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纳米流体对临界热流密度强化影响池沸腾实验研究
王洪亮1 , 夏虹1 , 张会勇2 , 李业2 , 孙吉良2
1. 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院, 黑龙江 哈尔滨 150001;
2. 中广核研究院有限公司, 广东 深圳 518028     
摘要: 为探究采用纳米流体作为冷却剂时,下朝向临界热流密度(critical heat flux,CHF)的强化效果和不同粗糙度表面的临界热流密度强化特性。实验制备了4种纳米流体,利用扫描电镜和纳米粒度分析仪分别检测纳米颗粒粒径和基液中颗粒分散状况。试验段采用316不锈钢钢板,以恒电流控制电加热方式进行常压下朝向水平0°池沸腾实验。实验结果表明:体积分数为0.001%的二氧化钛纳米流体的临界热流密度强化效果最为明显,约为61%;表面粗糙度(Ra)在0.086~1.765 μm时,临界热流密度强化效果随Ra增加而降低,当Ra达到2.287 μm时,所对应的CHF强化效果出现增加趋势。
关键词: 纳米流体     池沸腾     临界热流密度     强化     粗糙度    
Investigation of critical heat flux enhancement pool boiling experiment by using nanofluids
WANG Hongliang1, XIA Hong1, ZHANG Huiyong2, LI Ye2, SUN Jiliang2
1. College of Nuclear Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;
2. China Nuclear Power Technology Research Institute, Shenzhen 518028, China
Abstract: In order to explore the enhancement effect of nanofluids on downward facing critical heat flux and the relation between roughness Ra and CHF enhancement characteristics, four kinds of nanofluids were chosen as preparing materials, scanning electron microscope and nano-particle size analyzer were utilized to detect particle diameter and dispersion effect respectively. The test plate made of 316 stainless steel was heated by constant current, the pooling boiling experiment was conducted on downward horizontal facing at room temperature and pressure. The results show that the volume concentration of 10-3% TiO2 nanofluids get the best enhancement of critical heat flux, about 61%. When the surface roughness (Ra) ranges from 0.086 μm to 1.765 μm, the CHF enhancement effect decreases following the rise of Ra; when Ra reaches 2.287 μm, the corresponding CHF enhancement effect tends to decrease.
Key words: nanofluids     pooling boiling     critical heat flux     enhancement     roughness    

在核电厂中,严重事故(severe accident,SA)是指可能导致堆芯熔化并且危及核电厂完整性的一种超设计基准事故[1]。作为严重事故的一种缓解措施,堆内熔融物滞留技术(in-vessel retention,IVR)可以有效地使高温熔化后的放射性物质滞留在压力容器内部,维护核电厂的完整性。然而,IVR策略能够成功实现的关键在于确保反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)下封头外壁面处的热流密度不超过当地的临界热流密度(critical heat flux,CHF)。在众多强化CHF方法中,如改变加热器形状、改变换热表面特性、增加换热面积[2]等,采用纳米流体技术强化CHF的方法引起了广大研究学者的关注。

1995年,Choi等[3]首次提出了纳米流体的概念。总结近20年来国内外纳米流体的发展状况,纳米流体的概念可以概括为按照一定的方式和比例[4],在基液[5]中添加纳米颗粒形成的一类新型传热冷却工质。目前,针对IVR策略,采用纳米流体技术强化CHF的池沸腾实验研究已经取得了初步成果。You等[6]、Moreno等[7]较早地研究了不同浓度的水基氧化铝纳米流体在铜板加热表面的池沸腾实验,指出低压下,当颗粒浓度达到0.025 g/L时,与去离子水相比,CHF强化接近200%。Kim等[8-9]研究了常压下采用水基二氧化钛和水基氧化铝纳米流体在水平镍铬细加热丝上的池沸腾实验,研究发现采用体积浓度为0.1%的水基二氧化钛纳米流体时,CHF强化100%;此外,发现当倒置时采用纳米流体得到的CHF幅度较为明显。Bang等[10]采用平板加热器研究了氧化铝纳米流体池沸腾实验,得到CHF强化约50%,但随着颗粒浓度的增大,CHF增幅有所降低。

