高溫物體噴霧冷卻時(shí)冷卻水水質(zhì)的影響

1、高溫物體噴霧冷卻時(shí)冷卻水水質(zhì)的影響高溫物體噴霧冷卻時(shí)冷卻水水質(zhì)的影響劉振華(上海交通大學(xué))摘要實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了對(duì)高溫金屬面進(jìn)行噴霧冷卻時(shí)水質(zhì)和傳熱面表面粗糙度對(duì)沸騰換熱特性的影響。在不同水質(zhì)條件下表面粗糙度對(duì)沸騰換熱特性無明顯影響，而水質(zhì)對(duì)沸騰換熱特性有十分顯著的影響。使用含雜質(zhì)較多的冷卻水可以大幅度提高膜沸騰區(qū)域的換熱能力。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞噴霧冷卻水質(zhì)沸騰換熱EFFECTOFCOOLINGWATERQUALITYONMISTCOOLINGO

2、FHOTSURFACELIUZhenhua(ShanghaiJiaotongUniversity)ABSTRACTExperimentalstudyhasbeenperfmedonthemistcoolingofhotsurfacetoinvestigatetheeffectofhotcleanlinessofcoolingwaterroughnessofhotsurfaceonheattransferacteristics.There

3、sultsdenotethattheroughnesshasalmostnoeffectonboilingheattransferbutthecleanlinesshavestrongeffectonboilingheattransferathightemperatureheattransfercanbegreatlyenhancedwithimpurecoolingwater.KEYWDSmistcoolingwaterquality

4、boilingheattransfer1前言前言由水滴和空氣組成的氣液兩相混合物對(duì)高溫物體進(jìn)行噴霧冷卻在鋼鐵行業(yè)中被廣泛使用，具有重要的實(shí)用價(jià)值。噴霧冷卻具有均勻、容易實(shí)現(xiàn)控制、節(jié)省水等優(yōu)點(diǎn)。尤其在高溫區(qū)域的過渡沸騰和膜沸騰換熱領(lǐng)域內(nèi)優(yōu)點(diǎn)更加明顯。從傳熱學(xué)角度看，由于鋼鐵等被冷卻材料的溫度都在一百多度至上千度，液滴和高溫面之間的換熱基本屬于過渡沸騰和膜沸騰。由于對(duì)沸騰換熱的影響因素繁多，相互間關(guān)系復(fù)雜，各沸騰換熱的機(jī)理不同，因此目前關(guān)于

5、噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)雖然相當(dāng)多［1～8］，但還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，各類實(shí)驗(yàn)結(jié)果無論是定性還是定量都存在著很大差異，這給工程中實(shí)際應(yīng)用帶來很大困難。通過對(duì)大量相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)噴霧流的流體力學(xué)條件(如液滴粒徑，噴霧流沖擊速度，水流量)和加熱面熱物性不是產(chǎn)生這些差異的主要原因。主要原因可能是冷卻水水質(zhì)和傳熱面表面狀態(tài)(粗糙度，固液接觸角)等影響固液接觸狀態(tài)的因素。文獻(xiàn)［5］對(duì)傳熱面表面進(jìn)行各種理化處理(鍍各種金屬膜，氧化等)，改變固液接觸角

6、后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接觸角對(duì)過渡沸騰和膜沸騰區(qū)域的換熱特性并無實(shí)質(zhì)性影響。文獻(xiàn)［6］在水平傳熱面上加工出各種形狀的溝圖2加熱體及熱電偶在加熱體中位置Fig.2Locationofthetermocouplesincopperblock①②—報(bào)警用熱電偶；③④⑤—測(cè)溫用熱電偶；⑥⑦⑧—控制用熱電偶噴霧條件(冷卻水質(zhì)量流速，液滴平均粒徑，壁面沖擊速度)在預(yù)備實(shí)驗(yàn)中確定。實(shí)驗(yàn)用冷卻水采用純水、凈水和自來水三種水質(zhì)的水。純水指離子交換水，電導(dǎo)率約

7、3μmcm，凈水指的是反復(fù)使用過的離子水，電導(dǎo)率約10μmcm，自來水即一般的家庭用自來水，電導(dǎo)率約400μmcm。實(shí)驗(yàn)范圍：水質(zhì)量流速w在0.1～1.0kg(m2s)，粒徑d在100～300μm，傳熱面上噴霧流沖擊速度v在3～5ms。傳熱面溫度在100～650℃，冷卻水溫保持在20℃。傳熱面分為光滑面和粗面兩種狀態(tài)。光滑面指的是用極細(xì)砂紙將傳熱面磨成接近于鏡面。粗面是指用不同型號(hào)粗砂紙將傳熱面磨成不同粗糙度的表面。實(shí)驗(yàn)前先用丙酮和純水

8、將傳熱面擦凈，然后通電加熱將傳熱面溫度保持在400℃左右，幾十分鐘，使傳熱面上形成黑色氧化層，這樣可保持表面放射系數(shù)和固液接觸角在實(shí)驗(yàn)中不再隨壁溫變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)壁溫由低溫向高溫逐漸遞增。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3顯示了純水為冷卻水時(shí)傳熱面表面粗糙度對(duì)沸騰換熱的影響。實(shí)驗(yàn)中使用了多種粗糙度，但沸騰特性幾乎沒有差異，因而在圖中用一平均值代表粗面。圖中實(shí)線是半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算式［6］。如圖3所示，光滑面和粗面之間也無明顯差異。這說明在純水水質(zhì)時(shí)傳