沸腾表面对液氮临界热流密度的影响实验

　　1 引 言

　　临界热流密度一直是沸腾研究领域中的热点之一，早期的研究成果主要在临界热流密度公式方面[1-3]，例如 Zuber[1]半经验公式:

　　其中: C 为常数，Hfg为气化潜热，ρl、ρv分别为液相、气相密度，g 为重力加速度，σ 为表面张力。

　　而临界热流密度受诸多因素的影响，这使得经验公式的使用范围受到很大限制。沸腾表面状况就是其中的一个重要影响因素，然而针对低温液体该方面的研究目前还不够完善。

　　沸腾表面的热物性对低温液体的大空间池沸腾传热系数有重要影响。对于液氮，不同金属表面的传热系数相差可达 10 倍以上，对于液氦更是高达 40 倍以上，主要原因在于低温下金属热物性与常温下相差很大，很小的热流密度变化就可能引起加热表面温度和其物性的很大变化[4]。Stephan 和 Abdelsalam 指出: 当气压 p =1 ×105Pa 时，液氮 / 铜组合的池沸腾传热系数为液氮/不锈钢组合的 1. 66 倍[5]。

　　Grigoriev 等[6]对液氮在铜、铝和不锈钢等材料表面沸腾状况进行了研究，发现临界热流密度值随λρc槡p值增大而升高。另外，临界热流密度随沸腾表面直径增大而降低，在直径小于等于 16 mm 时有 qc∝D- 0. 5，而在大于 16 mm 之后趋于常数。需要注意的是，沸腾表面上套装了一个内径与沸腾表面直径相同的管子，与通常的池沸腾有所区别。

　　Westwater 等[7]将 5 种不同材料、9 种不同直径的金属厚平板浸入在液氮中，进行平板冷浸降温的瞬态沸腾实验研究，发现不同金属之间的临界热流密度及其对应的过热度存在一定关系:

　　其中: 下标 A、B 为不同的两种金属，qc为临界热流密度，λ 为热导率，ρ 为密度，cp为比定压热容，ΔTCHF为临界热流密度对应的过热度。

　　另外，他们还发现存在某一决定平板直径是否会对沸腾换热产生显著影响的临界直径，当平板直径小于临界直径时，平板直径对沸腾曲线的影响很大，当大于临界直径时，沸腾曲线则逐渐趋于某一渐近值。

　　综上所述，针对低温液体临界热流密度的研究中，关于沸腾表面材料的影响，仅对处于冷浸降温阶段的瞬态沸腾工况有较为清晰的结论，而对于当温度和热流趋于稳定的稳态沸腾工况的则研究较少，仍有待深入研究; 至于来自表面直径的影响，在池沸腾方面的研究也还不够充分。而低温液体的饱和温度远低于室温，且其汽化潜热小，由于漏热、内热源等原因很容易发生沸腾，因此有必要开展相关研究。

　　考虑到液氮的来源广、无污染、成本较低，是常用且具代表性的一种低温液体，采用液氮作为沸腾工质，设计搭建可视化液氮沸腾实验台，对临界热流密度进行稳态沸腾实验研究，并分析沸腾表面材料和表面直径对其影响。