池內過冷沸騰氣泡行為及傳熱特性研究

胡 成，周 濤,4，陳 寧，陳 娟，丁錫嘉

(1.華北電力大學 核科學與工程學院，北京102206； 2.華北電力大學 核熱工安全與標準化研究所，北京102206；3.非能動核能安全技術北京市重點實驗室(華北電力大學)，北京100206；4.東南大學 能源與環境學院，南京211189)

0 引 言

過冷沸騰作為一種高效的換熱手段，在鍋爐、高溫鋼板冷卻、核反應堆以及超導體線圈冷卻等方面都有著非常廣泛的應用。例如，在核反應堆中，非能動余熱排除系統依靠自然循環來排出堆芯余熱，而自然循環往往離不開過冷沸騰[1]。在超臨界水堆發生破口事故時，過冷沸騰往往會不可避免地出現。文獻[2]對過冷池沸騰換熱的研究取得了較大進展，但由于未考慮傳熱面上的固液接觸機理，因而無法了解沸騰換熱的詳細過程。在過冷池沸騰換熱過程中，氣泡的不斷產生又不斷消失使液體不時受到很大的擾動，固體壁面被液體反復浸潤，從而使得換熱狀況顯著增強。即使在微通道內沸騰[3]，氣泡的行為與過冷沸騰有差異，但都對換熱起著決定性作用。因此，將高速攝像機對過冷池沸騰中氣泡的行為進行可視化研究和實時溫度數據監測系統結合起來定量分析與研究熱流密度對氣泡的行為的影響，揭示過冷池沸騰的傳熱機理是十分有必要的。

1 研究對象

1.1 實驗臺

池內過冷沸騰氣泡可視化實驗臺如圖1所示。

圖1 池內過冷沸騰氣泡可視化實驗臺

圖1中：1為熱流密度顯示器，2和3為熱電偶，4為加熱裝置，5為導熱銅棒，6和7為孔位，8為加熱棒，9為凹槽，10為保溫材料，11為加熱面，12為玻璃缸，13為玻璃缸底部開口，14為冷卻銅圈，15為軟管，16為高速攝像機。

1.2 實驗參數

實驗設置了不同熱流密度以及不同過冷度工況，并根據不同工況的設定值以及實驗數據計算出對應工況下的表面傳熱系數hi(i=1，2，3，…，9)，以反映銅棒加熱面上的換熱強度，如表1所示。

表1 實驗參數

1.3 實驗步驟

實驗壓力為101 kPa，過冷度設定為5～15 ℃，每隔5 ℃為一個單獨的工況，熱流密度q設定為40.1～200.5 kW/m2，每隔80.2 kW/m2為一個單獨的工況。實驗首先在玻璃缸中加入適量水，通過大功率加熱棒和冷卻銅圈來調節水的過冷度；然后梯次調節q，使用高速攝像機拍攝氣泡產生的地點和行為，這樣便可得到不同過冷度、不同熱流密度的池內過冷沸騰氣泡的行為；最后利用牛頓冷卻公式h=q/Δt計算得出對應工況的表面傳熱系數。

2 結果分析

2.1 實驗數據

根據1.3節完成表面傳熱系數的計算，如表2所示。

表2 實驗數據

2.2 不同熱流密度下氣泡的行為現象分析

實驗以液體過冷度為15 ℃的不同熱流密度值為例進行分析。

2.2.1 熱流密度值為40.1 kW/m2時的氣泡行為

將熱流密度值為40.1 kW/m2時的氣泡行為影像經過整理后，如圖2所示。

從圖2可以看出，這時氣泡的行為基本上是屬于氣泡的穩定孤立狀態，在這種穩定孤立的狀態下，氣泡的換熱強度十分有限，主要是依靠Marangoni對流[4]和自然熱對流來進行熱量的傳遞，可以看到氣泡B1和氣泡B2的表面波動十分微弱，氣泡的振蕩幅度變化微小，使得液體所受的擾動有限，導致表面傳熱系數(h3=1.685 kW/(m2·K))較小。

圖2 熱流密度40.1 kW/m2時氣泡行為

2.2.2 熱流密度值為200.5 kW/m2時的氣泡行為

將熱流密度值為200.5 kW/m2時的氣泡行為影像經過整理后，如圖3所示。

從圖3可以看出，此時的氣泡已經開始發生劇烈的形變，無論是振蕩頻率還是振蕩幅度都較之前的工況更加劇烈，氣泡的尺寸也增大了一些，氣泡B2上下波動的現象十分明顯；從圖3(a)可以看出，在氣泡劇烈波動的同時，還會有氣泡脫離的現象發生；從圖3(b)可以看出，在該工況下，氣泡聚并[5]的頻率也會增加，聚并時氣泡的波動也更加劇烈；這時的表面傳熱系數(h9=6.345 kW/(m2·K))較大，表明池內過冷沸騰的換熱效果與氣泡的行為是密不可分的。

