基于表面改性方法对自然循环流动沸腾均温性调控研究

摘要

随着新能源技术（如槽式太阳能集热技术等）以及余热深度利用系统的广泛应用，低热流、低流量换热现象越来越受到关注。而且，随着流动沸腾换热现象的应用场合的不断扩展，换热管道水平布置在越来越多场合中应用。在低热流密度太阳能集热系统中，集热管水平布置时，存在气液分层现象，周向方向上，由于气液分层的存在，蒸发段顶部区域与底部区域出现较大温差，周向均温性较差，同时带来恶化传热的效果；在轴向方向上，由于流型转换的原因，轴向出现较大温差，轴向均温性较差，蒸发段周向、轴向均温性均有比较大的改善空间。 本文基于水平布置蒸发段自然循环流动沸腾实验系统，通过化学表面刻蚀方法制备不同浸润性表面，通过不同浸润性组合实现蒸发段周向及轴向均温性调控与改善。蒸发段周向均温性调控采用蒸发段半管超亲水、半管亲水表面修饰；蒸发段轴向均温性调控采用蒸发段局部超亲水、蒸发段复合表面（三种）修饰。 基于蒸发段周向均温性调控目标，采用半管修饰后，蒸发段周向均温性改善明显，1000W功率条件下，最佳调控工况蒸发段周向最大温差由10.4℃下降至4.29℃，周向平均温差由5.4℃下降至3.19℃；在不同功率条件下，蒸发段半管修饰对于蒸发段周向均温性同样改善明显，并且得到了不同功率蒸发段周向调控的最优工况；在改善周向均温性的基础上，半管修饰对于蒸发段传热特性也有明显改善。 基于蒸发段轴向均温性调控目标，采用局部超亲水、复合表面（三种）修饰方法。采用局部超亲水修饰表面，不同功率条件下，蒸发段轴向最大温差相较于原始表面降低二分之一，蒸发段轴向均方差除1500W功率条件下均小于2℃，均温性改善效果较为明显；在改善轴向均温性的基础上，蒸发段传热系数也有较高倍率的提升。采用三种复合表面修饰后蒸发段轴向均温性具有更明显的改善。在1000W功率条件下，蒸发段轴向最大温差接近1℃，蒸发段轴向均方差小于1℃；不同功率条件下，蒸发段轴向均温性改善明显，五种功率条件下蒸发段轴向最大温差均小于1.5℃，五种功率条件下蒸发段轴向最大均方差均小于1℃，并且得到不同功率条件下蒸发段轴向均温性调控最优工况。复合表面修饰在改善蒸发段轴向均温性的基础上，对于蒸发段传热特性也有明显改善。

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