強潤濕性液體沸騰試驗影響因素的實驗研究

1、第20卷第1期2002年3月應(yīng)用科學(xué)學(xué)報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基金項目:國家自然科學(xué)基金(59976002;國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(G 2000026300資助項目作者簡介: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:02558297(200201000105強潤濕性液體沸騰試驗影響因素的實驗研究周定偉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.中國科學(xué)院工程熱物理研究所,北京100080摘要:就影響強潤濕性液體沸騰試驗的因素進行了實驗研究和機理分析.結(jié)果表明:只有遵循一定試驗程序的強潤濕性液體沸騰實驗數(shù)據(jù)才具有可比性.關(guān)鍵詞:沸騰傳熱;滯后;強潤濕性液體中圖分類號:T K 172文獻標識碼: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采用強潤濕性液體(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等進行浸沒冷卻光滑傳熱表面時會出現(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、低潤濕角及高溶氣能力等特性的緣故.而且,試驗工質(zhì)處理與否會直接影響到沸騰傳熱曲線的斜率及位置,甚至關(guān)系到實驗現(xiàn)象的有無發(fā)生.如以水為工質(zhì)的沸騰實驗,文獻1觀察到了沸騰熱滯后現(xiàn)象,而文獻2則沒有觀察到.迄今為止,大多數(shù)傳熱實驗均是用清潔表面來進行的.這是因為沸騰傳熱的特點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

6、核沸騰傳熱的影響進行了實驗研究,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)過惰氣吹洗等表面處理后,數(shù)據(jù)重現(xiàn)性增加.因此,要對沸騰數(shù)據(jù)進行比較就必須嚴格規(guī)范沸騰傳熱實驗程序,同時,盡量做到沸騰傳熱數(shù)據(jù)是在同一實驗裝置、從同一傳熱面上在相近的時間內(nèi)獲取,這樣獲取的實驗數(shù)據(jù)才是比較可信的.1實驗設(shè)備及實驗程序1.1實驗設(shè)備及方法圖1為實驗系統(tǒng)圖.工作液體在具有測量、冷卻和過濾設(shè)備的回路中循環(huán).試驗件主要部分是一個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 鐵康銅熱電偶測量康銅膜內(nèi)表面溫度(即壁面溫度T

7、 w .圖2為實驗容器及測量儀表.實驗容器頂面開有圓孔,便于噴管在容器內(nèi)移動.實驗中用三維坐標架在三個方向上調(diào)節(jié)噴管與試件的相對位置,最小位移為10m .圖1 實驗系統(tǒng)圖圖2實驗容器及測量儀表1.穩(wěn)壓電源2.調(diào)壓器3.變壓器4.電流表5.實驗件6.熱電偶7.數(shù)字電壓表8.轉(zhuǎn)換開關(guān)9.軟橡膠10.三維坐標架11.測量室箱體12.噴嘴熱流密度q =(I 2×R S ,S 為傳熱面積,R 為實驗件的電阻,分別由精度為10m 的工具顯微鏡和直流法精確測量.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

8、潤濕性液體沸騰傳熱實驗程序?qū)嶒炃?先用丙酮清洗實驗件表面,然后按照下面的程序進行4.(1表面老化實驗中采用三種不同的表面老化方法.A .實驗件在室溫下浸泡在實驗介質(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,實驗件在熱流密度為2×1042下保持1h ,然后,關(guān)閉主、輔加熱器,冷卻實驗件和箱體內(nèi)的液體015h ;C .加熱程序與B 相同,不對實驗件和箱體內(nèi)液體進行冷卻而直接開始實驗.(2液體除氣程序運轉(zhuǎn)整個實驗系統(tǒng),同時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)過冷凝盤管排出到箱體外,而工作介質(zhì)經(jīng)過冷凝后返

9、回箱體.應(yīng)當指出的是,在實驗系統(tǒng)除氣時不應(yīng)對實驗件加熱.(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)的液體保持在過冷狀態(tài).(4實驗件加熱慢慢地增加電流,每次熱流密度升高值不超過(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 .對于池沸騰讀取一個溫度值需2030m in ,而對于射流沖擊沸騰只需23m in .(5實驗件降溫實驗件降溫時,只需慢慢地減小電流,讀數(shù)與升溫時相同.對于沸騰傳熱實驗,當溫度處于沸騰起始點附近時,要緩慢增加實驗件功率,以壁溫升高0

10、15為準,以便觀察溫度過頭的現(xiàn)象,直至進入充分發(fā)展的核態(tài)沸騰.2實驗結(jié)果及討論2.1影響沸騰傳熱試驗的因素(1非冷凝性氣體許多用于微電子元件浸沒冷卻的液體均具有低表面張力、低潤濕角(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頭.圖3示出了非冷凝氣體對L 12378池沸騰傳熱的影響.實驗前不對液體作除氣處理,液體中會含有大量非冷凝氣體.對于L 12378液體的過冷沸騰而言,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.與作過除氣處理的池沸騰曲線相比,未除氣的整個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,且過渡沸騰2應(yīng)用科學(xué)學(xué)報20卷換熱數(shù)據(jù)顯得雜亂無章.當過冷度T sub =24K 時,浸泡在經(jīng)過除氣處理的L 12378液體中的傳熱面直到84才起沸,相應(yīng)溫度過頭值(即起沸對應(yīng)壁面溫度減去起沸后溫度降低至最小值時的壁面溫度為2615K .圖3 非冷凝氣體對池沸騰曲線的影響圖4表面老化對沸騰曲線的影響(2表面老化表面老化是指沸騰表面在經(jīng)過較長時間的實驗后,沸騰曲線會明顯地向左偏移的現(xiàn)象.本文觀察到了表面老化對實驗結(jié)果的影響,如圖4所示,實驗件在液體中浸泡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.對于康銅膜來說,在強潤濕性液體中浸泡10h

