不同波纹壁面微细通道沸腾曲线及沸腾起始点研究_罗小平.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期不同波纹壁面微细通道沸腾曲线及沸腾起始点研究罗小平1，樊鹏1，周建阳2，王梦圆1（1 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2 广西大学化学化工学院，广西 南宁 530004）摘要：为了探究不同壁面微细通道内质量通量对沸腾起始点的影响，利用计算机数控技术制得3种不同波纹壁面的微细通道，以R141b为实验工质，在入口温度为33、压力为60kPa的工况下，调节加热板的功率，在质量通量为203.75kg/(m2s)、255.68kg/(m2s)、307.61kg/(m2s)、358.59kg/(m2s)和409.57kg/(m2s)的条件下分别测定3种不同波纹壁面沸腾曲线。通过分析3种微细通道不同质量通量下的沸腾曲线，归纳ONB点的过热度和热通量变化规律，进一步比较在同一质量通量下不同壁面微细通道的沸腾曲线，分析波纹壁面沸腾起始点的过热度减小的原因，最后将实验值与现有的ONB预测模型进行对比，发现Hsu模型预测效果整体较好，但该模型没有关联质量通量因素，本文对3种波纹壁面不同质量通量作用下ONB预测模型进行了研究。研究结果表明：同一种壁面微细通道，随着质量通量增大，ONB点壁面过热度减小；相同质量通量下普通微细通道ONB点的过热度最高，正弦微细通道次之，三角形微细通道最低；本文的ONB预测模型对普通、正弦和三角形微细通道预测平均绝对误差值分别为0.77%、1.91%和2.08%。关键词：微通道；沸腾起始点；波纹壁面；流动沸腾；两相流中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1228-12Boiling curve and onset of nucleate boiling of microchannels with corrugated wallsLUO Xiaoping1，FAN Peng1，ZHOU Jianyang2，WANG Mengyuan1(1 School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2 School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,Guangxi,China)Abstract:In order to explore the influence of mass flow rates on boiling starting point in microchannels with different walls,three kinds of microchannels with different corrugated walls were made by computer numerical control technology.R141b was used as the experimental working medium,and the power of the heating plate was adjusted at the inlet temperature of 33 and the pressure of 60kPa.The boiling curves of three different corrugated walls were measured under the conditions of mass flow rates of 203.75kg/(m2s),255.68kg/(m2s),307.61kg/(m2s),358.59 kg/(m2s)and 409.57kg/(m2s),respectively.By analyzing the boiling curves of each wall microchannel under different mass flow rates,the change rules of superheat and heat flux at ONB point were summarized.Furthermore,the boiling curves of different wall microchannels under the same mass flow rate were compared,and the reason for the decrease of superheat at the boiling starting point of corrugated wall was analyzed.Finally,compared with the existing typical 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0911收稿日期：2022-05-17；修改稿日期：2022-06-07。基金项目：国家自然科学基金（22178118）；广东省自然科学基金（2019A1515011053）。第一作者及通信作者：罗小平（1967），教授，博士生导师，主要研究方向为微通道换热器相变传热、EHD强化沸腾传热及其控制。E-mail：。引用本文：罗小平,樊鹏,周建阳,等.不同波纹壁面微细通道沸腾曲线及沸腾起始点研究J.