本文在前人研究的基础上,制备了体积份额为0.001%的Al、TiO2、Al2O3、CNT等4种纳米流体,并指出其适用性。实验设计为常压下朝向水平0°池沸腾实验,研究采用不同种类的纳米流体CHF强化特性和表面粗糙度对CHF强化的影响。

1 纳米流体的制备与检测 1.1 纳米流体的制备

实验选取了4种纳米颗粒Al、TiO2、Al2O3、CNT,通过两步法[4]制备体积份额0.001%的纳米流体。如图 1所示为4种纳米颗粒扫描电镜(Hitachi,S4800,E-1045ION SPUTTER)图片。

图 1 纳米颗粒扫描电镜图

4种纳米颗粒在扫描电镜下呈现出不同形状。铝纳米颗粒呈球形,平均颗粒直径为74.6 nm;氧化铝纳米颗粒呈鳞片状,平均颗粒直径为49.2 nm;碳纳米管颗粒呈管状,平均管径宽度为18.3 nm;二氧化钛纳米颗粒呈不规则六面体形状,平均粒径为61.8 nm,4种纳米颗粒的粒径分布统计如图 2所示。

图 2 纳米颗粒粒径分布

将纳米颗粒分别经过磁力搅拌(科林贝尔,GL-3250B)和超声处理(上海声析,FS-1800N)分散到去离子水中,制备成体积分数为0.001%的纳米流体。为了使得制备的纳米流体更加符合核能领域的应用条件,制备过程中不加入任何分散剂及pH试剂。

4种纳米流体制备现象如表 1所示,由于铝纳米颗粒性质较为活波,使得铝纳米流体在制备过程中发生了化学反应,不宜应用到实验中;而其余3种纳米流体均可以稳定4 h以上,满足实验设计需求。

表 1 纳米流体制备实验现象表
纳米流体/实验现象
铝纳米流体超声处理后,铝纳米流体逐渐产生气泡,颜色由黑色逐渐变成半透明白色
二氧化钛纳米流体超声处理后,二氧化钛纳米流体颜色由半透明白色变成不透明乳白色,可以稳定8 h无明显沉淀
氧化铝纳米流体氧化铝纳米流体经磁力搅拌和超声处理后颜色无明显变化,4 h后,容器底部出现可见沉积物
碳纳米管纳米流体超声处理后,碳纳米管纳米流体呈黑色,8 h后容器液面出现可见絮状漂浮物

1.2 纳米流体的检测

使用纳米粒度分析仪(马尔文,Zetasizer Nano ZS)可以检测纳米颗粒在去离子水中的分散情况。如图 3所示为铝纳米流体的粒度检测结果,溶液中平均粒径为297.0 nm。采用同样方法得到二氧化钛纳米流体的平均检测粒径为266.1 nm,氧化铝纳米流体的平均检测粒径为616.4 nm,碳纳米管的平均检测粒径为542.7 nm。

图 3 铝纳米流体粒度检测结果

谭伟键等[11]采用二氧化钛纳米颗粒制备纳米流体,检测到平均分散粒径约200 nm。综合比较可知,二氧化钛和铝纳米流体的平均粒子直径较小,分散效果较好;氧化铝纳米流体的平均粒径大,分散效果相对较差;碳纳米管纳米流体的粒径分布范围大,这主要与其颗粒呈细管状有关。

2 实验台架与测量不确定度 2.1 实验台架

实验台架主要由直流电源、试验段和数据采集系统组成。图 4为实验台架示意图,实验采用大电流控制加热方式,为试验段钢板提供加热功率。

图 4 实验台架示意图

试验段钢板为316不锈钢材质,加工尺寸为200 mm×50 mm×1 mm,平均电阻为2.6 mΩ。如图 5所示,加热钢板两侧焊接扁铜电极,采用螺栓固定与L型铜电极相接。加热钢板上朝向壁面涂有耐高温陶瓷胶,减少热流损失。