12、后就可老化完全.(3試驗程序圖5給出了同一個實驗件在兩種不同試驗程序下獲得的數(shù)據(jù).由圖可見,液體過冷度為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5研究了同一傳熱面在飽和及過冷度為15K 時分別依三種程序進行升溫和降溫的沸騰傳熱實驗.結(jié)果表明:依A 、B 兩種實驗程序獲得的飽和沸騰曲線均出現(xiàn)了從單相自然對流到核沸騰過渡的壁溫躍降現(xiàn)象,即溫度過頭,而按程序C 獲得的沸騰曲線則沒有觀察到這一現(xiàn)象;對于過冷沸騰,依三種試驗程序可獲得相似的沸騰曲線,這表明在過冷狀態(tài)下實驗程序沒有明顯的影響 .圖5試驗程序?qū)Ψ序v曲線的影響(4液體過冷度液體過冷度對池沸騰傳熱的影

13、響已有過報道,但只限于充分發(fā)展的核沸騰,所得到的實驗數(shù)據(jù)也往往自相矛盾.但一般均認為對于以h q 形式給出的沸騰曲線,過冷度沒有顯著的影響 .圖6液體過冷度的影響圖6給出了過冷度分別為T sub =1815K 和2716時池沸騰換熱情況.液體過冷度增加,沸騰曲31期周定偉等:強潤濕性液體沸騰試驗影響因素的實驗研究線向左移動,這說明過冷沸騰具有更高的換熱性能.同時,當過冷度從T sub=1815K增加到T sub= 2716K時,沸騰起始溫度雖然由81降低到76左右,但對應(yīng)熱流密度卻從q=41443W m2提高到q=43494W m2,這是因為過冷度越大的液體沸騰時從壁面帶走的顯熱也越多,液體達

14、到飽和狀態(tài)所需的熱流密度也就越大.除上述四個因素以外,影響沸騰傳熱試驗的因素還有系統(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影響沸騰傳熱試驗因素的機理分析由于強潤濕性液體獨有的性質(zhì),浸泡其中的光滑表面沸騰傳熱是不同于常規(guī)液體沸騰時所表現(xiàn)出來的行為.據(jù)文獻5報道,標準狀態(tài)下用于微電子元件冷卻的液體氣體溶解量可達到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熱度,而且從根本上降低了液體熱動力學(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,必須標明是均質(zhì)核化還是異質(zhì)核化以及除氣的影響.除上述特性外,強潤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物和有效地去除污垢,從而改變了浸沒表面的性質(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進行的沸騰曲線沒有出現(xiàn)滯后現(xiàn)象是因為去氣后的液體來不及完全潤濕傳熱表面,這時壁面溫度就高于液體飽和溫度;而當液體過冷時,不論是哪種實驗程序液體均可以充分潤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、,傳熱工作者對光滑表面在強潤濕性液體中沸騰時出現(xiàn)的熱滯后現(xiàn)象已取得了某些一致的意見.文獻1,8等認為,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程等.然而,不難理解,上述諸因素對熱滯后的影響均是通過固液間的接觸角施加的.下表列出了幾種材質(zhì)和強潤濕性液體的靜接觸角8.表強潤濕性液體與光滑表面間的靜接觸角(°潤濕液體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,當光滑傳熱表面浸泡在強潤濕性液體中時,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)熱滯后及溫度過頭的文獻后指出,傳熱表面沸騰開始是由于來自蒸氣胚胎和氣體孔穴的氣泡核化的結(jié)果.如果一個氣泡從孔穴中逸出,那么它周圍的液體會進入孔穴中,而參與潤濕液體的前端形狀卻由傳熱表面與潤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,強潤濕性液體可淹沒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因而要求更高的過熱度來活化更小尺寸孔穴中的殘余氣體來起沸,否則就必須通過均質(zhì)核化來起沸.這與文獻4的意見一致.在沸騰試驗中

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,強潤濕性液體的表面張力隨著液體溫度增加而減小8.過冷度增加,溫度邊界層厚度減薄,同時,液體表面張力增加,孔穴捕捉氣體的能力增強,捕捉到氣體胚胎的孔穴尺寸增大,因此,壁面起沸過熱度下降.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20卷對沸騰曲線的比較重點在于對強潤濕性液體充分發(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,本文實驗數(shù)據(jù)隨液體過冷度增加而向左上方移動;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強潤濕性液體的沸騰傳熱試驗受非冷凝性氣體含量、表面老化、試驗程序和液體過冷度等因素的影響;(2隨著非冷凝性氣體含量、沸騰表面老化程度和液體過冷度的增加,核沸騰曲線均向左明顯移動;(3對強潤濕性液體沸騰傳熱試驗有影響的因素均是通過固液間的接觸角施加的;(4核沸騰曲線的比較說明強潤濕性液體沸騰實驗必須遵循一定的試驗程序.參考文獻: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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