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1、上海交通大学 硕士学位论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内CHF机理探讨 姓名：任欣 申请学位级别：硕士 专业：制冷与低温工程 指导教师：张鹏 20050201 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式 标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 任欣 日期 2005 年 2月 24日 2 附件五 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完
2、全了解学校有关保留使用学位论文的规 定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学 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和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 任欣 张鹏 日期 2 0 0 5 年 2 月 2 4 日 日期 2 0 0 5 年 2 月 2 4 日 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 1 页 共 96 页 毛细管内液氮沸腾传热实验研
3、究及微通道内 C H F 机理探讨 摘 要 自 1 9 8 7年发现高温超导体以来价格便宜的液氮成为冷却超导体 的最佳工质高温超导体的形状多种多样其中包括丝状出于紧凑的 考虑对高温超导细丝的冷却可采用毛细管 本文在液氮温区和室温之间对不锈钢丝和磷青铜丝的电阻温度特 性进行标定选取直径 5 0 m的磷青铜丝制作毛细管试样用于模拟 毛细管内液氮冷却超导细丝的真实工况搭建实验台测量了大空间以 及长 2 0 m m 直径 0 . 2 4 m m 3 . 8 m m的六种管径的毛细管在 03 0 6 0 和 9 0 四个倾角下完整的稳态沸腾传热曲线着重分析了毛细管直 径倾角和加热丝放置位置对于核态沸腾传
4、热和 C H F的影响结果表 明直径在 1 . 2 m m及其以上的毛细管在非 0 倾角下对于核态沸腾传热 有强化作用且管径越小强化作用越明显在这些工况下加热丝的放 置位置也显著影响传热加热丝相对于中心线上移可进一步增强换热效 果而倾角对于核态沸腾的影响不大C H F受到管径和倾角的综合影 响而受加热丝放置位置影响不大 实验过程中同时对沸腾形态进行了直接观察和摄像揭示出直径 1 . 2 m m及其以上的毛细管强化核态沸腾传热的机理在于气泡扰动作用和 气液交换作用强化了对流传热并据此很好地解释了传热实验数据 对微通道内 C H F的物理机理进行了探讨采用均相模型计算窄缝内 热虹吸两相流的流量压降
5、关系假定窄缝出口气体堵塞是导致 C H F的 直接原因建立 C H F模型计算结果与已有的矩形窄缝内 C H F数据吻 摘要 第 2 页 共 96 页 合分析本文实验中的 C H F 数据和观察结果指出直径 1 . 2 m m及其以上 的毛细管内导致 C H F发生的直接原因是管内气液相界面失稳并采用经 典流体不稳定性理论对合并气泡的气液相界面稳定性进行了分析最后 对影响毛细管内 C H F 的因素进行了定性分析 关键词液氮沸腾毛细管微通道C H F 流体不稳定性 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 3 页 共 96 页 EXPERIME
6、NTS ON BOILING HEAT TRANSFER IN CAPILLARY TUBES AND ANALYSIS OF CHF MECHANISM IN MICRO-CHANNELS ABSTRACT Since high temperature superconductor was discovered in 1987, liquid nitrogen has become the most competitive potential substance for cooling superconductor. Superconductor may be any shape, incl
