高温物体喷雾冷却时冷却水水质的影响

高温物体喷雾冷却时冷却水水质的影响刘振华(上海交通大学)摘要实验系统研究了对高温金属面进行喷雾冷却时水质和传热面表面粗糙度对沸腾换热特性的影响。在不同水质条件下表面粗糙度对沸腾换热特性无明显影响，而水质对沸腾换热特性有十分显著的影响。使用含杂质较多的冷却水可以大幅度提高膜沸腾区域的换热能力。关键词喷雾冷却水质沸腾换热EFFECTOFCOOLINGWATERQUALITYONMISTCOOLINGOFHOTSURFACELIUZhenhua(ShanghaiJiaotongUniversity)ABSTRACTExperimentalstudyhasbeenperformedonthemistcoolingofhotsurfacetoinvestigatetheeffectofhotcleanlinessofcoolingwaterandroughnessofhotsurfaceonheattransfercharacteristics.Theresultsdenotethattheroughnesshasalmostnoeffectonboilingheattransferbutthecleanlinesshavestrongeffectonboilingheattransferathightempera-tureandheattransfercanbegreatlyenhancedwithimpurecoolingwater.KEYWORDSmistcooling,waterquality,boilingheattransfer1前言由水滴和空气组成的气液两相混合物对高温物体进行喷雾冷却在钢铁行业中被广泛使用，具有重要的实用价值。喷雾冷却具有均匀、容易实现控制、节省水等优点。尤其在高温区域的过渡沸腾和膜沸腾换热领域内优点更加明显。从传热学角度看，由于钢铁等被冷却材料的温度都在一百多度至上千度，液滴和高温面之间的换热基本属于过渡沸腾和膜沸腾。由于对沸腾换热的影响因素繁多，相互间关系复杂，各沸腾换热的机理不同，因此目前关于喷雾冷却实验的数据虽然相当多［1～8］，但还未形成统一的认识，各类实验结果无论是定性还是定量都存在着很大差异，这给工程中实际应用带来很大困难。通过对大量相关文献进行分析，发现喷雾流的流体力学条件(如液滴粒径，喷雾流冲击速度，水流量)和加热面热物性不是产生这些差异的主要原因。主要原因可能是冷却水水质和传热面表面状态(粗糙度，固液接触角)等影响固液接触状态的因素。文献［5］对传热面表面进行各种理化处理(镀各种金属膜，氧化等)，改变固液接触角后的实验结果表明，接触角对过渡沸腾和膜沸腾区域的换热特性并无实质性影响。文献［6］在水平传热面上加工出各种形状的沟槽结构，实验也表明各类沟槽面对膜沸腾特性无显著影响。关于水质的影响尚未见到任何报告。在池沸腾和强制对流沸腾中水质对沸腾特性并无影响，这从沸腾机理和大量实验中都已证实。但在水流速较低的喷雾冷却中，单个液滴在传热面上蒸发后，液体内的各种杂质会留在传热面上可能形成污垢层，这种污垢层很可能会对换热特性产生很大影响。本文对水质的影响进行了研究，同时进行了不同水质条件下传热面粗糙度影响的实验。得到了一些有益的结果，对生产实际有一定参考价值。2实验装置和实验方法图1给出了实验装置示意图。压缩空气和冷却水在喷嘴内混合后垂直向下喷出形成喷雾流。加热体是一个紫铜块，详细尺寸见图2。加热体上部是一个圆柱体，上表面为传热面。加热体下部是一长方体，内部插入6根碳化硅加热棒，加热棒和加热体间保持一定空隙，通过幅射放热加热铜块。通过测定和数值计算可以认为圆柱体上部已处于垂直方向的一维导热状态。因此传热面表面温度和热通量可以通过圆柱中心轴线上两根热电偶测温值换算得出。装置中使用了快速反馈式PID控制系统来自动控制壁面温度以期能实现稳态过渡沸腾。