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j ： 浙扛大学硕士学位论文 深冷处理传热模拟及低温阀门试验系统设计 陈鹏翔 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 随着现代科学技术、工业生产、新能源开发以及航空航天事业的发展，低温阀门已 在很多场合得以应用，并且规模日渐增大低温下材料的晶格和机械性能等都会发生明 显的变化，因此应用于低温工况的材料通常需要进行深冷处理，以保证晶格稳定、减小 尺寸波动，提高耐磨性、抗腐蚀性等综合性能。深冷处理工艺已成为保证低温阀f - j f 拒够 正常运行的关键技术之一。 本文首先针对低温阀门部件深冷处理工艺涉及的冷却时间问题，通过对现有低温沸 腾换热系数经验公式的分析和比较。得出适用于不锈钢平板试件的沸腾换热系数计算方 法。在此基础上，利用a n s y s 对阀门部件的深冷处理降温过程进行了动态数值模拟。 根据模拟计算结果，预测了阀门部件深冷处理的冷却时间。 为验证上述低温沸腾换热系数计算方法和数值模拟的可靠性，本文采用圆饼状不锈 钢试件和液氮冷却介质进行了验证实验。根据实验结果，修正了临界热流密度和最小膜 态沸腾热流密度所对应的温差。修正后的计算降温曲线与实验数据基本吻合。根据修正 后的模拟计算结果，重新预测了阀门部件深冷处理的冷却时间。 最后，本文还对低温阀门的部件深冷处理和试验装置中的核心设备( 试验槽) 进行 了详细的设计计算和绝热性能分析。 关键词：深冷处理低温阀门a n s y s 数值模拟沸腾换热 e j j j i 浙江大学硕士学位论文 s i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ri nc r y o g e n i ct r e a t m e n ta n dd e s i g no fa t e s ts y s t e mf o rc r y o g e n i cv a l v e s c h e np e n g x i a n g ( c r y o g e n i c sl a b o r a t o r y , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u3 1 0 0 2 7 ，e r c h i n a ) a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , i n d u s t r y , l n g l p g e x p l o r a t i o na n ds p a c et e c h n o l o g y , c r y o g e n i cv a l v e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n y a p p l i c a t i o n s t h ec r y s t a ll a t t i c es t r u g t b 舱a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a la ll o w t e m p e r a t u r e sa l eq u i e td i f f e r e n tw i t ht h o s ea ta m b i e n tt e m p e r a t u r e s c r y o g e n i ct r e a t m e n ti sa l l e f f e c t i v em e t h o dt os t a b i l i z i n gc r y s t a ll a t t i c ea n ds t r u c t u r a ld i m e n s i o n ，a n dt oi m p r o v i n g a b r a d a b i l i t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fm a t e r i a l c r y o g e n i ct r e a t m e n to fm e t a lm a t e r i a l b e c o m e so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e sf o rc r y o g e n i cv a l v ei n d u s t r y f i r s t l y , o u rw o r kf o c u s e so nt h ep r o c e s so fc r y o g e n i ct r e a t m e n to fv a l v ec o m p o n e n t s ， e s p e c i a l l yc o o l i n gd o w nt i m e a f t e ra na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h ee m p i r i c a lc o e f