Nghiên cứu thực nghiệm về hành vi tạo bọt và hệ số truyền nhiệt trên các viên bi thép nóng trong quá trình sôi nước khử ion

Lidan Ning1, Yaxing Sun1, Xiaowen Liu1, Lianfang He1, Zhichao Li1, Huiping Li1
1School of Materials Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, People’s Republic of China

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm sôi hồ chứa nước khử ion được thực hiện trên các viên bi thép không gỉ austenitic AISI 304 với các nhiệt độ ban đầu khác nhau. Sự rối loạn và phá vỡ của lớp hơi trong quá trình làm nguội được ghi lại bằng camera tốc độ cao. Hồ sơ nhiệt độ của trung tâm viên bi thép trong quá trình làm nguội được thu thập thông qua phép đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt. Dựa trên phương pháp dẫn nhiệt nghịch, chương trình xác định truyền nhiệt nghịch được phát triển độc lập nhằm giải quyết nhiệt độ bề mặt của viên bi thép, hệ số truyền nhiệt giao diện và dòng nhiệt. Kết quả cho thấy không có hiện tượng sôi bề mặt khi nhiệt độ viên bi thép ở mức 650 °C. Có bốn giai đoạn của sôi bề mặt, sôi chuyển tiếp, sôi núc và đối lưu tự nhiên khi nhiệt độ viên bi thép nằm trong khoảng từ 700 đến 1000 °C. Độ dày của lớp hơi tăng lên khi nhiệt độ làm nguội ban đầu tăng. Tại nhiệt độ ban đầu là 1000 °C, độ dày của lớp hơi ở phương xích đạo là 3.5 đến 3.6 mm. Khi nhiệt độ ban đầu tăng cao, thời gian duy trì và thời điểm phá vỡ lớp hơi cũng kéo dài, và nhiệt độ tại trung tâm và ranh giới LFP dần giảm. Khi nhiệt độ ban đầu nằm trong khoảng 700 ~ 1000 °C, thời gian lớp hơi tồn tại khoảng 6.5 ~ 32.1 giây, và nhiệt độ LFP tại trung tâm dao động từ 612.3 °C đến 514.7 °C, tương ứng. Khi nhiệt độ ban đầu là 650 °C, giá trị IHTC tối đa khoảng 11,700 W/(m2·°C), và dòng nhiệt tới hạn là 1545.85 kW/m2. Khi nhiệt độ ban đầu là 1000 °C, giá trị IHTC tối đa khoảng 14,900 W/(m2·°C), và dòng nhiệt tới hạn là 1508.43 kW/m2.

Từ khóa

#sôi hồ chứa #nước khử ion #thép không gỉ AISI 304 #hệ số truyền nhiệt #hành vi tạo bọt #dẫn nhiệt nghịch.

Tài liệu tham khảo

Kumar N, Raza MQ, Raj R (2018) Surfactant aided bubble departure during pool boiling. Int J Therm Sci 131:105–113. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.05.025

Song G, Davies PA, Wen J et al (2018) Nucleate pool boiling heat transfer of SES36 fluid on nanoporous surfaces obtained by electrophoretic deposition of Al2O3. Appl Therm Eng 141:143–152. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.12.068

Zhao J, fu, (2010) Two-phase flow and pool boiling heat transfer in microgravity. Int J Multiph Flow 36:135–143. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.09.001

Xu ZG, Qin J, Ma XF (2021) Experimental and numerical investigation on bubble behaviors and pool boiling heat transfer of semi-modified copper square pillar arrays. Int J Therm Sci 160. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106680

Ciloglu D, Bolukbasi A (2011) The quenching behavior of aqueous nanofluids around rods with high temperature. Nucl Eng Des 241:2519–2527. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.04.023

Kim H, DeWitt G, McKrell T et al (2009) On the quenching of steel and zircaloy spheres in water-based nanofluids with alumina, silica and diamond nanoparticles. Int J Multiph Flow 35:427–438. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.02.004

Yang G, Zhang W, Binama M et al (2023) Review on bubble dynamic of subcooled flow boiling-part b: Behavior and models. Int J Therm Sci 184:108026. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.108026

Pattanayak B, Gupta AK, Kothadia HB (2022) Critical heat flux and bubble behaviour study on differently oriented flat plates during pool boiling. Nucl Eng Des 400:112079. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.112079

