超声波对池沸腾换热影响的实验研究

摘要

随着科技发展进步，无论从传统高耗能行业节能还是从新兴高技术领域高热流电子器件的散热需求，都对强化换热技术提出了更高的要求，有待于我们进一步发展强化换热的新原理和新技术。超声波作为一种新的有源强化传热技术近十几年来越来越受到重视，在今后的工业应用中有着巨大的潜力，因此有必要对超声波强化传热技术进行研究。
　　本论文主要以实验方法为主，综合超声波和纳米流体两种强化传热技术，研究了超声波对纯水以及纳米流体沸腾传热的影响。本文的主要研究工作和结论如下:
　　(1)设计并搭建了超声波强化传热的池沸腾实验平台，采用Rohsenow经验式对实验系统进行了验证，证明了实验系统所获数据具有合理性。
　　(2)在不同液体过冷度、超声功率和超声辐射距离条件下研究了超声波对池沸腾换热的影响。研究结果表明在低过冷度、高功率和近距离的条件下，超声波强化换热的效果明显，反之强化效果相对较弱，并对其中的强化机理进行了理论分析。
　　(3)分别在液温为60℃、80℃、100℃条件下利用高速摄影对加热表面沸腾过程中气泡动力学进行了可视化研究，深入揭示了超声波强化传热的机理。(4)在没有施加超声波时，研究了不同体积浓度的A12O3和Ag纳米流体对池沸腾换热的影响。结果表明，两种纳米流体较纯水的传热性能都有了大幅度提高，且A12O3纳米流体相对于纯水的平均强化倍率要高于Ag纳米流体;两者都相应地降低了沸腾起始点过热度;且所有浓度的A12O3纳米流体和体积浓度为0.001％的Ag纳米流体的临界热流密度都较纯水有了提高，而浓度为0.0025％、0.005％的Ag纳米流体要低于纯水的临界热流密度。
　　(5)超声波影响纳米流体沸腾换热特性的研究表明:对于所有浓度的A12O3纳米流体，在壁面过热度低于约3℃时，沸腾曲线明显左移;对于不同浓度的Ag纳米流体，在壁面过热度低于8℃时，超声波强化换热效果明显;随着热流密度的增加，进入旺盛核态沸腾阶段时，超声波对两种纳米流体传热性能的影响不显著;相对于不加超声波，沸腾起始点过热度均降低约1℃，但超声波对临界热流密度影响很小。
　　(6)通过扫描电镜分析了光表面以及施加与不加超声波时浓度为0.0025％A12O3和Ag纳米流体沸腾后的表面特性。发现了纳米流体沸腾后的表面均烧结了一层纳米颗粒吸附层，表面粗糙度和空穴密度都较光表面显著增加。在不加超声波时Al2O3沸腾后表面呈多孔质结构，加超声波后表面可以看到裂痕和很多纳米级别颗粒。除了加超声波后表面空穴数目和粗超度都增多增大之外，在有无超声波时Ag纳米流体沸腾后的表面结构相差不大。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 超声波强化换热概述

1．2．1 超声波简介

1．2．2 超声波强化传热的主要机理

1．2．3 超声波强化传热的研究进展

1．3 纳米流体与超声波

1．3．1 纳米流体传热性能的研究

1．3．2 超声波影响纳米流体传热的研究

1．4 本文主要研究内容

第2章 实验装置与方法

2．1 实验装置

2．1．1 实验台简介

2．1．2 沸腾池腔体

2．1．3 主加热器

2．1．4 温控系统

2．1．5 超声系统

2．1．6 采集系统

2．2 实验步骤和方法

2．3 实验数据处理

2．4 实验不确定度分析

2．5 实验系统可靠性验证

2．6 本章小结

第3章 超声波强化纯水沸腾换热

3．1 实验工况

3．2 过冷度的影响

3．2．1 沸腾曲线

3．2．2 气泡动力学特性

3．3 超声功率的影响

3．4 辐射距离的影响

3．5 本章小结

第4章 超声波强化纳米流体沸腾传热

4．1 纳米颗粒选择

4．2 实验工况

4．3 纳米流体的池沸腾换热特性

4．3．1 不同浓度Al2O3纳米流体的换热特性

4．3．2 不同浓度Ag纳米流体的换热特性

4．3．3 不同种类纳米流体的换热特性比较

4．3．4 纳米流体强化传热机理分析

4．4 超声波对纳米流体沸腾换热的影响

4．4．1 超声波对Al2O3纳米流体换热的影响

4．4．2 超声波对Ag纳米流体换热的影响

4．4．3 超声波对不同种类纳米流体换热的影响

4．5 沸腾起始过热度和临界热流密度总结

4．6 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 本文总结

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果

致谢