高溫物體噴霧冷卻時冷卻水水質(zhì)的影響

1、高溫物體噴霧冷卻時冷卻水水質(zhì)的影響高溫物體噴霧冷卻時冷卻水水質(zhì)的影響劉振華(上海交通大學(xué))摘要實驗系統(tǒng)研究了對高溫金屬面進行噴霧冷卻時水質(zhì)和傳熱面表面粗糙度對沸騰換熱特性的影響。在不同水質(zhì)條件下表面粗糙度對沸騰換熱特性無明顯影響，而水質(zhì)對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高溫物體進行噴霧冷卻在鋼鐵行業(yè)中被廣泛使用，具有重要的實用價值。噴霧冷卻具有均勻、容易實現(xiàn)控制、節(jié)省水等優(yōu)點。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，各沸騰換熱的機理不同，因此目前關(guān)于

5、噴霧冷卻實驗的數(shù)據(jù)雖然相當(dāng)多［1～8］，但還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，各類實驗結(jié)果無論是定性還是定量都存在著很大差異，這給工程中實際應(yīng)用帶來很大困難。通過對大量相關(guān)文獻進行分析，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［5］對傳熱面表面進行各種理化處理(鍍各種金屬膜，氧化等)，改變固液接觸角

6、后的實驗結(jié)果表明，接觸角對過渡沸騰和膜沸騰區(qū)域的換熱特性并無實質(zhì)性影響。文獻［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—報警用熱電偶；③④⑤—測溫用熱電偶；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)備實驗中確定。實驗用冷卻水采用純水、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。實驗范圍：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砂紙將傳熱面磨成接近于鏡面。粗面是指用不同型號粗砂紙將傳熱面磨成不同粗糙度的表面。實驗前先用丙酮和純水

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)和固液接觸角在實驗中不再隨壁溫變化。實驗時壁溫由低溫向高溫逐漸遞增。3實驗結(jié)果實驗結(jié)果圖3顯示了純水為冷卻水時傳熱面表面粗糙度對沸騰換熱的影響。實驗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。圖中實線是半理論半經(jīng)驗公式計算式［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)時傳