高溫金屬物體單相及氣液兩相噴霧非穩(wěn)態(tài)冷卻換熱特性.pdf

1、噴霧冷卻因其在高熱流密度下的高效換熱能力而被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)備的熱管理,其中鋼鐵鑄造業(yè)更是廣泛應(yīng)用噴霧冷卻來為高熱流密度的高溫表面降溫,以及保障高溫工作環(huán)境下設(shè)備的安全。噴霧冷卻是一個復(fù)雜的物理過程,其換熱能力受到眾多因素的影響,如:入口噴射壓力,噴射速度,液滴尺寸,噴射表面的條件(粗糙度),噴射樣品的厚度,以及噴霧自身性質(zhì)(單相噴霧或兩相噴霧)等。本文深入研究了熱不銹鋼平板厚度、液滴直徑、入口壓力和表面形貌對單相水噴霧冷卻時間、冷

2、卻速率及換熱量的影響,以及表面形貌對兩相噴霧冷卻速度、表面熱流密度和換熱系數(shù)的影響。
　　本文通過理論分析與實驗探究相結(jié)合的方法,運用了一些列數(shù)學(xué)方法對噴霧冷卻的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得不同影響因素下噴霧冷卻性能的相關(guān)信息,如:單內(nèi)節(jié)點溫度隨時間的變化的貝克連續(xù)函數(shù)規(guī)范方法,基于溫度的函數(shù)規(guī)范方法,和 INTEMP逆頭傳導(dǎo)求解方法的克蘭克尼科爾森配方和全隱式配方等數(shù)學(xué)方法,并搭建了完整的實驗系統(tǒng)用于噴霧冷卻實驗觀測,通過對比數(shù)學(xué)分析

3、模型和實驗結(jié)果得到了樣品的臨界液滴尺寸和厚度。
　　主要結(jié)論如下:
　　(1)熱樣品冷卻至流體溫度的冷卻時間隨流體入口壓力的升高而減小,然而根據(jù)平均噴霧速度和液滴尺寸之間的平衡其冷卻時間存在一個臨界值,過高的壓力對噴霧冷卻效率并無明顯提升效果。模型分析解與實驗結(jié)果在樣品厚度較小時表現(xiàn)出良好的一致性,其相對誤差為3.2％;而在樣品厚度較大時誤差較大,當(dāng)樣品厚度為22mm時相對誤差為32.75％。另外,隨著進(jìn)口壓力的升高,平均噴

4、霧速度、噴嘴出口速度隨之增加而MVD和SMD隨之降低,對于一給定類型噴嘴,存在一臨界入口壓力使其達(dá)到最大冷卻速率,對于實驗中使用的噴嘴,當(dāng)入口壓力為0.8MPa,換熱溫差分別為ΔT=600 oC,700 oC,800 oC時,其最大冷卻速率分別為424.2oC/s,502.81oC/s,573.1oC/s。此外,實驗獲得的最大表面熱流密度隨樣品厚度的增加而降低,當(dāng)樣品表面初始溫度達(dá)到900℃時,蒸汽薄膜效應(yīng)居于主導(dǎo)地位,導(dǎo)致樣品最大表面

5、熱流密度和冷卻速率的降低。同時,將溫度傳感器布置在樣品的表面淬火區(qū)域附近更有利于獲得影響表面熱流密度、表面溫度、冷卻速率的相關(guān)參數(shù),結(jié)果表明隨表面過熱度的增加,表面冷卻速率升高。
　　(2)兩相噴霧在噴霧條件保持恒定,初始溫度為900℃的情況下,Sq-W樣品獲得最大冷卻速率達(dá)166.21 oC/s,結(jié)構(gòu)化表面 Str-W的樣品和結(jié)構(gòu)化表面 Py-的樣品以及光滑表面 Fl的樣品對冷卻速率無明顯提升。同時,采用結(jié)構(gòu)化表面 Py-N,

6、Sq-N以及 Str-N的樣品在增加樣品初始溫度的情況下表現(xiàn)出冷卻速率上升的趨勢。此外,除寬金字塔鰭狀結(jié)構(gòu)化表面(Py-W)樣品外,所有樣品的最大冷卻速率均隨初始樣品溫度的增加而上升。Sq-W結(jié)構(gòu)化表面樣品與光滑表面樣品(Fl)相比,在溫度為600 oC,700 oC,800 oC,900 oC時,其表面熱流密度分別增加了1.23,1.33,1.24,1.28倍。通過觀測,換熱系數(shù) h隨表面過熱度的降低而逐漸增加,其增加速度在表面過熱度

7、為250 oC~900 oC范圍內(nèi)逐漸減緩,最大換熱系數(shù)的值隨樣品初始溫度的升高而呈現(xiàn)出降低趨勢。
　　(3)通過改變單相噴霧的噴霧條件和表面溫度,對結(jié)構(gòu)化表面的換熱性能進(jìn)行探究。實驗采用兩個不同結(jié)構(gòu)化表面的圓柱型不銹鋼樣品,其中一個采用金字塔鰭狀結(jié)構(gòu)化表面(Py-W)另一個為光滑表面。在入口壓力為1.0MPa,樣品初始平均溫度為600 oC,700 oC,800 oC,900 oC的情況下,表面熱流密度分別為3.599 MW/m

8、2,3.464 MW/m2,3.929 MW/m2,4.898 MW/m2。在入口壓力為0.7MPa,樣品初始溫度為900℃時,結(jié)構(gòu)化表面樣品最大冷卻速率為506.8 oC/s,而光滑表面樣品在入口壓力1.0MPa,樣品初始溫度700℃情況下,最大冷卻速率為355.8 oC/s。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)化表面樣品在樣品初始溫度為900℃,入口壓力分別為0.4 MPa,,0.7 MPa,1.0 MPa,1.3 MPa的情況下,其表面熱流密度較相同情

9、況下光滑表面樣品分別提升1.9,1.56,1.66,1.74倍,其換熱性能優(yōu)于光滑表面。此外,對于光滑表面,當(dāng)初始樣品溫度升高至600 oC到900 oC時,觀察到熱流量呈降低趨勢。
　　簡而言之,結(jié)構(gòu)化表面在噴霧冷卻中應(yīng)用于高溫環(huán)境下不銹鋼元器件的保護(hù)技術(shù),如核安全,液化天然氣儲罐,壓力容器等領(lǐng)域和場合,相關(guān)報道還十分有限。關(guān)于臨界液滴尺寸和樣品厚度的實驗?zāi)鏌醾鲗?dǎo)研究還為數(shù)甚少,本文的研究對噴霧冷卻領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和結(jié)構(gòu)化金屬表