强润湿性液体沸腾试验影响因素的实验研究

1、第20卷第1期2002年3月应用科学学报JOU RNAL O F A PPL IED SC IEN CESV o l .20,N o.1M arch 2002收稿日期:20010112;修订日期:20010505基金项目:国家自然科学基金(59976002;国家重点基础研究发展规划项目(G 2000026300资助项目作者简介:周定伟(1971,男,湖南湘潭人,博士后;马重芳(1940,男,浙江宁波人,教授,博导;刘登瀛(1938,男,四川泸州人,研究员,博导.文章编号:02558297(200201000105强润湿性液体沸腾试验影响因素的实验研究周定伟1,马重芳1,刘登瀛2(1.北京工业大

2、学环能学院,北京100022;2.中国科学院工程热物理研究所,北京100080摘要:就影响强润湿性液体沸腾试验的因素进行了实验研究和机理分析.结果表明:只有遵循一定试验程序的强润湿性液体沸腾实验数据才具有可比性.关键词:沸腾传热;滞后;强润湿性液体中图分类号:T K 172文献标识码: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采用强润湿性液体(如D u Pon t 公司生产的R 113和3M 公司生产的FC 72和L 12378等进行浸没冷却光滑传热表面时会出现常规液体所不具有的热滞后现象,这是因其具有低表面张力、低润湿角及高溶气能力等特性的缘故.而且,试验工质处理与否会直接影响到沸腾传热曲线的斜率及位置,甚至关系到实验现象的有无发生.如以水为工质的沸腾实验,文献1观察到了沸腾热滞后现象,而文献2则没有观察到.迄今为止,大多数传热实验均是用清洁表面来进行的.这是因为沸腾传热的特点之一是某一特定状况下的传热特征受到这一状况之前传热过程的影响.Joudi 和Jam es 3就传热表面上污垢的沉积及复原对

6、核沸腾传热的影响进行了实验研究,发现传热表面因水腐蚀、甲醇氧化的杂质沉积使得沸腾传热数据重现性很差,经过惰气吹洗等表面处理后,数据重现性增加.因此,要对沸腾数据进行比较就必须严格规范沸腾传热实验程序,同时,尽量做到沸腾传热数据是在同一实验装置、从同一传热面上在相近的时间内获取,这样获取的实验数据才是比较可信的.1实验设备及实验程序1.1实验设备及方法图1为实验系统图.工作液体在具有测量、冷却和过滤设备的回路中循环.试验件主要部分是一个10m 厚、面积为5mm ×5mm 的康铜膜,用它作电加热元件及传热表面以模拟电子芯片.用 0108mm 铁康铜热电偶测量康铜膜内表面温度(即壁面温度T

7、 w .图2为实验容器及测量仪表.实验容器顶面开有圆孔,便于喷管在容器内移动.实验中用三维坐标架在三个方向上调节喷管与试件的相对位置,最小位移为10m .图1 实验系统图图2实验容器及测量仪表1.稳压电源2.调压器3.变压器4.电流表5.实验件6.热电偶7.数字电压表8.转换开关9.软橡胶10.三维坐标架11.测量室箱体12.喷嘴热流密度q =(I 2×R S ,S 为传热面积,R 为实验件的电阻,分别由精度为10m 的工具显微镜和直流法精确测量.换热系数h =q (T w -T l ,T w 为壁面温度,T l 为箱体内液体温度.q 和h 的不确定度分别小于5%和515%.1.2强

8、润湿性液体沸腾传热实验程序实验前,先用丙酮清洗实验件表面,然后按照下面的程序进行4.(1表面老化实验中采用三种不同的表面老化方法.A .实验件在室温下浸泡在实验介质中约10h ;B .箱体内的液体在主加热器加热至沸腾后,由辅加热器保持在沸腾状态1h ,同时,实验件在热流密度为2×1042下保持1h ,然后,关闭主、辅加热器,冷却实验件和箱体内的液体015h ;C .加热程序与B 相同,不对实验件和箱体内液体进行冷却而直接开始实验.(2液体除气程序运转整个实验系统,同时开启主加热器将箱体内的液体加热至沸腾并保持1h .逸出的气体(如空气等经过冷凝盘管排出到箱体外,而工作介质经过冷凝后返

9、回箱体.应当指出的是,在实验系统除气时不应对实验件加热.(3池温控制除气后,关闭主加热器,采用冷却器使箱体内的液体保持在过冷状态.(4实验件加热慢慢地增加电流,每次热流密度升高值不超过(12×103W m 2(折合电流值约015A 左右,等到温度稳定后再依次读取下列各参数:壁面温度T w 、射流液体温度T l 、电流I 、箱体内液体温度T b 以及流量Q .对于池沸腾读取一个温度值需2030m in ,而对于射流冲击沸腾只需23m in .(5实验件降温实验件降温时,只需慢慢地减小电流,读数与升温时相同.对于沸腾传热实验,当温度处于沸腾起始点附近时,要缓慢增加实验件功率,以壁温升高0