7、uding thin wire. Capillary tube is a compact choice when designing superconducting thin wire cooler. The electric resistance of stainless steel wire and phosphorous bronze wire were calibrated in a wide range of temperature between 77.35K and 300K. Samples were make by placing phosphorous bronze wir
8、e in the central line of glass capillary tubes to simulate the case of cooling superconducting wire with liquid nitrogen in capillary tube. Steady state boiling curves were measured in open space, as well as in capillary tubes with different diameters(0.24mm3.8mm) and different inclinations(0 90). A
9、nalysis of effects of tube diameter, inclination and position of wire on nucleate boiling heat transfer indicates that capillary tubes with their diameters above 1.2mm can improve nucleate boiling heat transfer, and if wire is put above the central line, heat transfer become even better. Combined ef
10、fects of tube diameter and inclination were also discussed. Photos of the boiling patterns indicate that bubble disturbing effect and vapor-liquid exchanging effect are the main mechanism of the heat transfer improvement in capillary tubes. This mechanism was proven to be able to explain the experim
11、ental results. 摘要 第 4 页 共 96 页 Efforts were made to establish mechanistic model of CHF in micro- channels. The model combining the homogeneous flow model with the assumption that quality at the exit is equal to 1 at CHF was proven to be successful in predicting CHF in rectangular micro-channels. It
12、was concluded that CHF in capillary tubes with diameters above 1.2mm was caused by the instability of vapor-liquid interface. Classical instability theory was adopted in judging stability of phase interface of coalescent bubbles. KEY WORDS: liquid nitrogen, boiling, capillary tube, micro-channel, CH
13、F, flow instability 符号表 第 8 页 共 96 页 主要符号表 英文字母 A 截面积, 2 mm q 热流密度, 2 /cmW Q 传热量 d 加热丝直径 D 气柱直径 d D 气泡脱离直径mm e D 当量直径 T 温度 T 壁面温差 L 加热丝长度或窄缝长度, mm s 窄缝间隙, mm W 窄缝宽度, mm SD 标准方差 R 电阻或相关系数 I 电流 U 电压 u 流速 k 波数s/1 g 当地重力加速度, 9.8 2 /sm G 质量流率 f 气泡脱离频率或摩擦系数 fg h 汽化潜热 x 干度 Pr 普朗特准则 Re 雷诺准则 Gr 葛拉晓夫准则 Nu 努谢尔
