加熱棒表面沸騰換熱特性及臨界熱流密度研究.pdf

1、在石油化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)里，沸騰換熱因其具有很高的傳熱能力而被廣泛應(yīng)用，其中棒狀的電加熱元件非常常見。沸騰的機(jī)理非常復(fù)雜，它是通過大量氣泡的形成、成長和運(yùn)動將工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的蒸發(fā)過程。沸騰換熱發(fā)生在沸騰壁面上，沸騰壁面的幾何特性和換熱特性都對換熱能力有很大的影響，也受到很多研究者的廣泛關(guān)注。其中沸騰表面所處的位置對沸騰換熱也有很大的影響。池沸騰換熱在工業(yè)領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用價值，它關(guān)系到如何最大限度地挖掘相變換熱器的工

2、作潛力，以期達(dá)到節(jié)約能源的目的。因此研究加熱表面沸騰換熱特性隨幾何結(jié)構(gòu)和幾何位置的變化規(guī)律對提高沸騰換熱能力具有重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義，同時研究加熱表面的臨界熱流密度值對提高沸騰換熱效率和設(shè)備安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文開展了大長徑比電加熱元件池沸騰的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，通過加熱棒不同加熱功率和不同放置方式的比較，來研究加熱表面沸騰換熱特性的變化規(guī)律，主要包括以下三方面的內(nèi)容:
　　(1)棒束池沸騰的可視化實(shí)驗(yàn)研究和

3、溫度測量研究。實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用高速攝影采集加熱表面氣泡的成核、生長和脫離過程的視頻文件，同時拍攝得到加熱壁面附近流體介質(zhì)的流動形態(tài)。通過對采集到的視頻文件的處理，得到加熱表面氣泡的生長速率、生長周期、脫離直徑、脫離頻率和汽化核心密度。再計算得到加熱表面的相變速率和熱流密度，比較不同加熱功率和加熱棒不同軸向高度的沸騰換熱特性來得到其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中采集加熱棒表面的溫度數(shù)據(jù)，比較加熱棒軸向各高度處的溫度，分析加熱棒表面溫度沿軸向高度的變化規(guī)律

4、。
　　(2)加熱棒豎直放置工況下池沸騰的數(shù)值模擬研究。本文基于ANSYS FLUENT平臺，構(gòu)建六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選用壁面沸騰模型對池沸騰現(xiàn)象進(jìn)行模擬。首先對實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬，對比數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。在驗(yàn)證數(shù)值模型可靠性的前提下，為了節(jié)約計算成本，對單根加熱棒的池沸騰進(jìn)行數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬結(jié)果分析加熱棒豎直放置時加熱表面熱流密度、沸騰換熱系數(shù)隨加熱功率和加熱棒軸向高度的變化規(guī)律，同時得到加熱表面汽化