10、15为准,以便观察温度过头的现象,直至进入充分发展的核态沸腾.2实验结果及讨论2.1影响沸腾传热试验的因素(1非冷凝性气体许多用于微电子元件浸没冷却的液体均具有低表面张力、低润湿角(即接触角和高气体溶解度.溶解在液体中的非冷凝气体(如空气会随着温度的升高而溢出.因此,这些液体的沸腾传热必伴随不规则的核化和壁面温度过头.图3示出了非冷凝气体对L 12378池沸腾传热的影响.实验前不对液体作除气处理,液体中会含有大量非冷凝气体.对于L 12378液体的过冷沸腾而言,壁温升高到45左右即可用肉眼观察到气泡从加热壁面上脱离.与作过除气处理的池沸腾曲线相比,未除气的整个核沸腾曲线向左偏移,沸腾起始温度大

11、大降低,这可从图3中清楚地看到,且过渡沸腾2应用科学学报20卷换热数据显得杂乱无章.当过冷度T sub =24K 时,浸泡在经过除气处理的L 12378液体中的传热面直到84才起沸,相应温度过头值(即起沸对应壁面温度减去起沸后温度降低至最小值时的壁面温度为2615K .图3 非冷凝气体对池沸腾曲线的影响图4表面老化对沸腾曲线的影响(2表面老化表面老化是指沸腾表面在经过较长时间的实验后,沸腾曲线会明显地向左偏移的现象.本文观察到了表面老化对实验结果的影响,如图4所示,实验件在液体中浸泡1h 和10h 后,沸腾传热曲线明显不同,老化后的沸腾曲线向左偏移.对于康铜膜来说,在强润湿性液体中浸泡10h

12、后就可老化完全.(3试验程序图5给出了同一个实验件在两种不同试验程序下获得的数据.由图可见,液体过冷度为T sub =方向r d =2,采用程序A 和B 的沸腾曲线均可见到热滞后现象.文献5研究了同一传热面在饱和及过冷度为15K 时分别依三种程序进行升温和降温的沸腾传热实验.结果表明:依A 、B 两种实验程序获得的饱和沸腾曲线均出现了从单相自然对流到核沸腾过渡的壁温跃降现象,即温度过头,而按程序C 获得的沸腾曲线则没有观察到这一现象;对于过冷沸腾,依三种试验程序可获得相似的沸腾曲线,这表明在过冷状态下实验程序没有明显的影响 .图5试验程序对沸腾曲线的影响(4液体过冷度液体过冷度对池沸腾传热的影

13、响已有过报道,但只限于充分发展的核沸腾,所得到的实验数据也往往自相矛盾.但一般均认为对于以h q 形式给出的沸腾曲线,过冷度没有显著的影响 .图6液体过冷度的影响图6给出了过冷度分别为T sub =1815K 和2716时池沸腾换热情况.液体过冷度增加,沸腾曲31期周定伟等:强润湿性液体沸腾试验影响因素的实验研究线向左移动,这说明过冷沸腾具有更高的换热性能.同时,当过冷度从T sub=1815K增加到T sub= 2716K时,沸腾起始温度虽然由81降低到76左右,但对应热流密度却从q=41443W m2提高到q=43494W m2,这是因为过冷度越大的液体沸腾时从壁面带走的显热也越多,液体达

14、到饱和状态所需的热流密度也就越大.除上述四个因素以外,影响沸腾传热试验的因素还有系统压力、表面粗糙度、壁面材料的热物理性质、加热面的尺寸和方向、重力场和加热面至自由液面的高度等因素.2.2影响沸腾传热试验因素的机理分析由于强润湿性液体独有的性质,浸泡其中的光滑表面沸腾传热是不同于常规液体沸腾时所表现出来的行为.据文献5报道,标准状态下用于微电子元件冷却的液体气体溶解量可达到50%(按体积算,这些溶解的气体大部分被沸腾表面孔穴所捕获,这不但降低了元件核化所要求的过热度,而且从根本上降低了液体热动力学饱和温度.例如, M u rp hy和B ergles6发现在室温和1×105Pa下溶有