f i c i e n t s o fb o i l i n gh e a tt r a n s f e r , ar e v i s e de m p i r i c a le q u a t i o nh a sb e e np r o p o s e df o rt h ec a s eo f s t a i n l e s ss t e e lp l a t eb l o c k b a s e do nt h ee m p i r i c a le q u a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t h a n s y sh a sb e e nc e n d u e t e dt od e m o n s t r a t et h ec o o l i n gd o w np r o c e s so fv a l v ec o m p o n e n t s d u r i n gt h ec r y o g e n i ct r e a t m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a l lb eu s e d 船t h er e f e r e n c et o p r e d i c t i n gt h et o t a lc o o l i n gt i m ef o rt h ev a l v ec o m p o n e n t s i no r d e rt ov e r i f yt h es i m u l a t i o nm o d e la n de m p i r i c a lc o e f f i c i e n t so f b o i l i n gh e a tt r a n s f e r , e x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n eo nas t a i n l e s ss t e e ld i s cb l o c kt r e a t e db yl i q u i dn i t r o g e n b a s e d o nc o o l i n g p r o c e s sc u r v ea n dc o m p a r i s o nw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，r e v i s i o n sh a v e b e e nm a d et o t h ec r i t i c a lh e a tf l u xa n dm i n i n l mf i h nc o e 伍c i e n to fb e a tt r a n s f e r t h es i m u l a t i o nw i t h r e v i s e dp a r a m e t e r sa g r e e sw e l l 研t l le x p e r i m e n t a lr e s u l t s w h i c hm a yl e a dt om o r ea c c u r a t e p r e d i c t i o no f c o o l i n gd o w nt i m e ，ilj，j 芒 l i l 塑垩盔兰堡主兰竺堡苎 a tl a s t , a na p p a r a t u sf o rc r y o g e n i ct r e a t m e n to fv a l v ec o m p o n e n t sa n dc r y o g e n i c t e s to f t h ei n t e g r a lv a l v eh a sb e e nd e s i g n e d e m p h a s i z ei sf o c u s e do nt h e r m a li n s u l a t i o np e r f o r m a n c e o f t h et e s tt r o u g h , w h i c hi st h ek e y p a r to f t h ea p p a r a t u s k e y w o r d s ：c r y o g e n i ct r e a t m e n t , c r y o g e n i cv a l v e s ，a n s y s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , b o i l i n g h e a tt r a n s f e r m -r，l 浙江大学硕士学位论文 表面张力 汽化潜热 密度 温度 时间 热导率 换热系数 比热容 格拉晓夫数 普朗特数 动力粘度 运动粘度 重力加速度 下角标 a i r 空气 矿 壁面 s 固体 g气体 工 液体 b 气泡 主要符号表 加速度与重力加速度比值 j a k o b 数 压力 b o n d 数 努谢尔准则 瑞利准则 毕渥准则 厚度 气体体积膨胀系数 发射率 热量 热流密度 质量 饱和 对流 辐射 最小 临界热流密度 特性值 尼 p 肋m 肋 彤万 g q g 册 盯 k 户 r ， 后 口 c 白 n p y g ， 。 ， 删 唧 辨 学号2 0 4 0 8 2 2 9 独创性声明 y - 9 9 9 6 8 7 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：、嘲签字晚伊多年护多月矿娟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲p 。端绷 签字日期：) ，鼢酵。g 自。绸 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师簪，囊潞矽 签字日期：2 一a 年d 钼拶日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景及意义 随着现代科技的发展，低温系统在工业生产、国防、科研等领域得到越来越广泛的 应用，在很多场合使用规模也日渐增大。低温工程制品的生产规模不断扩大，液氧、液 氮以及液化石油气等得到广泛的应用，尤其是液化天然气越来越受到世界各国的重视。 低温工程材料的应用也越来越广泛。低温下材料的物理、力学性能与常温下相比有较大 的差别。比如一般的钢材在低温时随温度的下降，其抗拉强度和硬度增高，塑性和韧性 急剧下降，出现低温脆性，影响材料的强度和使用寿命，甚至出现脆性断裂造成灾难性 重大事故【”。常规的热处理工艺对金属的强度和韧性很难同时有较大地提高，只是以牺 牲一方面性能来换取另一方面的性能。但很多的情况下，现有材料的强度和韧性尤其是 耐磨性不是十分的理想。金属深冷处理工艺的出现，让人们看到了一种提高金属强度和 韧性的独特热处理方法。 所谓深冷处理，就是利用冷却介质将材料冷却到一定的低温( 如1 9 6 或更低温度， 因液氮应用得最广泛，本文以液氮为主) ，在低温中保持一定的时间后恢复到室温，可 使材料的耐磨性、抗腐蚀性等综合性能得到提高的方法。对于金属材料来说，深冷处理 能够促使常规热处理后所存在的残余奥氏体进一步转化为马氏体，改善和细化组织结 构，增强工模具耐磨性和尺寸稳定性，提高金属材料性能【2 】。这些材料在常规淬火过程 中，马氏体的转变终止温度大多在0 以下，有的甚至达到11 0 。因此，这类材料在 常规淬火后，就会留下残余奥氏体，其含量有时多达1 3 - 4 5 。材料的奥氏体到马氏体 的结构转变，是一个伴有体积膨胀的过程，这种过程持续时间长，常常需要数年的时间， 这给金属精密件带来形状和尺寸上的不稳赳3 1 经过深冷处理，可以防止在保存和使用 期间由于残余奥氏体分解转变为马氏体带来的膨胀变形【2 】。在深冷处理过程中，其温度 变化速率以及工件整体温度的均匀一致是至关重要的。目前，现有的深冷处理装置一般 都是将工件放置在盛装液氮的容器中进行直接浸泡处理，或把液氮喷射到工件的表面进 行低温处理。 浙江大学硕士学位论文 1 2 发展概况及研究现状 一 1 国外深冷处理机理及工艺研究概况 2 0 世纪初，国外就开始研究用过度冷却的方法改变钢的组织和性能。1 9 3 8 年，高速 工具钢深冷处理的建议首先被提出，并提出了冷至8 0 c 的理论根据。美国在2 0 世纪5 0 年代已经开始深冷处理对金属性能影响的研究。6 0 年代末，美国路易斯安娜理工大学机 械工程系f b a r t o n 教授对5 种合金钢5 2 1 0 0 、d - 2 、a - 2 ，m - 2 和o 1 进行了细致地研究。通 过对比深冷处理与未深冷处理的试样发现，深冷处理后的硬度虽然增加有限，但其耐磨 性却有显著提高。如经8 4 c 处理后的试样耐磨性比未处理的要提高2 o 6 6 倍，经一1 9 0 6 c 处理的试样耐磨性比8 4 ( 2 处理的还要提高2 6 倍。实际生产中也证实了f b a r t o n 的研究结 论的正确性。7 0 年代美国休斯航空公司、通用动力公司、通用汽车公司、s t e e l c a s e 及日 本c a n n o n 等公司均使用深冷处理技术，特别是m a r t i a l si m p r o v e m e n ti n e ，则成为专门从 事深冷处理的专业性公司。前苏联较早采用深冷处理技术来提高高速钢刀具使用寿命 【4 】。 进入二十世纪8 0 年代，各国对深冷技术的研究更加深入，澳大利亚、罗马尼亚、德 国、新加坡、英国等国家的学者对深冷处理的工艺、机理都做了一定的研搿钉。美国成 立了若干个专业化的深冷处理公司，如3 xi n s t r u m e n t s & t o l l i n g 、m a t e r i a li m p r o v e m e n t 和a m e c r y 等，并分别对阀门、刀磨具、轴承、特殊弹簧、高速钢、钴基合金进行深冷 处理，实验结果表明深冷处理对于提高上述材料的性能和使用寿命有显著的作用，一般 可以提高5 1 0 倍不等。1 9 8 7 年美国的g r a y 发起成立了国际深冷处理研究会。在日本，近 藤正男研究了深冷处理和马氏体相变的关系；大川雄史研究了深冷处理对s k d 材料使用 寿命和s k d i i 钢耐磨性的影响；岸上慎次郎则对不锈钢的深冷处理进行了研究。