范曉光，楊磊，張敏

（1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110866；2 遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001）

池沸騰是一種高效傳遞熱量的方法，廣泛應(yīng)用于電氣鍋爐、蒸發(fā)器、電子元件冷卻等工業(yè)領(lǐng)域。核化池沸騰傳熱表現(xiàn)及臨界熱通量（CHF）的觸發(fā)機(jī)理非常復(fù)雜，與流體物性[1]、表面結(jié)構(gòu)[2?4]、潤(rùn)濕性能[5?6]及實(shí)驗(yàn)工況等因素密切相關(guān)。池沸騰系統(tǒng)壓力顯著影響流體物性、沸騰表面核化特性及氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而影響表面?zhèn)鳠嵝阅芗芭R界熱通量，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注。Rainey 等[7]和Kwark 等[8]考察了飽和壓力對(duì)核化池沸騰傳熱的影響，分別測(cè)試了工質(zhì)FC?72在針肋及平滑表面、水在納米涂層表面的沸騰傳熱曲線，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)及臨界熱通量隨著飽和壓力的增大而增加，其規(guī)律與Chen 等[9]和Gorenflo 等[10]的 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 相 似。Sakashita[11]通過(guò)可視化池沸騰實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面有效核化點(diǎn)數(shù)量隨著系統(tǒng)壓力的增大而增加，核化點(diǎn)密度與飽和壓力的1.5 次方成正比。同時(shí)，Sakashita和Ono[12]指出氣泡脫離直徑隨系統(tǒng)壓力的增加而減小，而氣泡脫離頻率受壓力影響較小。Kandlikar等[13]和Mudawar 等[14]分別在低壓及中高壓條件下進(jìn)行了池沸騰傳熱研究，表明系統(tǒng)壓力能夠改善沸騰傳熱表現(xiàn)，在相近的熱通量條件下，表面沸騰所需過(guò)熱度隨壓力的增加而減小。Dahariya 和Betz[15]測(cè)試了水在光滑銅基表面的沸騰傳熱曲線，指出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)飽和壓力不僅影響氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)改變熱邊界層分布，在較高的熱通量條件下，系統(tǒng)壓力對(duì)沸騰傳熱強(qiáng)化效果更為顯著。Alvari?o 等[16]考察了表面粗糙度及操作壓力對(duì)HFE?7100工質(zhì)池沸騰傳熱臨界熱通量的影響，結(jié)果表明，臨界熱通量隨飽和壓力的增加而增大，在較高壓力條件下，粗糙度對(duì)臨界熱通量影響更為強(qiáng)烈。同時(shí)為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)池沸騰傳熱性能及臨界熱通量，學(xué)者們基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論分析，建立了各種沸騰傳熱[17?24]及臨界熱通量[25?32]模型關(guān)聯(lián)式，式中綜合考慮了流體熱物性、表面潤(rùn)濕性、表面粗糙度、導(dǎo)熱材質(zhì)、表面傾角及系統(tǒng)壓力等影響因素。

雖然研究人員對(duì)沸騰表面特性及飽和壓力對(duì)沸騰傳熱性能的影響進(jìn)行了一定研究，但目前缺少HFE?7100 工質(zhì)（具有低全球變暖潛能值、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、無(wú)毒、高潤(rùn)濕性等特點(diǎn)，可作為冷卻介質(zhì)應(yīng)用于電子器件冷卻）池沸騰基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，尤其是針對(duì)納米級(jí)粗糙度的金屬傳熱表面，同時(shí)需要進(jìn)一步深入分析系統(tǒng)飽和壓力對(duì)池沸騰傳熱的影響機(jī)理。因此本文考察了HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的池沸騰傳熱曲線及臨界熱通量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作壓力（絕壓）為0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa 及0.20MPa，沸騰傳熱表面為機(jī)加工的光滑水平銅基表面，其表面平均粗糙度為19nm，HFE?7100工質(zhì)在其上的靜態(tài)接觸角為9.83°。同時(shí)為了考察現(xiàn)有池沸騰傳熱模型關(guān)聯(lián)式用于工程設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，本文將池沸騰傳熱數(shù)據(jù)與相關(guān)預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了分析對(duì)比。