15、空气的R113,其饱和温度不再为48而是降低到27.B ar2Cohen认为7,溶解的气体也降低了液体的表面张力.因此,在确定电介质的起始沸腾温度时,必须标明是均质核化还是异质核化以及除气的影响.除上述特性外,强润湿性液体作为清洁剂而广泛应用于航空航天领域等设备的清洗.它能充分溶解表面的有机物和有效地去除污垢,从而改变了浸没表面的性质.这就是表面老化与表面粗糙度作用相同的原因.饱和状态下按程序C进行的沸腾曲线没有出现滞后现象是因为去气后的液体来不及完全润湿传热表面,这时壁面温度就高于液体饱和温度;而当液体过冷时,不论是哪种实验程序液体均可以充分润湿传热表面致使孔穴中的气体被最大限度地排出.现在

16、,传热工作者对光滑表面在强润湿性液体中沸腾时出现的热滞后现象已取得了某些一致的意见.文献1,8等认为,影响滞后的主要因素是沸腾表面状况、液体和传热表面的热性能、系统压力及加热程序的热过程等.然而,不难理解,上述诸因素对热滞后的影响均是通过固液间的接触角施加的.下表列出了几种材质和强润湿性液体的静接触角8.表强润湿性液体与光滑表面间的静接触角(°润湿液体R113R113R113R11FC72FC77FC87接触表面不锈钢T i抛光的铜铜不锈钢Si Si静接触角000<500.750.85由表可见,当光滑传热表面浸泡在强润湿性液体中时,固液间的接触角非常小甚至为零.B ar2Coh

17、en 和Si m on9在分析了以前有关热滞后及温度过头的文献后指出,传热表面沸腾开始是由于来自蒸气胚胎和气体孔穴的气泡核化的结果.如果一个气泡从孔穴中逸出,那么它周围的液体会进入孔穴中,而参与润湿液体的前端形状却由传热表面与润湿液体间的接触角确定.通常情况下,因接触角大于孔穴锥角而使液体不能填满整个孔穴,由此沸腾表面孔穴能诱捕到残余气体而恢复了活化核心.然而,在相同的沸腾条件下,强润湿性液体可淹没一定尺寸大小的孔穴,从而抑制了沸腾表面孔穴的活化.大量的活化核心因被液体淹没因而要求更高的过热度来活化更小尺寸孔穴中的残余气体来起沸,否则就必须通过均质核化来起沸.这与文献4的意见一致.在沸腾试验中

18、,覆盖在传热面上的冷流体直接影响了传热面上温度边界层的厚度.一般而言,强润湿性液体的表面张力随着液体温度增加而减小8.过冷度增加,温度边界层厚度减薄,同时,液体表面张力增加,孔穴捕捉气体的能力增强,捕捉到气体胚胎的孔穴尺寸增大,因此,壁面起沸过热度下降.2.3 充分发展核沸腾传热曲线的比较图7核沸腾传热曲线的比较4应用科学学报20卷对沸腾曲线的比较重点在于对强润湿性液体充分发展核沸腾曲线的斜率和位置的比较上.图7示出了圆形自由和浸没射流冲击充分发展核沸腾曲线的比较情况.由图可见,本文实验数据随液体过冷度增加而向左上方移动;与M a和B ergles10的数据相比,本文数据分布在其两侧;与圆形自

19、由射流冲击沸腾传热数据相比11,两者具有一定的重叠性.3结论(1强润湿性液体的沸腾传热试验受非冷凝性气体含量、表面老化、试验程序和液体过冷度等因素的影响;(2随着非冷凝性气体含量、沸腾表面老化程度和液体过冷度的增加,核沸腾曲线均向左明显移动;(3对强润湿性液体沸腾传热试验有影响的因素均是通过固液间的接触角施加的;(4核沸腾曲线的比较说明强润湿性液体沸腾实验必须遵循一定的试验程序.参考文献:1Bergles A E,Roh senow W M.T he determ inati on offo rced convecti on su rface bo iling heat tran sferJ.

20、JH eat T ran sfer,1964,3(8:365370.2W o lf D H,Incropera F P,V iskan ta R.L ocal jeti m p ingem en t bo iling heat tran sferJ.In t J H eatM ass T ran sfer,1996,39(7:13951406.3Joudi K A,Jam es D D.Su rface con tam inati on,rejuvenati on,and the rep roducib ility of resu lts innucleate poo l bo ilingJ.

21、J H eat T ran sfer,1981,103(8:453460.4M arto P J,L epere V J.Poo l bo iling heat tran sferfrom enhanced su rfaces to dielectric flu idsJ.J H eatT ran sfer,1982,104(5:292299.5Bar2Cohen A,Si m on T W.W all superheatexcu rsi on s in the bo iling inci p ience of dielectric flu idsJ.H eat T ran sfer Engineering,1988,9(3:1931.6M u rphy R W,Bergles A E.P roc1972H eatT ran sfer and F lu id M echan ics In stC.Calif:Stanfo rd U n iversity P ress,1972.7Bar2Cohen A,Tong W,Si m on T W.T heo reticalaspects of nucleate poo l bo iling