图1实验系统示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalapparatus1—实验外箱；2—传热面；3—喷嘴；4—混液箱；5—调节阀；6—排水箱；7—水泵；8—供水箱；9—辅助加热器；10—空气压缩机；11—调节阀；12—流量计；13—压力表；14—供电系统；15—温控系统；16—测温系统；17—计算机；18—打印机图2加热体及热电偶在加热体中位置Fig.2Locationofthetermocouplesincopperblock①②—报警用热电偶；③④⑤—测温用热电偶；⑥⑦⑧—控制用热电偶喷雾条件(冷却水质量流速，液滴平均粒径，壁面冲击速度)在预备实验中确定。实验用冷却水采用纯水、净水和自来水三种水质的水。纯水指离子交换水，电导率约3μm/cm，净水指的是反复使用过的离子水，电导率约10μm/cm，自来水即一般的家庭用自来水，电导率约400μm/cm。实验范围：水质量流速w在0.1～1.0kg/(m2*s)，粒径d在100～300μm，传热面上喷雾流冲击速度v在3～5m/s。传热面温度在100～650℃，冷却水温保持在20℃。传热面分为光滑面和粗面两种状态。光滑面指的是用极细砂纸将传热面磨成接近于镜面。粗面是指用不同型号粗砂纸将传热面磨成不同粗糙度的表面。实验前先用丙酮和纯水将传热面擦净，然后通电加热将传热面温度保持在400℃左右，几十分钟，使传热面上形成黑色氧化层，这样可保持表面放射系数和固液接触角在实验中不再随壁温变化。实验时壁温由低温向高温逐渐递增。3实验结果图3显示了纯水为冷却水时传热面表面粗糙度对沸腾换热的影响。实验中使用了多种粗糙度，但沸腾特性几乎没有差异，因而在图中用一平均值代表粗面。图中实线是半理论半经验公式计算式［6］。如图3所示，光滑面和粗面之间也无明显差异。这说明在纯水水质时传热面粗糙度对喷雾流换热特性无明显影响。在核沸腾区域由于水质量流速较小，传热面上形不成液膜流动，换热机理是液膜斑块蒸发，发生沸腾危机的机理是传热面干涸，其所对应的临界热通量可由下式描述：图3纯水喷雾冷却时传热面粗糙度的影响Fig.3Theeffectofsurfaceroughnessoncoolingchara-cteristicsinusingpurewaterqmax≈0.8wH′fg(1)w是水质量流速，H′fg是修正潜热，H′fg＝H′fg+cp(Tsat-Tl)，cp是液体比热容，Tsat和Tl分别是饱和温度和冷却水温。在不考虑空气的强制对流换热时，如果液滴被全部蒸发则式(1)右项的系数应为1，但实际上总有一部分液体被蒸汽带走，因此该系数要低于1。图3中稳定过渡沸腾未能实现。图4和图5给出了不同水质，传热面为光滑面的实验结果。可以清楚看出在核沸腾区域内水质无明显影响，但在高温区域内水质的影响十分显著。净水的沸腾曲线中出现了稳定的过渡沸腾区域，此区域温度范围较宽，在壁面过热度达到400K后才进入膜沸腾区域，在膜沸腾区域内净水和纯水的沸腾曲线基本一致。注意到净水的电导率也只有约10μm/cm，一般的实验室用纯水或蒸馏水稍加污染即可达此数值，可见水质的影响之大。自来水的沸腾曲线完全有悖于一般形态的沸腾特性，在达到临界热通量后呈现一水平直线，没有出现任何过渡沸腾和膜沸腾的特征。观察传热面可发现传热面呈现灰白色，传热面上依然有水膜散乱存在，即在高温区域固液接触仍然存在。图4水质对喷雾冷却特性的影响(光滑面)Fig.4Theeffectofwaterqualityoncoolingcharacteristics(smoothsurface)图6显示了粗面情况下不同水质对沸腾特性的影响。其结果与光滑传热面基本相同。可见传热面光滑度对不同水质冷却水的沸腾特性并无影响。实验观察同样发现在使用纯水时传热面呈黑色，高温区域内传热面处于干燥状态。而在使用自来水时传热面呈灰白色，高温区域内传热面上有液膜存在。