14、特准则 P 压降 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 9 页 共 96 页 希腊字母 表面张力, mN / 密度, 3 /mkg 导热系数, )/(KmW 动力粘度, 2 /msN 空泡份额或倾角 体积膨胀系数, K/1 v Laplace长度 倾角() 下标 max 最大值 min 最小值 f 液相 g 气相 A 加速分量 F 摩擦分量 G 重力分量 注除特别说明文中上述各量均采用 SI单位制 第一章 绪论 第 10 页 共 96 页 第一章 绪论 1 . 1 毛细管内液氮沸腾传热的研究背景 相变是充满难题和意外发现的科学领域不算人类关
15、于物态变化的早期观 察仅仅从 1869年 Andrew发现临界点1873年 van der Waals 提出非理想气体状态 方程以来对相变的研究已有 100多年的历史这些研究推动了自然科学的巨大进 步 1而沸腾 作为一种典型的气液相变现象因其高效的传热能力具有极大 的工业应用价值从而引起各国研究者的兴趣尤其是一些对于高效冷却要求严格 的现代工业如大型火力发电原子能反应堆火箭技术深冷技术等出现后关 于沸腾传热的实验和理论研究获得了丰硕的成果 20世纪 70年代以前关于沸腾的研究集中在常规的大空间池沸腾和受迫对流沸 腾70年代以后人们看到了一些非常规的沸腾现象这些非常规现象很快成为研 究者关注的主
16、要对象例如在真空弱重力场等条件下的沸腾换热电磁场中电磁 波对沸腾的影响声波对沸腾的影响多孔介质中的沸腾换热薄液膜微通道内 的沸腾换热低温流体液态金属和多组分混合溶液中的沸腾换热等其中微通道 内的沸腾换热是 20世纪 90年代以来的研究热点它顺应了紧凑换热器的要求在 微电子器件微电子机械系统的冷却超导线圈的冷却空分装置生物医学工程 以及航空航天等场合都有广泛的应用如图 1-1是应用于空分装置的板翅式换热 器其通道尺寸约为几个毫米图 1-2是应用于电子器件冷却的热沉其流道尺寸 常常只有几百个微米2 液氮温区是冷却电子器件的良好温区因而液氮的沸腾传热有着很好的应用价 值3液氮的沸腾虽与常温流体的沸腾
17、特性相似但也有其特殊性例如润湿角 小接近于零度使得气泡成核条件有别于一般流体汽化潜热小使得容易达到 沸腾危机另外表面张力较小粘度较小这些对于沸腾传热都有重要影响然而 目前对于低温流体沸腾的研究较少对于液氮在微通道内沸腾传热的研究更少不 仅缺乏成熟的理论而且缺少实验数据尚需进一步的研究自 1987年发现高温超 导体以来采用价格便宜的液氮冷却超导体成为可能液氮的沸腾传热研究引起了 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 11 页 共 96 页 世界各国学者的广泛兴趣高温超导体的形状多种多样其中自然包括丝状本文 的研究就是针对超导细丝的冷却而展开出
18、于紧凑的考虑尝试采用毛细管对丝状 加热源进行冷却采用中心线加热的方式研究毛细管内液氮自然对流沸腾的气泡运 动和传热特性其结果可直接用于线状电子元件的低温冷却另外对于毛细管内气 泡形态和传热特性的研究亦有普遍的学术和应用意义 1 . 2 沸腾传热的研究现状 1 . 2 . 1 . 大空间沸腾传热的实验和理论研究 在过去的几十年里世界各国的研究者针对沸腾传热开展了大量的实验和理论 研究对沸腾机理的了解也越来越深入其中起泡传热和 CHF 点一直是被研究 者广泛关注的三大主题关于起泡目前的理论比较成熟对于水平加热表面在大 图 1 - 2 应用于电子冷却的平行微通道热沉 Fig.1-2 Schemati
19、c illustration of a multi-channel heat sink with parallel mini-channels 图 1 - 1 应用于空分装置中的紧凑板翅式换热器 Fig.1-1 Schematic illustration of a compact tube-fin type evaporator 空气流道 制冷剂在两块 板焊接形成的 流道内流动 翅 片 板 制冷剂 入口 平行微通道 制冷剂入口 平行微通道 第一章 绪论 第 12 页 共 96 页 空间沸腾的气泡脱离周期脱离直径以及核心的活化机理都有近似的描述方式 鉴于加热表面的复杂性要提出更精确的描述比较困