圖3 熱流密度200.5 kW/m2時氣泡行為

2.2.3 對比分析

從圖2、圖3可以看出，氣泡的行為有著肉眼可見的明顯變化，隨著熱流密度的增加，氣泡的波動逐漸劇烈，尺寸逐漸增大，對流體的擾動加強，因此換熱效果也會得到強化。

2.3 不同熱流密度下表面傳熱系數變化分析

當液體過冷度為15 ℃時，表面傳熱系數隨熱流密度的變化如圖4所示。

圖4 液體過冷度為15 ℃，表面傳熱系數隨熱流密度的變化

從圖4中可以看出，隨著熱流密度的增加，表面的傳熱系數也在不斷增加，同時氣泡的行為也在不斷發生著變化，如2.2節所描述。隨著熱流密度的增加，氣泡的產生頻率顯著加快，波動頻率顯著加快，波動幅度增加并逐漸頻繁地出現聚并現象和脫離現象，與此同時表面傳熱系數也在不斷增加，說明氣泡行為的這些變化對池內過冷沸騰的換熱具有極其重要的影響，能夠加快換熱速率，強化換熱效果。

2.4 不同液體過冷度下的氣泡行為現象分析

實驗以熱流密度為120.3 kW/m2的不同液體過冷度為例進行分析。

2.4.1 過冷度為15 ℃時的氣泡行為分析

將過冷度為15 ℃時的氣泡行為影像經過整理后，如圖5所示。

圖5 液體過冷度15 ℃時氣泡行為

從圖5可以看出，這時氣泡表面具有明顯的波動現象；從圖5(a)、圖5(b)可以看出，同時氣泡也出現了聚并和脫離的行為，氣泡在聚并后發生脫離；在該工況下，表面傳熱系數(h6=4.375 kW/(m2·K))較小。

2.4.2 過冷度為5 ℃時氣泡的行為分析

將過冷度為5 ℃時的氣泡行為影像經過整理后，如圖6所示。

圖6 液體過冷度5 ℃時氣泡行為

從圖6可以看出，氣泡的尺寸很大，氣泡的振蕩幅度也有顯著增加，氣泡的脫離頻率較圖5更加快；從圖6(a)以及圖6(b)可以看出，在一個氣泡脫離之后，又接連地發生了3次氣泡脫離現象，并且氣泡脫離銅棒加熱面時的直徑都較之前更大，能夠帶給液體更大的擾動。在該工況下，表面傳熱系數(h4=6.914 kW/(m2·K))較大。

2.4.3 對比分析

從圖5、圖6可以看出，隨著過冷度的減少，氣泡的平均尺寸、振蕩幅度、波動頻率以及脫離直徑都有著明顯的變化，同時兩種工況下的換熱效果也是不同的，因此，不同液體過冷度的氣泡行為對換熱效果有著顯著的影響。

2.5 不同液體過冷度下表面傳熱系數變化分析

當熱流密度為120.3 kW/m2時，表面傳熱系數隨液體過冷度的變化如圖7所示。

圖7 熱流密度為120.3 kW/m2，表面傳熱系數隨液體過冷度的變化

從圖7可以看出，隨著液體過冷度的減少，表面的傳熱系數在不斷增加，同時氣泡的行為也在不斷發生著變化，并且變化顯著，如上文所描述。隨著液體過冷度的不斷減少，氣泡的尺寸也不斷變大，氣泡表面的波紋變得更加密集，氣泡振蕩幅度增大得十分顯著，同時氣泡的聚并和脫離更加頻繁，并且氣泡的脫離直徑很大，對液體的擾動增大，表面傳熱系數也在增加，因此，氣泡的這些變化能夠增加表面傳熱系數，強化換熱效果。

3 結 論

為了詳細探究池內過冷沸騰中氣泡的行為及傳熱特性，采用了高速攝像機對銅棒加熱面進行拍攝，從而把氣泡的產生、運動以及脫離等現象的相關參數清晰地記錄下來。通過比較不同熱工參數下氣泡行為以及表面傳熱系數，得到了過冷池沸騰氣泡行為變化規律及其對換熱的影響。

1)氣泡處于穩定孤立狀態下，氣泡直徑隨時間波動不大，并不會出現明顯的氣泡運動，對流體擾動較小，換熱效果有限。

2)氣泡的聚并現象能夠使氣泡發生顯著的振蕩，使加熱面重新裸露出來，并被過冷液體頻繁地潤濕，這使得氣泡與其附近其他氣泡聚并的可能性增大，增加了液體的擾動，顯著強化換熱過程。

3)氣泡的脫離能夠帶走加熱面上大量的熱量，同時使加熱面裸露出來被再潤濕，并且氣泡在上升過程中還會強迫液體流動，強化換熱效果。

4)氣泡在脫離或是聚并時，氣泡的尺寸越大，產生的波動也越大，對流體的擾動也越大，換熱效果就會增強。

5)熱流密度的增加能夠顯著增加氣泡的振蕩頻率，而液體過冷度的減少能夠顯著增加氣泡的尺寸，同時兩者都會增加氣泡聚并和脫離現象發生的概率，從而強化池內過冷沸騰的換熱效果。