图5水质对喷雾冷却特性的影响(光滑面)Fig.5Theeffectofwaterqualityoncoolingcharacter-istics(smoothsurface)图6水质对喷雾冷却特性的影响(粗糙面)Fig.6Theeffectofwaterqualityoncoolingcharacter-istics(roughsurface)4讨论水质的影响可以从沸腾换热机理出发探讨。在核沸腾区域内换热机理是固液直接接触导热产生的液滴或液膜蒸发，因而水质对蒸发换热不会产生影响。在高温的膜沸腾区域，当传热面温度超过Leidenfrost温度(液滴沸腾曲线中最小热通量所对应的壁温)后固液完全不能直接接触，固液间形成蒸汽膜，换热系数较核沸腾时大为降低。纯水冷却表现出了这种特征。本实验中最小热通量所对应的壁面过热度约在130～150K，这一数值和常压下池沸腾的实验值或Speigler［9］的理论值十分接近。由于是通电加热，虽然采用了温控系统仍没有实现稳态过渡沸腾。在使用自来水时，水滴中含有大量杂质，随着液滴的不断蒸发，这些杂质在传热面上形成一层很薄的导热系数极低的污垢层，在传热面壁温很高时污垢层表面温度实际并不很高，因此液滴仍能接触传热面(准确地讲是污垢表面)产生核沸腾状态下的液膜蒸发。液滴基本全部被蒸发，因此沸腾曲线表现为一水平直线而和壁温无关，可以由式(1)估算。此时图中横坐标的过热度只是金属面的过热度而并非实际传热面(污垢表面)的过热度，因而推导出壁面过热度和热通量之间的相关式是没有意义的。好在生产实际中关心的是冷却能力q，而q可以方便地用式(1)估算。净水的情况介于纯水和自来水之间。由于净水中也含有少量杂质，在传热面上也会形成一些斑点状薄层，液滴落在这些斑点上会形成固液接触，这样整个传热面上会产生局部固液接触，也就是呈现出过渡沸腾的特征。由于这些污垢层极薄，随着金属面温度升高，污垢层表面温度也会逐渐升高超过Leidenfrost温度，这样整个传热面上都无法存在固液接触而进入膜沸腾状态。从理论上讲，如果净水喷雾时间无限长，传热面上也会形成较厚的污垢层，从而使沸腾曲线接近自来水的沸腾曲线。这就使喷雾冷却的换热特性和冷却水中含杂质的量、成分及冷却时间等不确定量有较强的依存关系。因而各种实验结果很难统一。5结语对高温金属进行喷雾冷却时，水质和传热面粗糙度对沸腾换热特性影响的研究发现，传热面粗糙度对沸腾特性无显著影响，而水质对沸腾特性有非常强烈的影响。这种水质的影响带有很大的不确定性，很难定量描述。使用含杂质较多的冷却水可以在高温金属面上形成一极薄污垢层，从而将膜沸腾转变为核沸腾，大幅度提高冷却能力。参考文献1日本钢铁协会主编.钢材の冷却.东京：日本钢铁协会出版，1981.2河野拓夫，岛孝次，桑原达朗，ほか.气液喷雾缓冷却によゐ连铸铸片表面纵割れの改善.铁と钢，1982，13：118～124.3三塚正志.高温钢材水スプレ一冷却时の表面温度400～800℃间での热传达率.铁と钢，1983，2：268～274.4三塚正志，福田敬尔.高温钢板水スプレ一冷却时の冷却特性および热传达率.铁と钢，1983，262～267.5西尾茂文，大久保英敏.ミスト冷却に关する研究(第1报).第22回日本传热ミンポジウム讲演论文集.1985，日本机械学会主编.东京：1985.67～69.6大久保英敏，西尾茂文.ミスト冷却に关する研究(第2报).第24回日本传热ミンポジウム讲演会论文集.日本机械学会主编.大阪：1987.422～426.7ItoT,TakataY,LiuZH,etal.StudyontheWaterCoolingofHotSurfaces,MemorisofKyushuUniversity(Japan),1988,48(3):211～229.8YaoSC,ChoiKJ,TheBoilingHeatTransferofMistCoolingonHeatedSurfaces.Int.J.HeatandMassTransfer,1987,13(5):639～643.9SpeiglerP.PredictionoftheMinimumSurfaceTem