20、难 关于 CHF早在上世纪五六十年代就提出了能近似预测无限大水平加热表面 在大空间沸腾的 CHF 的理论1952年Kutateladze 采用相似理论的分析方法加上 实验数据总结出著名的 Kutateladze 关联式1961年Zuber等人对过渡沸腾区进 行分析采用 Taylor不稳定性判据得出使过渡沸腾时壁面处液膜不稳定的热流密 度即 CHF 点1962年Chang又对核态沸腾区进行分析采用 Helmholtz不稳定 性理论分析了气泡脱离时气体的最大流速进而求出相应的热流密度即 CHF 点 Mudawar等34于 1996年采用 Helmholtz不稳定性理论结合分离流模型推导危险波 长根
21、据可视化实验结果建立竖直加热面的 CHF 预测模型很好地解释了竖直加热 面的 CHF 数据Howard等35进一步发展了这个模型使之适合于描述 60-165倾 角范围内加热面上的 CHF 值其结果所反映出的倾角对 CHF 的影响与实验数据比 较吻合且该模型预测到 165以上 CHF 机理将发生转变这个预测值与实验结果 吻合的很好采用不稳定性判据推导 CHF 取得了比较好的预测结果但是终究无法 与传热机理联系起来使得它的物理意义不能令人满意4到 1983年Haramura试 图给出物理意义更明确的 CHF 模型5他基于自己对于宏液层的观察提出当合并 气泡底部的宏液层在气泡脱离的同时完全蒸干时对应
22、的热流密度就是 CHF然而 他给出的 CHF 表达式所预测的热流密度较实测值低看起来他所依赖的宏液层传热 模型并不成熟赵耀华进一步尝试将 CHF 与传热机理联系起来并于 2002年提出 了一个动态微液层模型6认为当壁面过热度增大时微液层厚度会减小这一方 面增大了温度梯度有增加热流密度的趋势另一方面使得微液层蒸干的可能性加 大又有降低热流密度的趋势二者的耦合使得热流密度存在一最大值即 CHF 关于换热机理曾经提出了如下几种揭示沸腾传热机理的模型气泡扰动模 型气液交换模型微液层模型宏液层模型气泡扰动模型和气液交换模型都认 为气泡的主要作用只是对液体的流场和温度场发生影响通过扰动减小热边界层的 厚度
23、从而增强换热这种假定通常只适用于过冷度较大的沸腾以及核态沸腾的最 初阶段7微液层模型最初由牛津大学的 Cooper教授等提出他们通过对单个气泡 底部的壁面温度进行瞬态测量证实了微液层的存在并通过对这层微液膜进行流 体动力学分析推导出微液层厚度的表达式8他们还进一步分析了当壁面过热度 较大以及惯性力占主导作用的情况下气泡生长过程以及微液膜减薄过程9其理 论具有普适性宏液层模型最早由 Katto等5提出他们基于实验观测认为在热流 密度较高的核态沸腾以及过渡沸腾阶段合并气泡底部存在的一层宏液层的蒸发对 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 13
24、页 共 96 页 传热起主导作用目前认为微液层适用于核态沸腾区宏液层模型适用于 CHF 附近 的高热流密度核态沸腾以及过渡沸腾也有学者指出无论在微液层模型还是宏液 层模型中三相接触线处的蒸发在换热中都占据主导作用据此提出接触线密度的 概念试图将微液层模型和宏液层模型统一起来11这个模型除了能很好地描述换 热外还能很顺利地解释 CHF 的出现所谓的 CHF就是由于温差和接触线密度的 耦合使换热量达到最大值时的热流密度但这个模型尚需要更多的实验数据来支 持 以上研究主要针对平面或大直径圆柱加热当采用超细的金属丝加热丝时沸 腾特性与平面加热时的情形有所不同Duluc等30采用 32m的铜合金丝加热获
25、 得了完整的液氮稳态沸腾曲线发现采用超细丝加热时膜态沸腾时的气液相界面不 能被当作正弦曲线处理且气膜厚度极小与 Tsukamoto等32的观察结果一致 Duluc的实验还表明当加热丝非常细时由于轴向导热量很小可出现一段加热 丝处于核态沸腾一段处于膜态沸腾的双模态沸腾现象Duluc等31进一步进行了 理论分析指出膜态沸腾段的长度必须是泰勒长度的整数倍因此膜态沸腾段的生 长是跳跃式的这很好的解释了他们的膜态沸腾曲线上出现了多次跳跃的现象 细丝加热时的 CHF 与无限大平面加热时亦不相同Lienhard等33对圆柱状条 状和球状加热体加热沸腾时的 Helmholtz波长 H进行了详细的研究 指出当尺
