【摘要】：有效的提高換熱效率,對于降低能耗、確保發(fā)熱設(shè)備的安全至關(guān)重要。池沸騰換熱因具有需要的輔助設(shè)備少、噪聲小、換熱系數(shù)大等優(yōu)點,被廣泛作為高熱流設(shè)備理想散熱方式。梯度金屬泡沫不僅保留了金屬泡沫比表面積大、擾流能力強等優(yōu)點,其逐漸變大的孔隙結(jié)構(gòu),有助于氣泡逃逸,可以表現(xiàn)出更好的池沸騰換熱性能。本文設(shè)計、搭建了池沸騰實驗臺,并利用高速相機來捕獲池沸騰氣泡行為,研究了梯度金屬泡沫池沸騰換熱與氣泡行為特性。實驗中,金屬泡沫的材質(zhì)為銅和鎳,孔隙率恒為0.98,孔密度變化范圍為5 PPI-100 PPI,厚度變化范圍為2 mm-14 mm,沸騰工質(zhì)為去離子水,不同濃度的SDS、TX-100、正庚醇及Al_2 O_3納米顆粒溶液。在池沸騰換熱特性研究方面,實驗結(jié)果表明:梯度鎳泡沫較單層鎳泡沫顯著地提高了池沸騰換熱能力,但是金屬泡沫厚度、孔密度組合、材質(zhì)及表面活性劑等對沸騰換熱效果均有影響。增加下層鎳泡沫厚度,池沸騰換熱增強,但是對于上層孔密度較大的梯度鎳泡沫,高熱流密度時,下層鎳泡沫厚度變大將惡化換熱。中低孔密度組合的梯度鎳泡沫的池沸騰換熱性能明顯優(yōu)于高低和高中孔密度組合的梯度鎳泡沫。材質(zhì)對梯度金屬泡沫池沸騰換熱性能影響取決于熱流密度大小,低熱流密度時,銅-鎳梯度金屬泡沫換熱能力更強。添加SDS可以增強池沸騰換熱,濃度增加,強化效果減弱;TX-100強化效果不如SDS,甚至?xí)夯序v換熱。Al_2 O_3納米顆粒會抑制池沸騰換熱,因為Al_2 O_3納米顆粒在沸騰過程中發(fā)生沉積,且沉積層的導(dǎo)熱率更低。在氣泡行為特性研究方面,實驗結(jié)果表明:SDS使梯度金屬泡沫池沸騰氣泡脫離直徑變小、膨脹速率變大、生成速率增大,且TX-100活化性能更強。正庚醇增大了銅表面潤濕性,不利于換熱,觀察其在梯度金屬泡沫內(nèi)池沸騰時氣泡脫離行為發(fā)現(xiàn):低熱流密度時,脫離的氣泡依附在金屬骨架,或是靜止或是滑移,氣泡直徑變小直至消失;增大熱流密度,氣泡以破裂和整體滑移兩種常見形式脫離金屬泡沫骨架阻礙;當(dāng)熱流密度增加到1.0×10~5 W·m~(-2)時,相鄰氣泡在梯度金屬泡沫內(nèi)發(fā)生合并,形成一個較大的氣泡,并最終脫離金屬泡沫。在數(shù)值模擬方面,建立了二維簡化的梯度金屬泡沫幾何模型,重點研究了氣泡在金屬泡沫內(nèi)的脫離規(guī)律,模擬結(jié)果表明:梯度金屬泡沫上層變大的孔隙有助于氣泡脫離,且氣泡上下表面速度振蕩變得更加明顯。但是兩層金屬泡沫接口處骨架的排列方式會影響氣泡的運動,如果出現(xiàn)明顯的叉排骨架,氣泡頂部將受到金屬骨架阻礙,發(fā)生破裂,不利于氣泡脫離。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

（a） （b）圖 1-1新型超輕多功能材料-金屬泡沫Fig. 1-1 New ultralight multi-functional material——metal foams不過大量研究表明，金屬泡沫池沸騰換熱性能受到孔密度、孔隙率和沸騰工物性等因素的影響。這是因為金屬泡沫內(nèi)部生成的氣泡脫離會受到金屬泡沫骨以及工質(zhì)液體的阻力，如果金屬泡沫過厚或者孔密度較大，氣泡脫離阻力更為顯，嚴(yán)重影響氣泡的正常逃逸，導(dǎo)致沸騰換熱惡化，金屬泡沫的沸騰換熱性能至低于光滑平板的換熱性能[14,15]。雖然在金屬泡沫上開槽提供氣泡脫離通道，者往沸騰工質(zhì)里加入表面活性劑等措施可以改善氣泡脫離情況，但改善效果有，尤其是在金屬泡沫上開槽會破壞金屬泡沫原有的形態(tài)結(jié)構(gòu)。而梯度金屬泡沫但保留了均勻金屬泡沫換熱比表面積大、擾流能力強等優(yōu)點，其逐漸變大的孔結(jié)構(gòu)，有助于氣泡逃逸。兼顧更大的換熱比表面積同時減小氣泡脫離遇到的阻，可以表現(xiàn)出更好的換熱性能。在這一背景下，研究梯度金屬泡沫池沸騰換熱重要意義。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

第一章 緒論隨著生產(chǎn)、加工技術(shù)的提高，人們可利用等離子體涂層、微機電系統(tǒng)制造、加工表面、電化學(xué)等手段制造出各種形態(tài)的表面多孔結(jié)構(gòu)，以此來探究多孔表面對池沸騰換熱的強化[24,25]。Saeidi 等人[26]通過陽極氧化處理在鋁樣本表面生成納米層，并以去離子水為工質(zhì)進(jìn)行實驗，測量了它們的臨界熱流密度與池沸騰傳熱系數(shù)。與沒有經(jīng)過處理的表面相比，有納米層的換熱面的臨界熱流密度提高了 8%，池沸騰換數(shù)提高了 159%。Xu 等人[27]通過電化學(xué)的方法制備了三種類型的復(fù)合多孔層表面，如圖 1，實驗結(jié)果表明，隨著多孔層的厚度和表面潤濕性增大，池沸騰傳熱系數(shù)與熱流密度也相應(yīng)增加。此外， Saeidi 等人[28-30]的研究也都證實了表面多孔結(jié)使池沸騰換熱能力有不同程度的提高。

圖 1-3鉍多孔表面可以提高池沸騰換熱性能3 Heat transfer performance of pool boiling is enhanced by Bi porous surf人[33]通過實驗發(fā)現(xiàn)，一個厚度呈周期變化的多孔加熱表面（熱系數(shù)可達(dá) 0.76-2MW m，是平板池沸騰換熱系數(shù)的三倍孔加熱表面明顯提升了池沸騰換熱能力�？傊�，利用一系工各種各樣的多孔表面，在池沸騰換熱強化領(lǐng)域得到廣泛

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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本文編號：2777913