图 5 试验段装置示意图

实验条件为常压池沸腾实验,冷却剂过冷度为0.1~3.1 ℃。实验过程中,试验段装置由调节支架固定,加热工质为去离子水或纳米流体。

2.2 不确定度分析

实验过程中试验段电压、回路电流由数据采集系统获取并保存。试验段钢板产热功率由式(1) 计算,通过试验段钢板下朝向壁面的热流密度由式(2) 计算。

式中:Q为产热功率,U为试验段电压,I为回路电流,qCHF为临界热流密度,Q为平均散热损失,LW为加热钢板长和宽。

实验中的不确定因素主要来源于测量参数,包括试验段电压、通电电流等。临界热流密度不确定度[12]由式(3) 计算:

本文临界热流密度的最大不确定度为2.2%。

3 实验结果与分析

实验中采用电桥法判断CHF的发生,即CHF发生时,回路电压迅速升高(大于0.3 V)而到达设定保护值,使得回路自动断电。

3.1 不同纳米流体下朝向CHF强化结果

为了保证实验数据的准确性和可信性,每一实验工况点重复2次,如图 6所示为采用去离子水和体积分数为0.001%纳米流体所得到CHF强化结果。原始实验数据与重复性实验2次实验结果最大平均值偏差小于5%,满足实验设计需求。

图 6 纳米流体强化CHF实验结果

相比去离子水,3种体积分数为0.001%纳米流体的CHF强化结果均较明显,二氧化钛纳米流体强化60.6%、碳纳米管纳米流体强化47.5%、氧化铝纳米流体强化54.5%。

3种纳米流体较去离子水均具有明显的CHF强化效果,在同浓度下(0.001%),采用二氧化钛纳米流体所得到下朝向CHF强化效果最佳,为60.6%。

3.2 表面粗糙度对CHF强化影响关系

研究表明:表面粗糙度是CHF的一个重要影响因素,同材质换热器在相同实验环境条件下,因表面粗糙度的差异性,所得到的CHF亦不相同。实验选取表面粗糙度Ra为0.08~2.30 μm(马尔,M300C)的5种粗糙度的316不锈钢平板加热器,实验工质为去离子水和体积分数为0.001%的TiO2纳米流体,所对应CHF实验结果如图 7所示。

图 7 CHF随表面粗糙度Ra变化关系

采用去离子水作为冷却剂时,CHF随Ra变化,总体呈上升趋势;在Ra为2.287μm时,所对应的CHF出现骤降。上述结果与Ferjancic和Golobic[13]研究相符:Ferjancic和Golobic研究采用水为冷却剂时,得出Ra在0.02~1.5 μm时所对应的CHF呈对数上升关系,如式(4) ;并发现当Ra达到约3.0 μm,采用1010钢锻所得到CHF迅速降低。

式中cK为常数。

采用体积分数为0.001%的TiO2纳米流体作为冷却剂时,所对应的CHF值均有一定的强化作用;总体上,CHF随Ra变化趋势与采用去离子水作为冷却剂时相似。

图 8为采用体积分数0.001%的TiO2纳米流体时所得到的CHF强化效果图。当Ra为0.086 μm时,与去离子水相比所得到的CHF强化效果最为明显约61%;随着Ra的增加,所得到的CHF强化效果递减,当Ra为1.765 μm时,所得到的CHF强化效果最小约11%;当Ra增至2.287 μm时,所对应的CHF强化效果出现增加趋势,增至约15%。

图 8 TiO2纳米流体CHF强化效果

实验研究了Ra为0.08~2.30 μm的CHF强化效果,为了能够更准确的CHF变化关系,Ra大于2.30 μm时的强化效果需要未来进一步实验探究。

目前,一般认为有关于采用纳米流体强化CHF的原因在于修正了换热表面结构。但是强化机理的研究尚处于初级阶段,并未有统一的确定性结论。从气泡动力学的角度出发认为,纳米流体的使用有利于换热表面汽化核心的增加,从而增加了CHF强化效果;当浓度过大,汽化核心数目反而减少,从而削弱的CHF强化效果。上述理论与试验结果相符,未来将采用更多种类的纳米材料验证这一结果。