1 系統(tǒng)及過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1是飽和池沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程示意圖，主要包含測(cè)試元件、導(dǎo)熱銅塊及主加熱器、含輔助加熱器的沸騰腔室、冷凝器、以水與R?134a 為導(dǎo)熱介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。沸騰腔室內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣，在冷凝器內(nèi)凝結(jié)，在重力作用下流經(jīng)過(guò)濾器重返沸騰腔室，此循環(huán)在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主加熱器由6 根圓柱狀加熱器（每根加熱功率為250W）組成，置于導(dǎo)熱銅塊內(nèi)；輔助加熱器功率為1250W。池沸騰傳熱表面元件（直徑40mm，高6mm）與導(dǎo)熱銅塊通過(guò)焊錫焊接。實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流量和溫度及輔助加熱器功率來(lái)維持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)。采集系統(tǒng)運(yùn)用10只熱電偶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)溫度，其中6只熱電偶布置于導(dǎo)熱銅塊中心，垂直間距為5mm，用以計(jì)算分析沸騰傳熱通量；一只熱電偶置于測(cè)試元件內(nèi)部，與沸騰表面距離為2.25mm，用來(lái)計(jì)算分析沸騰表面溫度；兩只熱電偶布置于腔室下部（液相區(qū)域），用于監(jiān)控液相工質(zhì)溫度；一只熱電偶置于腔室內(nèi)的中上部（氣相區(qū)域），用于檢測(cè)蒸氣溫度。同時(shí)將壓力傳感器布置于腔室頂部，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏并排除不凝性氣體以降低干擾因素。通過(guò)真空泵對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)抽吸來(lái)排除系統(tǒng)空間內(nèi)及液相工質(zhì)里的不凝氣，當(dāng)測(cè)試壓力與由飽和溫度計(jì)算得到的飽和壓力基本一致后（誤差±0.3%），認(rèn)為已排除系統(tǒng)內(nèi)不凝氣。沸騰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均在穩(wěn)態(tài)下獲取，在特定工況下，當(dāng)檢測(cè)的熱電偶溫度波動(dòng)范圍為±0.2K、壓力波動(dòng)范圍為±2kPa，并能夠持續(xù)穩(wěn)定5min，即視為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 飽和池沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

1.2 表面加工及表征

池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)的納米級(jí)光滑銅基表面由車削機(jī)床（Nanotech 250UPL）加工而成。采用掃描電子顯微鏡檢測(cè)光滑銅基的表面形貌。如圖2 所示，銅基表面平整而光滑。通過(guò)光學(xué)輪廓儀測(cè)定光滑銅基表面的特征參數(shù)，其中平均粗糙度Ra 為19nm，表面峰平均寬度為8.73μm，均方根粗糙度為24nm。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的靜態(tài)接觸角為9.83°，如圖3所示。

圖2 光滑銅基的表面形貌

圖3 HFE?7100在光滑銅基表面的靜態(tài)接觸角

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用6 只熱電偶測(cè)量導(dǎo)熱銅塊中心的溫度分布，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，通過(guò)測(cè)量溫度梯度來(lái)計(jì)算池沸騰傳熱通量，其計(jì)算見(jiàn)式(1)。

式中，Zi是熱電偶位置與導(dǎo)熱銅塊上表面的距離差；-Z是熱電偶測(cè)試位置與導(dǎo)熱銅塊上表面之間的平均距離；Ti是對(duì)應(yīng)位置Zi的測(cè)量溫度；-T 是測(cè)試溫度的平均值；kC是銅的熱導(dǎo)率。

池沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算見(jiàn)式(2)。

式中，TW與TL分別是沸騰傳熱表面溫度及工質(zhì)液相溫度；TW通過(guò)沸騰元件測(cè)試溫度及傳熱通量計(jì)算得到。

沸騰表面TW的計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式(3)。

式中，Tdisc是沸騰元件內(nèi)熱電偶測(cè)試溫度；b為沸騰元件內(nèi)熱電偶溫度測(cè)試位置與沸騰表面的垂直距離，其值為2.25mm。

實(shí)驗(yàn)前采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻與壓力表分別對(duì)熱電偶及壓力傳感器進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)誤差包括直接及間接測(cè)量誤差，其中熱電偶溫度（不確定度為±0.1K）、壓力傳感器測(cè)試值（不確定度為±2kPa）及熱電偶布置位置（不確定度為±0.02mm）均為直接誤差，計(jì)算得到的沸騰傳熱通量及傳熱系數(shù)為間接誤差，根據(jù)Moffat[33]提出的誤差分析方法進(jìn)行計(jì)算[見(jiàn)式(4)～式(6)]。

式中，Xi為直接測(cè)量參數(shù)；δXi為Xi的測(cè)量不確定度；Y 為Xi的函數(shù)；ε 為Y 的實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差。根據(jù)上述誤差分析方法，計(jì)算可知傳熱通量誤差范圍為0.7%～5.9%，傳熱系數(shù)誤差范圍為0.9%～6.5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 池沸騰可視化

典型的池沸騰包括自然對(duì)流、核化沸騰、核化沸騰向膜狀沸騰過(guò)渡及膜狀沸騰階段。本文主要對(duì)核化沸騰及過(guò)渡轉(zhuǎn)換階段進(jìn)行了可視化研究。圖4展示了在飽和壓力為0.15MPa 條件下，HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的沸騰可視化圖像。

由圖4可知，在較低熱通量條件下，沸騰表面有效核化點(diǎn)數(shù)量較少，氣相主要以孤立氣泡形態(tài)呈現(xiàn)于沸騰表面，處于孤立氣泡生成階段，未發(fā)生明顯合并，氣相核化點(diǎn)密度隨熱通量的增大而增大，如圖4(a)、(b)、(c)所示；隨著熱通量的逐步增大，沸騰核化點(diǎn)密度不斷增大，氣泡開始合并，在表面形成大氣泡及氣柱，此時(shí)處于沸騰充分發(fā)展合并階段，如圖4(d)、(e)、(f)所示；當(dāng)沸騰表面熱通量達(dá)到臨界熱通量后，表面沸騰更為劇烈，生成體積量更大的蘑菇狀氣泡，如圖4(g)所示；超出臨界值后，熱通量隨過(guò)熱度的增加而有所下降，核化沸騰開始向膜狀沸騰發(fā)生轉(zhuǎn)換，處于過(guò)渡轉(zhuǎn)換階段，此時(shí)沸騰表面基本由氣膜覆蓋，氣泡不斷脫離氣膜，如圖4(h)所示，在此階段，沸騰傳熱熱阻明顯增加，導(dǎo)熱銅塊內(nèi)部熱量無(wú)法有效傳遞，致使其溫度顯著升高。不同飽和壓力條件下的沸騰可視化圖像相近，但隨著壓力提升，由核化池沸騰向膜狀沸騰的轉(zhuǎn)換明顯延遲。