英国b o c 公司i l 勺i l f r e y 进行了深冷处理改善材料零件力学性能的研究，结果表明经深冷处理后可 使使用寿命提高5 倍，而粉末冶金件的力学性能也得到了明显的改善【5 】。 2 国内深冷处理机理及工艺研究概况 国内关于深冷处理研究的文献报道是从8 0 年代后开始的，其主要内容集中在高碳高 合金钢的深冷处理工艺方面，甘肃工业大学、河北工学院和中南工业大学等是国内较早 开展金属深冷处理研究的高校，但对深冷处理机理方面的研究仍未有突破文献的结论。 近十多年以来，特别是近两年来，国内包括上述高校在内的一些科研机构正致力于 2 浙江大学硕士学位论文 对工具钢、模具钢、刃具钢、量具钢以及有色金属的深冷处理的工艺及机理研究，并取 得了一定的成果，部分成果已经应用于生产，还有一些成果正处于试验阶段。 3 a n s y s 热分析介绍 在深冷处理过程中，其温度变化速率以及工件整体温度的均匀一致是至关重要的。 然而，在有些情况下，没办法通过实测来得到相关数据。此时，对工件在处理过程中的 温度分布等传热性能进行数值模拟将对处理工作起到一定的指导作用。而且，数值模拟 的成本较低。因此，本文将主要利用大型通用软件a n s y s 来对深冷处理时的相关传热性 能进行模拟分析，以进一步指导深冷处理过程。 目前，国内利用a n s y s 模拟金属在液氮中的深冷处理过程的文献还相对比较少。例 如浙江工业大学的付军和王秋成做过7 0 5 0 铝合金板材深冷处理时温度场的模拟嘲，模拟 结果和实验结果相对比较接近。随着模拟过程中相关系数的测试技术的完善和a n s y s 软件的进一步完善，利用a n s y s 模拟深冷处理过程的方法有望得到更广泛的应用。 1 3 本文主要工作 1 3 1 低温阀门部件深冷处理模拟 本文主要针对液化天然气用低温阀门( 主要为闸阀) 部件深冷处理过程进行模拟， 以便指导深冷处理过程，对后续的阀门低温试验也有一定的指导意义图1 - 1 为低温闸 阀的示意图。 l 3 2 低温阀门深冷处理及试验系统设计 通过设计一套深冷处理装置，用来对阀门部件进行深冷处理，利用前述模拟结果指 导处理过程。把深冷处理后的阀门部件组装成整个阀门，设计一套阀门试验装置，对已 经处理过的阀门进行常温和低温试验，包括检漏和操作性能试验。由于深冷处理装置只 为试验装置的一部分，后文主要针对试验装置进行设计计算。低温阀门试验应按照机械 行业标准低温阀门技术条件执行。低温试验应该在常温试验合格后进行。 浙江大学硕士学位论文 ! - - 阀体，2 一勰座，3 一闸板，仁阀杆，5 一垫片，6 一阔盖，7 螺栓，8 螺母，埘密封座，1 0 一支撑轴承，l l 一 填料垫，1 2 填料，1 3 活节螺栓。1 4 填料压套，1 5 一填科压盖，1 6 支架，1 7 一阀秆螺母，1 8 一油杯，1 9 压 盖，2 0 手轮，2 l 螺母，2 煳钉 图1 1 低温闸阀 4 浙江大学硕士学位论文 第二章不锈钢板及阀门部件深冷处理模拟 2 1 引言 如第一章所述，在深冷处理过程中，工件的温度变化速率以及工件整体温度的均匀 一致是至关重要的，将直接影响到处理后工件的性能。本章主要叙述深冷处理时沸腾换 热的机理及早期学者做的相关实验，通过他们做的实验和经验公式，确定a n s y s 模拟 时需要的沸腾换热系数。再利用a n s y s 模拟与阀门部件相似的不锈钢板及阀门部件在 液氮中的深冷处理过程，观察其在液氮中的温度随时间变化，以便指导深冷处理过程。 2 2 模拟过程 本文的模拟类型为a n s y s 瞬态热分析，其步骤包括：建模、加载求解和后处理。 2 2 1 建模 1 确定j o b n a m e 、t i t l e ，进入p r e p 7 。 2 定义单元类型并设定选项。本次模拟选择单元s o l i d 7 0 ，8 节点热实体单元。选择 该单元可以在减少计算量的同时提高网格密度以提高模拟的精确度。 3 定义单元实常数。本次模拟不需要涉及到质量等，所以不需要定义实常数。 4 定义材料热性能：一般瞬态热分析要定义材料的热导率、密度及比熟容。试 件材料为1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料，其热导率、密度和比热容都是随温度变化的， 因此需要定义随温度变化的参数，如表2 1 t 1 1 和图2 1 、2 2 。 表2 - 1 不锈钢热导率和比热容 温度热导率比热容温度热导率比热容 ( k ) w ( m k ) j ( k g k ) ( k ) cw ( m k ) 】 j ，( k g k ) 1 0o 7 75 0 2 1 2 0 1 0 ，3 6 2 9 0 2 01 9 51 2 61 4 01 1 1 73 2 9 3 03 3 02 9 31 6 01 1 8 63 6 4 4 0 4 7 0 5 7 81 8 01 2 4 73 9 5 5 05 8 0l o o2 0 01 3 o o4 1 9 6 06 8 01 2 82 2 01 3 54 3 1 7 07 6 01 6 72 4 0 1 3 9 4 3 7 8 0 8 2 6 1 9 72 6 0 1 4 3 4 4 0 9 088 62 3 02 8 01 4 64 4 9 l o o9 4 02 5 03 0 01 4 9 04 7 7 浙江大学硕士学位论文 虿 薹 量 图2 - 1 不锈钢热导率图 图2 - 2 不锈钢比热容图 5 建立几何模型。