26、寸很 小时该波长的表达式与尺寸较大时完全不同导致其 CHF 值与无限大平面加热时 不同他们所提出的临界热流密度的表达式表明随着加热丝尺寸的减小其 CHF 单调增大 1 . 2 . 2 微通道内沸腾传热 Kandlikar 2根据管道尺度将管道分为三种 传统管道(直径大于 3mm)小通道 (直径处于 3mm和 200m之间)和微通道(直径处于 200m和 10m之间)目前对 于小通道和微通道内沸腾传热的研究主要集中在流动压降流型以及管道尺寸对 于传热和气泡动力学的影响 关于流型的观点已经趋于一致普遍认为存在孤立气泡区块状区和环状区 Bonjour12等对 R-113在 0.52mm的矩形窄缝中的
27、沸腾进行了研究证实了三种流 型的存在Ishibashi与 Nishikawa13分别以蒸馏水油酸钠水溶液皂草水溶液及乙 醇为工质进行了大气压下竖直环形窄缝空间内的饱和沸腾传热实验研究提出沸 腾区域可划分为孤立气泡区域(isolated bubble region)和聚合气泡区域(coalesced 第一章 绪论 第 14 页 共 96 页 bubble region)Jinliang Xu14等对矩形窄缝通道中的气液两相流动进行了实验研究 所采用的窄缝间隙分别为0.3mm0.6mm1.0mm用高速视频摄像机记录并判断 流型结果发现 1.0mm和 0.6mm间隙时通道中的流型可分为泡状流弹状流扰
28、 动流和环状流而在 0.3mm间隙时流型可分为带帽泡状流弹状液滴扰动流 和环状液滴流 然而对于传热和气泡动力学的研究尚不成熟传热方面的研究目前处于实验阶 段大量的实验表明了在一定范围内随着尺度的减小核态沸腾区的传热得以增 强Chernokylskii和 Tananaiko15于 1956年研究了一个大气压下最小间隙尺寸为 1.25mm的窄缝空间内的饱和沸腾传热发现窄缝通道传热有较高的传热系数 Katto16等采用两水平圆板制成间隙分别为 0.1mm0.5mm1.0mm2.0mm的 窄缝研究了在水中的池沸腾传热特性结果表明与常规尺寸的换热相比上述 各种间隙尺寸均有传热强化作用在较低热负荷下窄缝间
29、隙尺寸越小传热强化 效果越明显但同时临界热负荷(CHF 点)降低在间隙小于 0.1mm后窄缝已几乎没 有强化传热作用且临界热负荷降得很低文中将窄缝空间中的高传热系数现象解 释为窄缝通道中因受空间限制被挤压变形的扁平气泡底部微液膜的蒸发所致 Fujita17等也观察到了类似的现象他们对常压下水在矩形窄缝中的饱和池沸腾 进行了实验研究考察了窄缝的几何参数和倾角对沸腾换热曲线的影响窄缝间隙 包括 520.6和 0.15mm窄缝长度包括 30和 120mm宽 30mm窄缝边界包括 两侧边密封和两侧边加一底边密封两种类型采用单面加热方式实验结果表明 减小间隙能强化核态区换热但是继续减小(从 0.6到 0
30、.15mm)又使核态区换热 恶化封边能强化核态沸腾区换热再封底强化更甚但 CHF 随之降低增加窄缝 长度将降低 CHF90和 150的沸腾曲线几乎重合180时则偏差较大在 s 5mm时能强化换热0.6mm时恶化传热0.15mm时则对传热几乎无影响 虽然对微通道内的实验很多可是到目前尚无实验可以明确地揭示微通道内的 传热机理也没有统一的能定量描述的传热模型存在Fujita17采用显热潜热模 型认为流道内的流动沸腾换热分为液膜蒸发和液体冲刷的对流换热两部分计算 结果与实验数据吻合良好然而模型中所用到的液膜厚度液体冲刷周期等变量都 需要实验测试没有定量的物理和数学描述并不能推广到他们的实验工况之外
31、事实上将沸腾传热量分为核态沸腾和对流传热两部分来计算是一个普遍采用的处 理方法而更有意义的问题是在微通道内这两部分各占多大比重 Wambsganss等36于1993年研究了R-113在直径2.92mm的圆管内的沸腾传热后 Tran等37又于1996年研究了R-12在直径2.46的圆管内的沸腾传热其结果都表明 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 15 页 共 96 页 当壁面过热度高于2.75K时传热系数与质量流率和干度无关而与热流密度有关 据此根据普通管内沸腾传热的经验他们推断此时的传热以核态沸腾为主对 流传热可忽略 Bao等38于200
32、0年研究了R-11和R-123在直径1.92mm的铜管内流动沸腾传热特 性大范围变化实验参数(质量流率501800kg/m2s干度0%90%热流密度 5200kW/m2饱和压力290510 kPa), 结果表明了与Wambsganss等人的实验结果类 似的现象传热系数强烈地受到热流密度和饱和压力的影响而与质量流率和干度 基本无关从而得到与Wambsganss等相同的结论微通道内沸腾传热以核态沸腾为 主对流传热所占比重很小 然而Lin等39于2001年发表的结果提出了不同的现象和结论他们研究了R-141b 在1.1mm竖直管内的流动沸腾其参数范围为质量流率3002000kg/m2s热流密度 18