圖4 光滑銅基表面池沸騰可視化實(shí)驗(yàn)圖像（pSAT=0.15MPa）

2.2 池沸騰傳熱

HFE?7100 工質(zhì)是高潤(rùn)濕性傳熱介質(zhì)，其常壓下沸點(diǎn)（61℃）與FC?72（56℃）工質(zhì)接近，但其沸騰傳熱表現(xiàn)要優(yōu)于FC?72 工質(zhì)[34]。圖5 是4 種不同飽和壓力條件下的HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的池沸騰傳熱曲線。結(jié)果表明，沸騰起始點(diǎn)ONB（以沸騰表面開始出現(xiàn)氣泡進(jìn)行判定）的壁面過(guò)熱度隨著飽和壓力的降低而增大，0.20MPa、0.15MPa、0.10MPa及0.07MPa飽和壓力條件下的沸騰起始點(diǎn)過(guò)熱度分別為5.0K、6.9K、8.4K 和10.5K。同時(shí)，飽和壓力對(duì)沸騰傳熱影響較為顯著，特別是在較高熱通量條件下，隨著飽和壓力的升高，傳熱系數(shù)及臨界傳熱通量明顯增大。以0.07MPa 飽和壓力條件下的傳熱數(shù)據(jù)為衡量標(biāo)尺，0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa飽和壓力條件下的最大傳熱系數(shù)分別提升29%、59%和75%，傳熱系數(shù)的平均提升率分別為24%、50%和63%（選取4種飽和壓力條件下均勻間隔的5 組熱通量25kW/m2、50kW/m2、75kW/m2、100kW/m2和125kW/m2所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比），同時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界熱通量分別提升27%、48%和64%。

圖5 HFE?7100在不同飽和壓力條件下的池沸騰曲線

提升飽和壓力能夠促使傳熱表面易于沸騰并強(qiáng)化沸騰傳熱，這是由于飽和壓力影響沸騰表面有效核化點(diǎn)尺度及核化點(diǎn)密度，并使氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變。同時(shí)，飽和壓力的增加可提升臨界傳熱量，其原因是飽和壓力改變了沸騰工質(zhì)的熱物理性質(zhì)，特別是沸騰工質(zhì)表面張力及氣相密度，一方面使液相工質(zhì)對(duì)沸騰表面再潤(rùn)濕性能產(chǎn)生影響，另一方面改變液相熱邊界層厚度及氣泡串的相互作用[12,15]，從而延遲了沸騰表面氣膜的形成。為量化分析飽和壓力對(duì)池沸騰傳熱的影響，本文運(yùn)用Hsu[35]及Sakashita[36]建立的模型分別計(jì)算了不同飽和壓力條件下，HFE?7100 工質(zhì)在光滑銅基表面池沸騰的表面有效核化點(diǎn)半徑及核化點(diǎn)密度，同時(shí)根據(jù)Kim[37]及Zuber[38]建立的預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)式計(jì)算了氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)的氣泡分離直徑及氣泡脫離頻率。

Hsu[35]根據(jù)理論分析計(jì)算建立的沸騰表面有效核化點(diǎn)半徑預(yù)測(cè)模型見(jiàn)式(7)。

式中，δ 是熱邊界層厚度；σ 為表面張力；Tsat為飽和溫度；ρV為氣相密度；hLV為氣化焓值；β為接觸角；ΔTW為過(guò)熱度。

Sakashita[36]根據(jù)理論分析建立的核化點(diǎn)密度預(yù)測(cè)模型公式見(jiàn)式(8)。

式中，Ja為Jakob數(shù)；cs及m為模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)沸騰曲線獲得；r*為臨界半徑。

Kim[37]基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的氣泡分離直徑預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式見(jiàn)式(9)。

式中，Ja 為Jakob 數(shù)；σ 為表面張力；ρV為氣相密度；ρL為液相密度。

Zuber[38]在氣泡停留時(shí)間等于氣泡生長(zhǎng)時(shí)間的假定條件下，建立了氣泡分離頻率預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，見(jiàn)式(10)。