通过a n s y s 建模，可以得到不锈钢平板的模型如下图2 3 ，平板 大小为t p 9 0 m m x 2 8 m m 。阀门部件模拟以d n l 5 0 的闸阀阀体上的阀盖法兰盘来进行模拟， 因为阀盖法兰盘直径和厚度最大，最难以冷却，端盖法兰盘为竖直平板，其换热系数比 水平平扳大，比较容易冷却 7 1 。因此建立法兰盘模型如下图2 - 4 。 图2 - 3 平板几何模型图 图2 4 法兰盘几何模型图 6 对几何模型划分网格。网格划分的密度对计算结果的精度有很大的影响，网格越密， 计算结果精度越高，计算量越大，对计算机的要求越高。但是当网格密度提高到一定程 度，计算结果精度将不再变化。因此，必须根据需要来选择网格划分密度。网格图如下 图2 5 和2 - 6 。 6 一一_)，f】3 辨扛大学硪士学位论文 黧2 - 5 平板蘸耱爨圉2 - 6 法兰盘弼蘩鬻 2 2 2 加载求解 t 定义分析类整。零次模羧为褥淼煞分裾，嚣既定义隽n e wa n a l y s i s 墼瓣t r a n s i e n t 瓣态分爨。 2 定义瞬态分析的初始条件。因为部件的初始濑度己知，而且是均匀的，因此，设定 裙贻鹭留溢度u n i f o r mt e m p 鸯3 0 0 k 。 3 。熬麓浚终上鹣载蘩。热务橱戆栽荣秘类憩撂滋凌、辩流、热流、熬生成等，零次模 拟的主要载荷为对流载荷。具体的载荷数据下一节将做具体的叙述。 t 设定载荷多逡凌。包括瞽邋遥璜和菲线经选瑗。普遁逑顼童要为霹阕，畿括每令 载褥多雏寨露懿辩闼秽每一令载荣步戆载褥子步熬簿阉步长。菲线魏选壤像捂迭代次 数、自动时间步长和时间积分效果。 ( 1 ) 零次模拟设定个载持步，载蘅步斡时闯长裙步浚定必6 0 0 s ，褥辗撵结果谲攘。 ( 2 ) 由于瓣态繁 势耩是菲线毪分褥，载褥步嚣要多个鼗蕊予步，载蓰予步蠡冬露蠲步 长关系到计算的糙度。子步越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。本次模拟取最 大蹿褥子步长为4 s 。 ( 3 ) 鞫兔本次模稼掰麓载麴簸麓为滚氮岛试俸之闯懿鼹濂换蒸，掰麓载瓣对流羧热 系数是赡疆差变化的，设定载荷为阶跃的s t 印p e d 。 4 ) 般j 线性熟分析的默认予步迭代次数麓2 5 次，对本次模羧融经怒够。 ( 5 ) 悲系统熬鑫动辩闻多长狂歼，在求熬逶耩中系统将裰据结采辩l l 芟敖情况自淤调 整时闽步长。如果在规定的迭代次数内未能收敛，则系统自动减小时阅步长再迭代，直 嚣收敛烫止。 ( 6 ) 本次模 嬖l 为瓣态的，戳诧堍把对褥积分效栗帮嚣。 ? - 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 后处理 a n s y s 有两种后处理方式p o s t i 和p o s t 2 6 。用p o s t l 后处理可以读出模型在某 一载荷子步( 时间点) 的结果，利用云图、矢量图后者打印列表查看。用p o s t 2 6 后处 理可以读出模型中特定点在整个瞬态过程中的结果，可以绘制某个变量随时间的变化曲 线。根据本次模拟的需要，我们可以通过p o s t l 后处理查看试件整体或部分在某一时 刻的温度分布图。同时，可以通过p o s t 2 6 后处理查看试件上某点的温度随整个处理过 程时间的变化。 2 3 载荷数据计算 本次模拟的载荷为试件在液氮中的沸腾换热，所需要的数据为试件在液氮中的沸腾 换热系数。由于沸腾换热系数与很多因素有关，包括试件形状、尺寸、材料、液体性质 和试件沉浸深度等嘲。沸腾换热系数可以通过实验的方法或者经验公式计算获得。国内 外很多学者通过实验得到试件温度随时间变化数据，再通过反传热计算来获得沸腾换热 系数。但是，反传热问题的求解比正传热问题困难得多。因此，考虑到各种因素，本次 模拟的沸腾换热系数将通过结合经验公式和前人所做的实验数据，找出最适合本次模拟 的数据，再运用到本次模拟中。 2 3 1 沸腾换热机理 当壁温高于液体的饱和温度时，发生沸腾过程。如阀门放入液氮中的沸腾，水在锅 炉中的沸腾汽化，都属于沸腾换热，为液相转变为气相的换热。 沸腾分为大空间沸腾( 池沸腾) 和有限空间沸腾( 受迫对流沸腾、管内沸腾) 。而 这些沸腾又可分为过冷沸腾及饱和沸腾。本文主要研究试件在饱和液氮中的沸腾，为可 润湿壁的大空间饱和沸腾。此时常温的试件沉浸在具有自由表面的液氮中，产生的蒸汽 能自由浮升，穿过自由表面进入容器空间唧。 液体的池沸腾曲线主要分为四个部分，i 为自然对流沸腾；为核态沸腾：m 为过 渡态沸腾；为稳定膜态沸腾。 1 自然对流蒸发 当加热面温度和液体饱和温度瓦之间的温差比较小的时候，壁上只有少量气泡 8 浙江大学硕士学位论文 发生，而且产生的气泡不能脱离壁和上浮，故看不到沸腾的景象，热量依靠自然对流过 程传递到主体，蒸发在液体表面进行，主要为自然对流沸腾。 2 核态沸腾 很多传热书都有讲述到核态沸腾机理，这里不再阐述。主要是通过气泡的生成长大 和传热的规律来说明。因此，对气泡的生成长大和传热有影响的因素都将影响到核态沸 腾。 ( 1 ) 影响气泡生成长大的因素 核态沸腾能够生成的气泡核越多，则沸腾就越激烈，而生成气泡核的基本动力是沸 腾温差。因而通过一系列推导和简化可以得到： 。历2 0 面l t s ( 2 - 1 ) 其中：墨。为初生气泡核能稳定的最小半径。 从上式可以看出：紧贴加热面的液体温度等于壁温，过熟度最大，在这里生成气泡 核所需的半径最小，故壁面上凹缝、孔隙是生成气泡核最好的地点；当r 增加时，蜀删 也随之减小，这意味着初生的气泡中将有更多的气泡能够符合长大的条件，故r 提高 后，气泡量急剧增加，沸腾也相应被强化。 ( 2 ) 热量传递的影响 在沸腾过程中，热量一方面经由气泡与壁直接接触的表面传给气泡，另一方面热量 由壁传给液体，再由液体传到气泡表面，使液体在气泡壁上气化，气泡继续长大，由于 液体的热导率远大于蒸气，故传递的途径主要是后者。气泡膨胀长大，受到的浮力也增 加，当浮力大于泡和壁的附着力时，气泡就脱离壁升入液体。而附着力又与液体对壁的 润湿能力有关。当液体能很好润湿壁时，如水、液氮，气泡能脱离壁，传热量高。当液 体不能很好润湿壁时，如水银。气泡难于脱离壁，传热量也低。 ( 3 ) 压强的影响 由上式，在一定r 下，吒、k 、嚣和几这4 个值中，只有忍随压强的变化最大， 故对一定的r ，随着压强的提高，能够生成的气泡核更多，沸腾也随之加强。 ( 4 ) 除以上因素外，重力场、液位( 沸腾面与自由面问的距离) 等也都有一定影响【1 0 1 。 9 浙江大学硕士学位论文 3 膜态沸腾 从传热的角度来看，膜态沸腾是效率差的换热。但是，在很多的低温系统中它都存 在。在试件突然放入液氮中的初始冷却阶段，由于试件表面温度远高于液氮温度，低热 导率的气体充斥着试件表面，因此，膜态沸腾中对换热起主要阻碍作用的就是气体膜的 热阻。 2 3 2 沸腾换热实验 国外很多学者做过沸腾换热实验( i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ：h w a l e k ，1 9 8 2 ：d e d 和l i e n h a r d ，1 9 7 2 等) ，比较详细的为i r v i n g 和w e s t w a t e r 的实验。国内也有很多学者做 过类似的实验，如上海理工大学的许建俊、华泽钊等。不同学者所做实验的结果不尽相 同，下文主要针对t r y i n g 和w e s t w a t e r 的实验做分析。 i r v i n g 和w e s t w a t e r 通过球体和水平平板在饱和液氮中的沸腾实验，采集试件随时 间的温度变化数据，通过反传热计算求得沸腾曲线( q - a t ) 。实验表明对沸腾曲线的 影响因素很多，包括试件形状，尺寸、材料、液体性质、试件沉浸深度等嘲。下面就其 实验中不同形状试件中各因素对沸腾曲线的影响做分析。 1 球体 i r v i n g 和w e s t w a t e r 使用5 种不同金属( c u 、a i 、z n 、p b 和b i ) 的6 个不同直径 ( 7 6 - 4 0 6 m m ) 试件做实验，实验结果如图2 - 7 ，2 - 8 所示 p 薹 董 z 守 d 1 0 ( m m ) 图2 - 7 球直径对液氮最小膜态沸腾热流密度 的影响( i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ) 1 0 p 邑 熏 善 图2 8 球直径对液氮临界热流密度的影 响( i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ) 浙江大学硕士学位论文 由上图可以看出，对沸腾曲线的影响因素包括： ( 1 ) 球体直径 由图中可见，大小试件的沸腾曲线差别很大。h e n d r i c k s 和b a u m e i s t e r ( 1 9 6 9 ) 采用 小试件所做实验表明小试件的热流密度远大于大试件的热流密度。上海理工大学的许建 俊和华泽钊所做的研究也表明f l l l ： i 大小样品的淬冷沸腾换热有着明显的差别，小样品的换热强度比大样品的换热强度 明显高得多，小样品在建立稳定的膜态沸腾之前有一沸腾起始段。 小样品在淬冷沸腾换热的起始段中温降达6 0 k ，因而研究提高样品在起始段的冷却 速率是非常有意义的。 小样品的l e i d e n f i o s t 点( 最小膜态沸腾点) 和临界热流点对应的壁面过热度明显比 大样品的高，也就是小样品的l e i d e n f r o s t 点和临界热流点比大样品的出现得早。 临界热流密度随样品尺寸的减小而增大，且样品尺寸越小，其增大速率越快 图2 - 7 中表明，当球直径小于5 0 m m ( 4 5 ；t d ) 时，最小膜态沸腾热流密度g 。与直 径成- o 6 3 次方指数变化。如为t a y l o r 波长。 w 著钢”2 c 2 之， 对于大气压下的液氮，如= 1 1 2 r a m 。 由图2 7 可以看出，当球体直径达到一定值( 4 5 如) 后，对于任何材料试件，最 小膜态沸腾热流密度g 。保持定值。 