Venkitesh V, Dash S (2023) Enhancement of quenching heat transfer performance through destabilization of vapor film. Int J Heat Mass Transf 204:123851. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.123851

Khomutov N, Oparin A, Piskunov M, Yan WM (2020) Cooling of the hot steel balls by salt –water solutions and water-based suspensions: Subcooled pool boiling experiments. Int J Therm Sci 148:106164. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.106164

Fu P, Zhou P, Zhao T et al (2020) Study of the heat transfer coefficient of a nickel-based superalloy in the end-quench test with air. Int J Therm Sci 155:106416. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106416

Li S, Tan S, Xu C, Gao P (2015) Visualization study of bubble behavior in a subcooled flow boiling channel under rolling motion. Ann Nucl Energy 76:390–400. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2014.10.004

Okawa T, Yamagata K, Umehara Y (2020) Measurement of heat transfer coefficient profile during quenching of a vertical hot wall with a falling liquid film. Nucl Eng Des 363:110629. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2020.110629

Wang Z, Zhong M, Deng J et al (2021) Experimental investigation on the transient film boiling heat transfer during quenching of FeCrAl. Ann Nucl Energy 150:107842. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.107842

Bouissa Y, Shahriari D, Champliaud H, Jahazi M (2019) Prediction of heat transfer coefficient during quenching of large size forged blocks using modeling and experimental validation. Case Stud Therm Eng 13:100379. https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.100379

Gao T, Ying L, Dai M et al (2019) A comparative study of temperature-dependent interfacial heat transfer coefficient prediction methods for 22MnB5 steel in spray quenching process. Int J Therm Sci 139:36–60. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.12.041

Sajjad U, Sadeghianjahromi A, Ali HM, Wang CC (2020) Enhanced pool boiling of dielectric and highly wetting liquids - a review on enhancement mechanisms. Int Commun Heat Mass Transf 119:104950. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104950

Fu BR, Ho YH, Ho MX, Pan C (2016) Quenching characteristics of a continuously-heated rod in natural sea water. Int J Heat Mass Transf 95:206–213. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.11.093

Kangude P, Srivastava A (2020) Understanding the growth mechanism of single vapor bubble on a hydrophobic surface: Experiments under nucleate pool boiling regime. Int J Heat Mass Transf 154:119775. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119775

Mahmoud MM, Karayiannis TG (2023) Bubble growth on a smooth metallic surface at atmospheric and sub-atmospheric pressure. Int J Heat Mass Transf 209:124103. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124103

Pattanayak B, Kumar Gupta A, Kothadia HB (2022) Bubble behaviour and Critical heat flux on circular tubes during pool boiling process. Nucl Eng Des 391:111741. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.111741

Ning L, Zou L, Li Z, Li H (2022) Wetting Layer Evolution and Interfacial Heat Transfer in Water-Air Spray Cooling Process of Hot Metallic Surface. Therm Sci 26:3729–3740. https://doi.org/10.2298/TSCI210615318N

Ning L, Luo S, Li Z et al (2022) Research on the heat transfer characteristics of air-atomized water spray cooling by experiment and inverse heat conduction method. Heat Mass Transf 58:1247–1262. https://doi.org/10.1007/s00231-021-03172-0

Moffat RJ (1982) Contributions to the theory of single-sample uncertainty analysis. J Fluids Eng Trans ASME 104:250–258. https://doi.org/10.1115/1.3241818

Li H, Zhao G, He L, Mu Y (2008) High-speed data acquisition of the cooling curves and evaluation of heat transfer coefficient in quenching process. Meas J Int Meas Confed 41:676–686. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2007.10.003

Li H, He L, Zhang C, Cui H (2015) Research on the effect of boundary pressure on the boundary heat transfer coefficients between hot stamping die and boron steel. Int J Heat Mass Transf 91:401–415. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.102

Huiping L, Guoqun Z, Shanting N, Yiguo L (2006) Inverse heat conduction analysis of quenching process using finite-element and optimization method. Finite Elem Anal Des 42:1087–1096. https://doi.org/10.1016/j.finel.2006.04.002

Hsu SH, Ho YH, Ho MX et al (2015) On the formation of vapor film during quenching in de-ionized water and elimination of film boiling during quenching in natural sea water. Int J Heat Mass Transf 86:65–71. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.02.049