式中，dbub為氣泡分離直徑；σ為表面張力；ρV為氣相密度；ρL為液相密度；f為氣泡脫離頻率；g為重力加速度。

圖6 是由Hsu 模型[35]計(jì)算所得的光滑銅基表面在不同飽和壓力條件下的有效核化點(diǎn)半徑尺度曲線。模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明，隨著飽和壓力的增加，有效核化點(diǎn)尺度范圍明顯增大。例如，當(dāng)過(guò)熱度為25K 時(shí)，0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa 及0.20MPa飽和壓力條件下的有效核化點(diǎn)半徑范圍分別為0.93～7.01μm、0.72～7.17μm、0.56～7.13μm 和0.41～7.51μm。表面有效核化尺度范圍越大，越利于在沸騰表面形成核化點(diǎn)，使表面易于沸騰并提升沸騰傳熱表現(xiàn)。圖7展示了在不同飽和壓力條件下，通過(guò)Sakashita 模型[36]計(jì)算得到的HFE?7100 工質(zhì)在光滑銅基表面沸騰的核化點(diǎn)密度，由此可知，增大飽和壓力能夠顯著提升表面沸騰核化點(diǎn)密度。當(dāng)過(guò)熱度為15K時(shí)，0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa飽和壓力條件下的核化點(diǎn)密度較0.07MPa條件下的核化點(diǎn)密度分別提升0.6 倍、1.9 倍及3.5 倍，同時(shí)可知沸騰壁面過(guò)熱度越大，核化點(diǎn)數(shù)量增幅越大。

圖6 飽和壓力對(duì)有效核化點(diǎn)半徑尺度的影響

圖7 飽和壓力對(duì)核化點(diǎn)密度的影響

圖8 及圖9 分別展示了由Kim[37]及Zuber[38]模型關(guān)聯(lián)式計(jì)算所得的不同飽和壓力條件下的氣泡分離直徑及氣泡分離頻率。模型計(jì)算結(jié)果表明，飽和壓力對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)有一定影響，隨著飽和壓力的升高，氣泡分離直徑減小，而氣泡分離頻率增大，即在較高的飽和壓力條件下，較小的氣泡能夠更快速地脫離沸騰表面，對(duì)強(qiáng)化傳熱起到積極促進(jìn)作用。飽和壓力能夠引起氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)改變的原因是其改變了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)氣液兩相流體的力學(xué)平衡，使表面張力、浮升力、慣性力及黏性力對(duì)氣泡的作用強(qiáng)度發(fā)生變化。

圖8 飽和壓力對(duì)氣泡分離直徑的影響

圖9 飽和壓力對(duì)氣泡分離頻率的影響

2.3 池沸騰傳熱數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型比較

將HFE?7100工質(zhì)在水平光滑銅基表面池沸騰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)傳熱及臨界熱通量預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)式的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。選取的池沸騰傳熱[17?24]及臨界熱通量[25?32]預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)式如表1所示。

圖10 展示了本研究池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)式[17?24]預(yù)測(cè)數(shù)值的對(duì)比結(jié)果。由圖10 可知，Jabardo 等[22]與Li 等[23]建立的模型分別對(duì)0.07MPa 及0.10MPa 飽和壓力條件下的池沸騰傳熱數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，其平均絕對(duì)偏差分別為5.85% 及11.21%；而Forster 和Zuber[18]建立的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果與0.15MPa 及0.20MPa 飽和壓力條件下的數(shù)據(jù)更為接近，其平均絕對(duì)偏差分別為11.47%及12.49%。相對(duì)而言，F(xiàn)orster 和Zuber[18]模型對(duì)4 種工況條件下總體預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確，其絕對(duì)偏差為13.23%。由此可見(jiàn)，在預(yù)測(cè)模型中引入可以代表系統(tǒng)壓力的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并有效關(guān)聯(lián)受到飽和壓力顯著影響的工質(zhì)熱物性參數(shù)能夠更為準(zhǔn)確合理地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 池沸騰傳熱及臨界預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)式

圖11 為池沸騰臨界熱通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè) 數(shù) 值[25?32]的 比 較 結(jié) 果， 其 中Guan 等[27]、Kutateladze[26]、Kim 等[30]及Bailey 等[29]模型分別能夠相 對(duì) 準(zhǔn) 確 預(yù) 測(cè)0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa 及0.20MPa實(shí)驗(yàn)條件下的臨界熱通量，其平均絕對(duì)偏差分別為3.15%、1.56%、1.37%及1.17%。總體而言，Guan等[27]能夠相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)4種工況下的臨界熱通量，相較其他模型而言，更突顯傳熱工質(zhì)氣液兩相密度的影響，其平均絕對(duì)偏差為4.59%。通過(guò)對(duì)傳熱及熱通量預(yù)測(cè)模型計(jì)算可知，能夠反映流體物性、表面接觸角、表面粗糙度及飽和壓力的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度具有重要影響。