由图2 - 8 可以看出，当球体直径达到一定值( ) 后，对于任何材料试件，核态沸 腾最大热流密度( 临界热流密度) q c n f 保持定值 ( 2 ) 材料性质 对于不同材料的球体，实验结果如图2 - 9 。 图2 - 9 中的沸腾曲线，对于不同材料，其在不同直径下的平均值。 从图中可以看出，对于不同材料，材料的沸腾曲线不同。临界热流密度g 。和膜态 最小热流密度q 。, l n 也不同，如图2 7 和图2 - 8 所示。 浙江大学碗士学位论文 从图2 - 9 还可以看出，在膜态沸腾区，其热流密度随7 增加而增加，试件表面被 气膜所覆盖，此时，膜态沸腾与材料种类无关，这与b r o m l e y 对于圆管所做的实验结果 一致【1 2 】。 a t ( k ) 图2 - 9 球材料对液氮沸腾的影响 ( i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ) 孝 喜 图2 1 0 液氮中球体不同方位角的临界热流密度 ( i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ) ( 3 ) 方位角 对于沸腾时曲面上各处热流密度不一致这现象，不少学者做过相关研究( m a n s o n ， 1 9 6 6 ：t h i b a u l t 和h o f f m a n ，1 9 7 8 ：i r v i n g 和w e s t w a t e r ，1 9 8 6 ) 。所有研究表明：方位角 对膜态沸腾区的影响很小，对沸腾曲线的其他区影响较大【1 3 】。图2 1 0 为球面上不同方 位角的临界热流密度g 凹。当然，不同材料变化也是不同的。i r v i n g 和w e s t w a t e r 建议 为了简化计算，采用0 。方位角( 热面朝上) 的临界热流密度，因为0 。方位角的热流 密度值与平板的l 临界热流密度值比较接近。 ( 4 ) 沉浸深度 对于球体在液体中的沉浸深度对沸腾曲线的影响的研究还不是很多。对平板的研究 发现：除非沉浸深度很小( 小于1 0 2 0 r a m ) ，沉浸深度的影响很小。i r v i n g 和w e s t w a t e r 的实验建议沉浸深度取1 0 0 - 1 5 0 m m 。 2 平板 因为理论上的研究都是基于水平面朝上平板，比如z u b e r ( 1 9 5 8 ) 和k u t a t e l a d z e ( 1 9 5 1 ) 针对最小膜态沸腾热流密度g 提出的公式，z u b e r ( 1 9 5 8 ) 和b e r e n s o n ( 1 9 6 1 ) 针对临界热流密度g 。肛提出的公式。因此，对水平面朝上平板的实验研究显得尤为重要。 u们 浙扛大学硕士学位论文 很多学者( p e y a y o p a n a k u l 和w e s t w a t e r ，1 9 7 8 ；l i n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) z i l m ，1 9 8 4 ； e g a n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 5 ) 使用9 种不同直径( 6 4 3 0 4 8 m m ) 和2 1 种不同厚度( o 5 - 5 1 0 m m ) 的5 种不同金属( c u ，a i ，z n ，p b ，b i ) 水平面朝上圆板在大气压下的液氮中做沸腾实 验。 ( 1 ) 平板直径 当平板直径相对“无限大”时，在中心产生的气泡距壁很远才不会受到边界影响。图 2 一l l 为厚度6 3 5 m m 、不同直径的c u 平板在液氮中的沸腾曲线。 a t ( k ) 图2 - l l 不同直径c u 平板的沸腾曲线 ( e g a n 和w e s t w a t e = r ，1 9 8 5 ) 一 差 专 f a t ( k ) 图2 - 1 2 不同厚度a l 平板的沸腾曲线 ( l i n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 由图2 1 l 可以看出，当平板直径很小的时候，平板直径对沸腾曲线的影响很大。 当平板直径增大时，沸腾曲线趋于渐近值。对于核态沸腾和膜态沸腾临界直径是不同的。 对于核态沸腾和临界热流密度g 哪，临界直径大概为2 5 2 , 0 ，例如大气压下的液氮，大 概为2 8 r a m 。对于膜态沸腾和最小膜态沸腾热流密度q u r n ，临界直径约为7 如，例如大 气压下的液氮，约为7 8 4 m m 。对于本次模拟的模型，其直径已超过，可以用渐进值计 算。 ( 2 ) 平板厚度 过薄的平板在很小的对流换热的时候就会冷却下来，临界热流密度g c 即将很小。当 平板足够厚的时候，对流将趋于准稳态状态，沸腾曲线将趋于渐近值。图2 1 2 为不同 厚度a j 在液氮中的沸腾曲线。 由图2 1 2 可以看出，当平板厚度很小的时候，曲线明显不同于厚平板的曲线。l i n 浙江大学硕士学位论文 和w e s t w a t e r 提出，当无量纲平板厚度( b i 数) 大于0 9 时，临界热流密度趋于渐近值。 其中： bi=ac盯dk(2-3) 式中：口c 孵为l j 缶界点的换热系数，d 为平板厚度，k 为平板热导率。 