化工进展,2023,42(3):1228-1239.Citation：LUO Xiaoping,FAN Peng,ZHOU Jianyang,et al.Boiling curve and onset of nucleate boiling of microchannels with corrugated wallsJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1228-1239.12282023年3月罗小平等：不同波纹壁面微细通道沸腾曲线及沸腾起始点研究ONB prediction model,the parameters related to mass flow rate are introduced based on the correlation of Hsu model for correction.The results showed that with the increase of mass flow rate,the measured wall superheat of ONB point decreased for the same kind of wall microchannel.At the same mass flow rate,the superheat of ONB point of ordinary microchannel was the highest,followed by sinusoidal microchannel,and the superheat of ONB point of triangular microchannel was the lowest.Compared with six typical ONB forecasting models,it was found that the overall forecasting effect of Hsu model was good,especially the average absolute error of triangular microchannel was 7.56%.Based on the correlation of Hsu model,the average absolute error of ordinary,sinusoidal and triangular microchannels was 0.77%,1.91%and 2.08%,respectively,which improved the forecasting accuracy of ONB superheat of corrugated microchannels.Keywords:microchannels;onset of nucleate boiling;corrugated walls;flow boiling;two-phase flow近年来，核研究反应堆、超级计算机系统、高功率激光、热交换器、聚变能源、微电子机械系统等领域对换热要求越来越高，伴随微型仪器的迅速发展，高效、紧凑的微细通道换热设备已得到广泛应用1-3。Wan等4和Foo等5设计了不同的流动沸腾对比实验，发现在相同工况下波纹壁面微细通道的传热效率都比水平壁面微细通道的传热效率高。李蔚等6通过实验研究不同微结构表面过冷沸腾的沸腾曲线、平均传热系数和两相流流型，结果表明，在单相对流换热区域，12m高度纳米线表面的换热特性优于4m高度纳米线表面，两相沸腾发生后，12m 高度纳米线表面的换热性能变低。Pehlivan等7发现波纹壁面微细通道延长了工质流动的有效长度，增大了接触面积，使两相更好地混合，强化了传热性能。Toghraie等8研究了锯齿状、普通光滑以及正弦3种不同壁面微细通道换热性能的研究，结果表明：在工况一致情况下，正弦微细通道具有较好的传热性能。Hapke等9在1.5mm内径的微细通道内开展了流动沸腾研究，研究了沸腾起始点（onset of nucleate boiling，ONB）壁面过热度在不同热通量和质量通量下的变化规律，并建立了对应的预测公式。Bhide等10利用核态沸腾实验探究了在不同水力直径矩形微细通道中质量通量和水力直径对ONB的影响，实验发现ONB处的热通量随水力直径和质量通量的增大而增大。Ahmadi等11通过高速摄像机研究了过冷水流中核沸腾时的气泡动力学，并将 ONB 的过热度值与几个学者（Davis 和 Anderson，Bergles 和 Rohsenow，Sato、Matsumura和Basu等）的理论关系或相关性得到的值进行比较，结果表明，常压条件下核沸腾开始时的壁面过热度较高。Mchale等12研究了在光滑和粗糙表面上润湿液体池沸腾时的气泡特性，发现随着壁面过热度和表面粗糙度的增加，活性成核点密度也增加，并将实验结果与相关系数进行了比较，但由于不同表面粗糙度指数的差异，单一相关性的预测不是很符合预期结果。罗小平等13设计超疏水、超亲水和普通光滑3种表面的微细通道，研究不同润湿性微细通道对ONB的影响，实验结果表明超疏水表面ONB的过热度最低。Masri等14在饱和丙酮实验条件下，研究了粗糙和超光滑的铝样品表面上的池沸腾传热特性，通过观察不同类型的沸腾起始点，发现在超光滑表面的情况下，需要大量的过热才能开始核沸腾。综上，许多学者分别从宏观和微观角度研究不同结构壁面微细通道的沸腾传热特性，讨论不同工况下微细通道的传热机理，得到宏观结构下波纹壁面具有良好传热特性的结论，也有不少学者探究了不同工质在不同通道内ONB过热度的规律，并与其他学者提出的过热度模型进行对比以及适当进行修正得到新的关联式。基于以上可以看出对于ONB的研究已成为热门课题，探究范围深广，一些学者虽已探究出ONB热通量与质量通量定性规律，也给出不少不同工况下的ONB壁面过热度与热通量之间的关联模型，但对于探究ONB壁面过热度与质量通量之间规律的研究较少，尤其是在波纹壁面微细通道中不同质量通量对ONB壁面过热度影响的报道尚很少见。因此，本文在3种壁面（普通光滑、正弦以及三角形）微细通道内进行流动沸腾实验，实验工质选用R141b，入口温度以及出口处压力分别设定为33和60kPa