电场作用下纳米制冷剂在微孔阵列表面微细通道内的流动沸腾特性研究

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本文研究电场作用下纳米制冷剂在微孔阵列表面微细通道内流动沸腾的传热及压降特性,重点研究电场、纳米制冷剂、微孔穴结构3种强化技术及其相互复合作用对流动沸腾传热及压降特性的影响,主要研究内容如下:(1)采用两步法配置0.01wt%、0.05wt%、0.1wt%、0.2wt%质量分数的Si O2-R141b纳米制冷剂,在200V~800V直流电场作用下进行流动沸腾实验,探究电压、纳米制冷剂浓度、热流密度对流动沸腾传热的影响。本文实验工况下电场与Si O2纳米颗粒均对微细通道流动沸腾传热起到强化作用,电场的强化传热效果随电压增大而增大,低热流密度下强化效果更显著,最大强化因子为1.45;无电场作用下纳米制冷剂的强化作用与浓度呈非线性关系,最佳浓度为0.1wt%,最大强化因子为1.21。电场与纳米颗粒复合作用时强化传热效果显著,最大强化因子为1.58。(2)通过激光加工制备均匀、渐密、渐疏3种微孔阵列表面微细通道,探究有无电场作用下不同微孔阵列表面微细通道的饱和沸腾传热特性;将电场、纳米制冷剂、微孔穴结构3种强化技术复合运用至微细通道流动沸腾,探究本文工况下的最佳电压、纳米制冷剂浓度与微孔阵列组合。电场与微孔阵列表面微细通道的最大复合强化因子为1.69,电场、纳米颗粒及微孔穴结构3种强化技术复合作用时最大强化因子为1.82,并显著增大了有效强化热流密度范围。(3)探究热流密度、电压、纳米制冷剂浓度、微孔穴结构对微细通道流动沸腾压降特性及时域不稳定性的影响,并对本文所研究的强化传热技术进行综合性能评价。3种强化技术复合作用时总压降、两相压降、单位长度两相摩擦压降最大增加19.28%、23.65%、22.54%。电场强化技术对流动沸腾综合性能的提升效果与热流密度相关性较大,电场、纳米颗粒、微孔穴结构3种强化技术复合作用时综合性能优于本文研究的其他强化技术。(4)通过高速摄影仪对流动沸腾情况进行可视化分析,并利用COMSOL软件计算电场作用下气液界面电应力分布,对3种强化技术的复合强化传热机理进行分析。电场作用下微细通道内气相份额更大,微孔阵列表面较光滑表面微细通道内的汽泡数量更多,尺寸更小,汽泡在垂直于电场强度方向受到拉伸作用,并被压迫至换热壁面,增大了汽泡与换热壁面的接触面积,增强液膜蒸发导致传热系数增大。
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