微坑强化表面沸腾实验装置与测试

摘要

池沸腾强化换热技术是传热领域中一个非常重要的方面。随着微纳米加工技术的成熟和应用，工业领域已经能够实现对各种微纳尺度表面结构的加工，并应用于强化传热的研究。在沸腾实验表面布置不同物理参数的微坑阵列是一种有效的强化传热技术手段，能够使传热性能得到有效地提高，大幅度地提高换热效率。 为了探究不同微坑阵列表面的沸腾传热性能，本文搭建了可视化池沸腾实验平台，其主要包括测试腔体、电加热系统、数据测量系统和图像拍摄系统等四个部分。其中，沸腾实验腔体和测试铜柱完全自主设计加工而成，同时也是实验系统的主要部件；数据测量系统用以显示测试铜柱的动态温度变化数据；图像拍摄系统对不同加热稳态下的沸腾表面的气泡生长和脱离进行拍摄和存储。另外，对本实验系统进行了误差分析，发现沸腾测试表面热流密度测量的相对误差为2%；随着热流密度增大，整个实验系统的散热损失也越大，但其相对误差是逐渐减小的。 本文采用去离子水作为沸腾实验工质，分别探究了表面微坑阵列的直径、深度和间距对测试表面换热性能的影响。测定了不同微坑阵列沸腾表面的传热性能，通过对比分析了不同微坑阵列表面与光滑表面的沸腾实验数据。 实验结果表明，本文搭建的沸腾实验台可以完成对不同微坑阵列沸腾表面传热性能的定量测试和定性观察。与光滑表面相比，微坑阵列能够明显的提高沸腾表面的传热性能。不同的热流密度下，不同类型的微坑阵列沸腾表面温度相对于光滑表面均有不同程度的降低，沸腾传热系数相对光滑表面增大。当微坑的直径大小在150-350μm范围内变化时，微坑阵列表面的沸腾传热性能随着微坑直径的增大而提高；当微坑的深度由100μm增加至300μm时，微坑阵列表面的沸腾传热性能却逐渐降低；微坑间距为2500μm的沸腾表面相对于间距为2000μm和3000μm的微坑阵列沸腾表面的强化效果略好，但并不显著。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 沸腾强化传热的研究背景及意义

1.2 池沸腾分区及机理

1.3 微坑表面简述

1.4 沸腾强化换热研究现状

1.4.1 多孔结构表面对沸腾传热的影响

1.4.2 微加工表面对沸腾传热的影响

1.4.3 汽化核心分布对沸腾传热的影响

1.5 本文主要研究内容

2 池沸腾实验系统设计

2.1 沸腾传热基本原理

2.2 实验系统设计

2.2.1 测试腔体

2.2.2 电加热系统

2.2.3 数据测量系统

2.2.4 图像拍摄系统

2.3 黄铜柱的设计

2.4 防水性设计

2.5 保温材料的选择

2.6 热电偶的标定

2.7 误差分析

2.7.1 温度测量

2.7.2 材料加工误差

2.7.3 电流电压测定误差

2.7.4 热流密度计算误差

2.7.5 系统的散热损失

3 沸腾传热性能测试和分析

3.1 实验前的准备

3.2 实验步骤

3.3 实验系统的验证

3.4 微坑阵列表面的池沸腾传热性能

3.4.1 微坑直径对池沸腾换热性能的影响

3.4.2 微坑深度对池沸腾换热性能的影响

3.4.3 微坑间距对池沸腾换热性能的影响

3.5 微坑阵列表面的强化机理与气泡动力学分析

4 总结与展望

4.1 结论

4.2 研究展望

参考文献

附录 实验仪器及材料列表

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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