3 結(jié)論

圖10 HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的池沸騰傳熱系數(shù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)值比較

本文對(duì)不同飽和壓力條件下，HFE?7100 工質(zhì)在納米級(jí)粗糙度光滑銅基表面的池沸騰可視化及傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)涵蓋了核化池沸騰至核化沸騰向膜狀沸騰轉(zhuǎn)換的過(guò)渡階段。運(yùn)用模型分析了飽和壓力的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，并將池沸騰實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相關(guān)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比分析。主要得到以下結(jié)論。

圖11 HFE?7100工質(zhì)在光滑銅基表面的池沸騰臨界熱通量與模型預(yù)測(cè)數(shù)值比較

（1）可視化研究表明，隨著熱通量的增加，池沸騰由沸騰孤立氣泡生成階段向沸騰充分發(fā)展合并階段轉(zhuǎn)換，隨著熱通量的不斷增加，開始呈現(xiàn)核化沸騰向膜狀沸騰轉(zhuǎn)換的過(guò)渡狀態(tài)，而飽和壓力的提升能夠延遲膜狀沸騰的發(fā)生。

（2）飽和壓力顯著影響池沸騰傳熱表現(xiàn)，高壓條件下的傳熱表面易于沸騰，傳熱性能得到提升。0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa飽和壓力條件下的最大傳熱系數(shù)較0.07MPa飽和壓力條件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別提升29%、59%和75%，傳熱系數(shù)的平均提升率分別為24%、50%和63%，而臨界熱通量分別提升27%、48%和64%。模型分析結(jié)果表明，飽和壓力的提升，能夠增大表面有效核化點(diǎn)半徑尺度范圍及核化點(diǎn)密度，提升氣泡脫離頻率，降低氣泡脫離直徑，從而明確了提升飽和壓力能夠強(qiáng)化池沸騰傳熱的作用機(jī)理。

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)值的對(duì)比結(jié)果表明，F(xiàn)orster 和Zuber[18]及Guan 等[27]分別建立的池沸騰傳熱系數(shù)及臨界熱通量模型能夠相對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)本研究4種工況下的池沸騰傳熱數(shù)據(jù)，其預(yù)測(cè)平均絕對(duì)偏差分別為13.23%及4.59%。上述模型可用于強(qiáng)潤(rùn)濕性工質(zhì)在光滑金屬表面的池沸騰傳熱表現(xiàn)的預(yù)測(cè)。

符號(hào)說(shuō)明

b—— 熱電偶測(cè)試位置與沸騰表面的垂直距離，mm C，c—— 關(guān)聯(lián)式常數(shù)

Csf—— Rohsenow固液兩相關(guān)聯(lián)式系數(shù)

cp—— 定壓比熱容，J/(kg·K)

dbub—— 氣泡分離直徑，m

hLV—— 汽化焓值，J/kg

h—— 傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

Ja—— Jakob數(shù)

k—— 熱導(dǎo)率，W/(m·K)

M—— 分子量

Pf0—— 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，1/(m·K)

PrL—— 液相普朗特?cái)?shù)

pr—— 折算壓力

psat—— 飽和壓力，MPa

q—— 傳熱通量，kW/m2

Rp,old—— 粗糙度，nm

r*—— 臨界半徑，m

Sm—— 表面峰平均寬度，μm

Tsat—— 飽和溫度，K

α—— 熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

β—— 接觸角，o

θ—— 表面傾角，o

ρ—— 密度，kg/m3

σ—— 表面張力，N/m

μ—— 黏度，Pa·s

δ—— 熱邊界層厚度，m

下角標(biāo)

0—— 比較基準(zhǔn)值

C—— 銅

CHF—— 臨界熱通量

disc—— 測(cè)試元件

L—— 液相

s—— 固體傳熱表面

V—— 氣相