表面活性剂对喷雾冷却传热强化机理及强化准则研究

To enhance the heat transfer of spray cooling, a novel method is proposed by adding surfactant to the cooling fluid in this project, and both theoretical and experimental work is performed to investigate the mechanism of heat transfer enhancement of spray cooling by adding surfactant, specially give the selection criteria of the surfactant. Firstly, by the experimental study on the thermal properties of the cooling fluid with surfactant, the effect of surfactant on spray’s characteristics was focused to obtain the related spray criterion’s relation expressions. Then, by combining experimental measurement and visualization experiment with theoretical modeling, the effect of surfactant on the flow properties and boiling heat transfer when the spray droplets clash the heating surface is investigate to obtain the related heat transfer criterion’s relation expressions. Also, the effect of surfactant on heat transfer performance and enhancement of spraying cooling can be obtained by the above experiment. Finally, based on the previous studies, the enhancement mechanism of surfactant on spray cooling is analyzed by the built heat transfer model of spray cooling, and the corresponding heat transfer criterion and surfactant selection criterion are obtained. This project not only can provide a novel method to spray cooling for enhancing heat transfer, but also will give significant reference to study on the enhancement mechanism of surfactant in other heat transfer processes.

本项目提出采用表面活性剂强化喷雾冷却散热性能的方法，从理论和实验两个方面系统深入地研究表面活性剂对喷雾冷却传热强化机理及选择准则。首先，在对表面活性剂对工质各主要物性参数影响的实验研究基础上，与理论分析相结合，研究表面活性剂对喷雾过程影响的物理规律，得出表面活性剂对喷雾特性影响的准则关系；利用可视化实验、定量实验和理论分析相结合的方法，重点研究液滴冲击发热壁面时，表面活性剂对液滴特性、液滴铺展流动性能以及沸腾性能的影响，并得出相应的准则式；利用实验方法，系统研究表面活性剂对喷雾冷却传热性能及强化效果的影响；最后，综合上述研究结果，建立喷雾冷却传热的理论模型，分析表面活性剂对喷雾冷却散热强化的影响机理，得出相应的传热准则式及表面活性剂的选择准则。该项目不仅为喷雾冷却散热强化提供了一种可能的新方法，而且，其预期研究成果对于深入研究表面活性剂在其他传热传质过程中的影响也具有重要的参考价值。

喷雾冷却是一种把液体雾化为微小液滴冲击发热表面，利用液滴撞击、液膜冲刷、液体沸腾等机制实现高热流密度换热的散热方式。近年来，研究者发现在工质中添加合适的添加剂，可以降低液膜沸腾的过热度，延迟达到临界热流时的温度，提高喷雾冷却的安全性，避免“烧毁”现象发生。项目组结合理论和实验，对喷雾冷却中表面活性剂的传热强化进行系统研究，并在此基础上探讨强化机理及合适表面活性剂的选择准则。.项目组建立了以水作为研究对象的喷雾冷却实验台，系统的研究了表面活性剂种类、浓度等对工质表面张力、比热容、粘度等物性参数的影响参数，实验测量了不同表面活性剂种类和浓度下喷雾雾化性能，结合理论研究了其物理规律。实验结果表明，表面活性剂降低了工质的表面张力，增大了液滴数目，扩大了喷雾主流区，使不同高度上喷雾分布更加均匀，对喷雾雾化特性有明显积极影响。项目组在上述的实验数据基础上，建立了预测表面活性剂作用下工质喷雾特性的准则式，实验结果95%以上在误差范围内。同时，项目组利用可视化实验、定量实验和理论分析相结合的方法，重点研究液滴冲击发热壁面时，表面活性剂对液滴特性、液滴铺展流动性能以及沸腾性能的影响，发现加入表面活性剂后，液滴的动能增加，液膜的厚度明显增加，液膜流动也更快，较厚、较快的液膜有利于较好的流动带走热量。在上述研究的基础上，系统研究表面活性剂条件下各参数对喷雾冷却传热性能的影响，建立喷雾冷却传热的理论模型，分析表面活性剂对喷雾冷却散热强化的影响机理，结果表明表面活性剂通过减小工质表面张力来改善喷雾特性，从而提高液膜更新速率改善了热量去除效率，有对应换热最好的最佳表面活性剂浓度，最后得出相应的传热准则式及表面活性剂的选择准则。通过本项目组的研究，不仅为喷雾冷却散热强化提供了一种可能的新方法，而且，其预期研究成果对于深入研究表面活性剂在其他传热传质过程中的影响也具有重要的参考价值。