较低,是很好的绝热材料,而且在很低的温度下不容易断裂。计算机数据采集系统由计算机和PCL-818高性能数据采集卡组成,用来采集、记录和处理实验数据。弹射装置由连杆、支架、方位角调节盘和液氮容器组成。液氮容器的直径为0.30m 、深为0.4m 。热电偶必须尽量安置在离淬冷沸腾表面不远处,以使热电偶能快速响应淬冷沸腾表面的热流变化。在试件中埋有三对热电偶,热电偶的头部离淬冷沸腾面约2mm 。实验前,先用丙酮将沸腾面擦洗干净,然后进行淬冷实验。实验时将试件快速投入液氮中,同时开始采集数据,计算机采集系统每100m s 对全部

热电偶扫描一次。

图1　实验装置及试件示意图

3　导热反问题方程

铜平板仅有一个端面与周围液体发生沸腾传热,其余面用绝热材料包起,可以被看成是绝热的,且实验发现同一截面上三对热电偶所测得的温度值基本相同,因此,可将平板中的导热过程用下列一维非稳态导热方程组描述:

c

T t = x T x

(1)T (x ,0)=T 0(x ),t =0(2) T x =0,x =L

(3)T (x k ,t i )=Y i

(4)式中x =0为沸腾面,L 为平板的厚度,x k 是测温点的位置,Y i 是在x =x k 处测量到的温度值,要求估算沸腾面x =0处的热流密度值

q (t i )=- T (x ,t i ) x

,x =0(5)因材料热物性与温度有关[12],所以方程组(1)～(5)为非线性非稳态导热反问题,它是由在物体内部实测到的温度值反算表面的热流密度值。求解导热反问题比求解导热正问题困难得多,这是因为:反问题的求解结果对内点的温度测量精度非常敏感,有时较小的温度测量误差也会带来可观的影响;导热是一种扩散过程,内点对边界上的温度或热流变化的响应是经过衰减的,并在时间上有一个滞后过程,所以,求解导热反问题必然会遇到这种阻尼效应和滞后效应所带来的一系列问题。本文采用SFS(sequential functio n specification)[13,14]法求解,详细求解过程可见文献[14]。

24低　温　工　程1998年

4　实验结果及分析

4.1　临界热流密度q CHF

图2是临界热流密度与平板厚度及方位角之间的关系。在相同的平板厚度时,临界热流密度随方位角的增加而增加;在相同的方位角时,临界热流密度随平板厚度的增加而增加。在所试验的三种厚度的平板中,厚度L =12m m 的平板得到的热流密度最小,其次是L =20m m 的平板,而用最厚的平板(L =30mm )得到的临界热流密度最大。图2也显示平板厚度大于一定值时,厚度对临界热流密度几乎无影响,方位角为0°时,三块平板之间的差异较小,但对方位角为90°,平板厚度大于20mm 时,平板厚度对临界热流密度几乎无影响。

上述结果表明淬冷沸腾实验是否可以作为准稳态,与平板厚度有相当大的关系。Westwa-

ter 等[1]在液氮中对热面向上的不同厚度的平板进行了淬冷沸腾实验,得到水平向上平板的无量纲数即B iot 数h CFH L / 大于0.9时,淬冷沸腾就可以被看成准稳态的,对液氮在铜平板上的淬冷沸腾实验,平板的渐近厚度为2.5cm 。它们的结果基本上和我们在方位角为90°时的结果一致;在我们的实验中发现,对方位角小于90°的工况,更小Biot 数时就能得到准稳态工况,也就是说,对较小方位角的工况,用较薄的平板能得到准稳态工况,这主要是薄平板的热流密度小,

表面的水力特征较容易得到发展。

图2　平板厚度对q CHF

的影响图3　平板厚度对q C HF 的影响

4.2　最小膜态沸腾热流密度q min

在淬冷沸腾中,最小膜态沸腾热流密度是非常重要的参数,因为试件的冷却时间的90%以上是在膜态沸腾区。图3为最小膜态沸腾热流密度与平板厚度和热面方位角间的关系。图中显示,平板厚度L =20mm 时得到的最小膜态沸腾热流密度最大,其次是L =12mm 的情况,而在平板厚度为最大时L =30mm 得到的值反而最小。也就是最小膜态沸腾热流密度值并不是像临界热流密度那样随平板的厚度增加而增加。类似的情况在文献[15]中也有报道,Peyay-opanakul 和Westw ater 曾用厚度为51,38.1,25.4,12.7, 6.4, 3.2, 2.6, 1.6, 1.3cm 的平板在液氮中进行了热面向上的淬冷沸腾实验研究,结果是最小膜态沸腾热流密度与厚度成25第6期饱和液氮中临界热流密度和最小膜态沸腾热流密度的实验研究