4 结论

本文制备了4种纳米流体,研究了不同种类纳米流体的下朝向CHF强化效果和表面粗糙度Ra对CHF强化的影响关系,主要有以下结论:

1) 铝纳米流体因其性质活波,不宜应用到临界热流密度强化实验中,而二氧化钛、氧化铝、碳纳米管纳米流体具有良好的稳定性,可满足实验需求;

2) 对于采用同体积分数(0.001%)的纳米流体,相比氧化铝、碳纳米管纳米流体,二氧化钛纳米流体所得到的CHF强化效果最佳为60.6%;

3) 实验发现表面粗糙度对CHF的强化效果影响较大,采用体积分数0.001%的TiO2纳米流体,Ra在0.086~1.765 μm时,CHF强化效果随Ra增加而降低,在Ra为2.287 μm时,所对应的CHF强化效果出现增加趋势。

参考文献
[1] 武铃珺. 压水堆核电站严重事故下注水冷却措施的研究[D].上海:上海交通大学, 2008:1-2.
[2] BANG I C, CHANG S H. Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-water nano-fluids from a plain surface in a pool[J]. International journal of heat and mass transfer, 2005, 48: 2407-2419 DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.047
[3] CHOI S U S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles[J]. ASME-Publications-Fed, 1995, 231: 99-106
[4] 朱海涛. 纳米流体的制备, 稳定及导热性能研究[D]. 济南:山东大学, 2005:4-5.
[5] 宣益民. 纳米流体能量传递理论与应用[J]. 中国科学:技术科学, 2014(3): 6
[6] YOU S, KIM J, KIM K. Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer[J]. Applied physics letters, 2003, 83(16): 3374-3376 DOI:10.1063/1.1619206
[7] MORENO G, OLDENBURG S J, YOU S M, et al. Pool boiling heat transfer of alumina-water, zinc oxide-water and alumina-water+ ethylene glycol nanofluids[C]//ASME 2005 Summer Heat Transfer Conference collocated with the ASME 2005 Pacific Rim Technical Conference and Exhibition on Integration and Packaging of MEMS, NEMS, and Electronic Systems. American Society of Mechanical Engineers, 2005:625-632.
[8] KIM J H, KIM K H, YOU S M. Pool boiling heat transfer in saturated nanofluids[C]//ASME 2004 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Fairfield, USA:American Society of Mechanical Engineers. 2004:621-628.
[9] KIM H D, KIM J, KIM M H. Experimental studies on CHF characteristics of nano-fluids at pool boiling[J]. International journal of multiphase flow, 2007, 33(7): 691-706 DOI:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2007.02.007
[10] BANG I C, CHANG S H. Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-water nano-fluids from a plain surface in a pool[J]. International journal of heat and mass transfer, 2005, 48(12): 2407-2419 DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.12.047
[11] 谭伟键, 王宙斐, 王先菊, 等. 水合二氧化钛纳米流体的分散性研究[C]//Proceedings of 2010 The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application. Wuhan, China, 2010.
[12] KIM H, KIM J, KIM M. Experimental study on CHF characteristics of water-TiO2 nano-fluids[J]. Nuclear engineering and technology, 2006, 38(1): 61
[13] FERJANCIC K, GOLOBIC I. Surface effects on pool boiling CHF[J]. Experimental thermal and fluid science, 2002(25): 565-571

文章信息

王洪亮, 夏虹, 张会勇, 李业, 孙吉良
WANG Hongliang, XIA Hong, ZHANG Huiyong, LI Ye, SUN Jiliang
纳米流体对临界热流密度强化影响池沸腾实验研究
Investigation of critical heat flux enhancement pool boiling experiment by using nanofluids
应用科技, 2017, 44(1): 82-86
Applied Science and Technology, 2017, 44(1): 82-86
DOI: 10.11991/yykj.201512009

文章历史

收稿日期: 2015-12-10
网络出版日期: 2017-12-28

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