33、72 kW/m2结果表明传热系数强烈地受到干度的影响并且影响趋势随质量流 率的变化而有所不同 这些研究结果表明微通道内的沸腾传热机理比传统管内沸腾传热要复杂传 统管内沸腾传热的模型也无法直接用于微通道为了更好地揭示微尺度对于传热的 影响已有学者着手开展实验研究微通道内壁面处的薄液膜如Wang等40设计了一 套采用干涉法测量毛细管内薄液膜厚度的方法而Jacobi等41认为这一层薄液膜的 瞬态导热是微通道内沸腾传热的主要机理他们所尝试建立的传热模型很好地解释 了部分学者的实验数据但所有这些都还只是些尝试性的工作成熟的物理模型的 建立尚需要更多的实验和理论工作 气泡动力学方面实验表明微小通道内沸腾起
34、泡所需的热流密度高于传统管 道已有部分学者给予了理论解释但是意见分歧还较大彭晓峰等19,20报道了尺 度在 0.6mm0.7mm及更小的矩形微槽内流动沸腾的实验研究系列结果发现壁面 过热度很小仅 28或更小时就表现出了已进入旺盛沸腾工况特性却未观察到 气泡的存在他们据此提出了气化空间和拟沸腾的新概念认为气化需要 一定的空间通道过小可能不出现或者无法从常规的方式看到气泡产生而 Kandlikar等学者则提出了异议他们21在类似的实验工况下看到了 10m的气 泡他们认为微通道的尺度在 100m的数量级上而活化穴通常只有几个微米 因此微通道不应当完全阻止气泡的产生他们认为只要采用更高速的拍摄装置 仍
35、能观测到气泡关于微小通道内 ONB较高的原因彭晓峰1等认为是由于压力波 的反射对气泡造成了影响对于他们的解释Bergles等42提出了异议依据经典核 心活化理论计算了在彭晓峰等学者的实验工况下对应的活化核心尺寸表明其直径 第一章 绪论 第 16 页 共 96 页 在 14m左右远小于他们所采用的微通道的水力直径(200m)表明核心可以按 照传统管道内的方式活化而 Ghiaasiaan等22认为由于微小通道内热毛细效应显 著从而抑制了气泡的产生Lepoz等43则通过计算气相和液相温度曲线的交点 推导了两平行平板间充分发展层流的始沸点判据这个判据在形式上与经典活化理 论的始沸点判据很类似结果表明随
36、着平板间距的减小始沸点对应的热流密度 增大总的说来对于微通道内的始沸点虽然实验一致表明 qONB随尺寸的减小而 增大但理论上的解释尚众说纷纭 1 . 2 . 3 低温流体在微通道内的沸腾传热 Kobayashi等23用一 16mm22mm的长方形紫铜块和一玻璃钢(FRP)块构成间隙 为 1.5mm和 2.0mm的窄缝着重探讨了窄缝中 HeIIp的最大临界热流密度问题其 临界热流密度远小于 HeIIp的池沸腾传热 吴裕远等24,25,26对竖直矩形和弦月形狭缝内液氮的自然对流和受迫对流沸腾传 热进行了系统的研究间隙尺寸从 0.5至 5mm不等间隙长度包括 600800和 1000mm证实这两种狭
37、缝对于沸腾换热有明显的强化作用弦月形狭缝是比矩形狭 缝更有效的可直接应用于中小型空分装置的列管式主冷凝蒸发器的强化传热方 式他们在实验中还观察到了传热亢进现象 伍宇晔28和尤国春29等也系统地研究了矩形狭缝的间隙倾角和长度对液氮池 沸腾传热特性的综合影响间隙包括 1 . 5 1 和 0 . 5 m m 长度包括 3 0 6 0 和 9 0 m m 倾角包括 03 04 56 09 01 3 51 5 0和 1 8 0并采用微液层模 型和滑移气泡模型对结果进行了定性分析认为微液膜层蒸发是窄缝通道核态沸腾 传热的支配性机理但气泡扰动机理( 或对流机理) 对沸腾传热的贡献亦不可忽略 对于毛细管内低温
38、流体的沸腾研究的较少Z h u k o v 等44将一段直径 0.3mm长 28mm的不锈钢丝置于一段内径 3mm高 500mm的竖直玻璃管内采用阶跃电压信 号进行加热对液氮在玻璃管内瞬态沸腾过程进行了可视化研究结果表明其临界 热流密度 CHF 只有稳态工况下的 3040%当热流密度高于此值时气泡在玻璃管 内来不及脱离就迅速长大合并在 1s以内发展成为膜态沸腾并在管内产生高于 外界近 0.2Mpa的压强 分析已有文献可见以往关于微通道内低温流体沸腾传热的实验研究多采用窄 缝包括矩形环形和弦月型等而对于小直径圆管的研究较少这主要是因为不 论在低温换热器还是在高温超导线圈中窄缝都比圆管要常见因此要