因此，平板临界厚度为： d=o9kac盱(2-4) 对于c u 在液氮中，可求得为2 5 m m ，在水中为1 2 r a m 。对于本次模拟的不锈钢材料， 其临界厚度比c u 小得多，因此，模型的临界热流密度趋于渐近值。 下图2 1 3 为临界热流密度g c 咿随b i 数变化图( l i n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) ，从图中 可以看出，当b i 数大于0 9 时，g c 孵趋于定值。图中g 霉为准稳态下的热流密度嘲。 a w d l 【 图2 1 3 临界热流密度随b i 数变化图 ( l i n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 彳- 、 墨 奄 爱 f a t q ( k ) 图2 - 1 4 不同金属厚平板液氮中沸腾曲线 ( l i n 和w e s t w a t e t 。1 9 8 2 ) ( 3 ) 平板材料 上图2 - 1 4 为不同金属厚平板在液氮中的沸腾曲线( l i n 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 。图2 - 1 5 为以不同金属热扩散率为变量，临界热流密度g 。和对应的温差a t 图( l i n 和 w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 。 图2 - 1 5 中曲线由以下方程( 2 5 ) 、( 2 6 ) 给出： 器= 腊r 沼s ， 1 4 浙江大学硕士学位论文 面a t c h f a = 蒯一 亿6 ， 式中：g c 职一、g a 铲j 分别为金属a 和b 的临界热流密度，z ：解、z ：肛t b 分别为金属 a 和b 对应于临界点的温差，( 枷l 、( 咖) 。分别为金属a 和b 的热扩散率 图2 - 1 6 为不同金属最小膜态沸腾热流密度g 。所对应温差随金属热扩散率变化图。 k p o x1 0 4 【w 2 s ( m 4 购】 图2 1 5 临界热流密度和温差变化图 ( l l u 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 图2 1 6 最小膜态沸腾温差变化图 ( l m 和w e s t w a t e r ，1 9 8 2 ) 图2 - 1 6 中曲线由公式( 2 - 7 ) 给出： 等= 黠厂 池7 ， 式中：z 赫一、。分别为金属a 和b 对应于最小膜态沸腾点的温差 由于在膜态沸腾区，蒸气完全覆盖材料表面，膜态沸腾曲线与金属材料无关嗍1 2 1 。 因此，可以根据公式( 2 7 ) 求出对于不同金属，最小膜态沸腾热流密度碍埘州随金属热 扩散率的变化公式。 2 3 3 沸腾换热计算经验公式 1 自然对流沸腾 温差值由以下公式给出1 4 1 ： 浙江大学硕士学位论文 _ c l a t 2 7 时成立，其中，b o n d 数为： 肋：星纽二丝： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 其中：定型尺寸l 对于平板取宽度，对于圆管取直径。 对于水平圆管，临界热流密度公式由s u n 和l i e n h a r d ( 1 9 7 0 ) 修改成如下： 一叭4 咄砒 予吖 协 其中：几何修正系数k d 为： = o 7 8 1 + 1 9 9 3 e x p ( - 2 4 3 2 8 0 1 7 4 ) ( 2 1 7 ) 对应于临界核态沸腾点的温差z 舀旷可由公式( 2 1 0 ) 或( 2 1 1 ) 求得。 4 膜态沸腾 对于水平圆管膜态沸腾，对流准则关联式由b r o m l e y ( 1 9 5 0 ) 提出： n u = 0 6 2 ( r a ，l3 n 3 ” n u 数中含有气体物性参数的公式为： n u = h b d 地g 1 7 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 浙江大学硕士学位论文 其中：d 为定型尺寸，取圆管直径。 膜态沸腾r a 数为： 卟逊铲 j a 数中含有气体物性参数的公式为： 如眢i i 店上 其中：( f 詹i 为有效汽化潜热，为： ( f 詹l = + o 3 4 c 。一b ) 以上所有气体物性参数的定性温度为： l = + r a 2 液体物性参数的定性温度为饱和温度五一 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 若圆管的直径( 或b o 数) 相对较小，必须在公式( 2 1 8 ) 中加入几何修正系数 n u = o 6 2 k n 似，魄y “ 若b o 1 3 8 ，k o = 1 。若b o 1 3 8 ， ( 2 2 4 ) 如= ( o 6 + 0 4 4 2 b o ) - 2 ( 2 2 5 ) 对于水平板面朝上，膜态沸腾公式为( b e r e n s o n1 9 6 1 ) ： 舰= 等一o 乾s a ，j a o ) b o ”f “ 其中；l 为定型尺寸，取平板