39、采用毛细 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 17 页 共 96 页 管冷却超导细丝可借鉴的实验结果很少必须开展实验仔细研究毛细管内液氮沸 腾的传热和两相流特性 临界热流密度(CHF)是决定沸腾传热安全的一个重要变量Nguyen3等研究了矩 形窄缝的间隙和倾角对液氮池沸腾传热特性的综合影响间隙包括 32.51.5 0.75mm倾角包括 03 06 09 01 2 01 5 0和 1 8 0采用 NiCr膜 片加热器测量了大气压下液氮在窄缝和开放空间的沸腾传热特性实验结果表明 在大空间下液氮的池沸腾传热特性曲线形状与其他流体类似且近似满足
40、qT3 关系传热系数 h即沸腾传热曲线的斜率并不随加热面方位角度的变化而变化这 一点不同于水等工质45在水平放置加热器时加热面朝上对应的 CHF 值远高于加 热面朝下的因加热面朝上时气泡在浮升力的作用下很容易脱离加热表面附近的 过冷液体能够及时填充气泡脱离后留下的空间并迅速从加热面吸热而加热面朝下 时则不然气泡因被加热面阻挡不易脱离加热面附近液体不能及时填充而易导 致传热恶化倾角为 90和6 0时 C H F 最高因此时最有利于气泡从加热面脱离 和附近液体及时填充气泡脱离后留下的空间从而再次润湿加热面当窄缝间隙小到 一定值时沸腾传热特性才明显有别于开放空间的池沸腾间隙越小CHF点随之 降低在某
41、一间隙下不同的窄缝倾角对应的 CHF 值有较大差异对应的壁面过热 度T亦不相同 综上所述关于低温流体在微通道内沸腾传热的研究比常温流体的要少得多 目前尚处于数据积累和定性分析阶段有待于进一步的实验和理论研究 1 . 3 本文主要研究工作 如前所述本文的工作主要围绕采用毛细管强化液氮沸腾传热冷却超导细丝 的问题展开由于文献所报道的关于液氮在毛细管内沸腾传热的研究很少仅有的 文献只是针对竖直毛细管且管径单一因此毛细管内液氮沸腾传热特性几乎是未 知据此本文拟开展以下工作 (1)对不锈钢丝和磷青铜丝电阻温度特性在液氮温区至室温之间进行标定选 取电阻率随温度变化幅度大电阻温度线性好的一种金属丝模拟超导细
42、丝发热 同时作为加热器和温度计 (2) 搭建毛细管内液氮沸腾传热实验台主要工作包括毛细管尺寸的选取毛 细管试样的制作加热回路设计测量回路设计这里的主要难点在于毛细管试样 制作过程中如何将加热丝固定在玻璃毛细管的中心线上同时尽可能小地影响流 第一章 绪论 第 18 页 共 96 页 场若采用电流引线则要求焊点尽可能小且光滑因为大的焊点将影响本来管径 就很小的毛细管内的流场并且焊点总是成为最先出现气泡的点 (3) 对大空间和毛细管内液氮的沸腾形态进行直接观察和拍照测量一些对传热 很重要的尺度如气泡脱离直径Taylor波长等研究毛细管内热虹吸两相流的流 型获得沸腾传热的真实信息 (4) 分别测量大空
43、间和毛细管内液氮的稳态沸腾传热曲线通过比较研究毛细 管对液氮沸腾传热的影响改变毛细管倾角管径和加热丝放置位置研究各因素 对于传热和 CHF 的影响由于尚无任何实验数据表明毛细管的存在究竟可以强化加 热丝向液氮的传热还是使之恶化首先需要通过实验给出明确的答案其次虽然 窄缝中的强化传热机理被公认为是微液膜蒸发由于本文采用加热丝而非平面加 热仍需要重新确定毛细管内沸腾传热的主要机理 (5) 研究毛细管内热虹吸两相流所带来的加热丝温度的脉动现象加热丝温度 的脉动的问题在实际中对应于超导细丝冷却的稳定性问题因为温度的脉动可能 导致超导线失超从而带来危险 (6) 探讨能定量描述微通道内 CHF 值的计算模
44、型目前对于微通道内 CHF 的实 验研究很多而理论研究则很少仅有的 Fujita17用来描述窄缝内水沸腾的 CHF 的 模型能否用于描述液氮能否用于描述毛细管本文拟通过一定的理论计算对这一 问题进行探讨不求能够建立起一个成熟的模型但希望能对窄缝和毛细管内 CHF 的触发机制加深理解 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 19 页 共 96 页 第二章 实验系统及实验内容 2 . 1 磷青铜丝电阻- 温度特性标定实验 2 . 1 . 1 实验原理 实验中加热丝同时作为温度计使用即根据加热丝的电阻温度特性由其电阻 推算温度因此在沸腾实验之前需要
45、对加热丝的电阻温度特性进行标定标定的原 理是采用一个热容量大的纯铜块做成恒温块并通过良好的热接触使待标定的磷 青铜丝与恒温块温度相同采用一个高精度的标准电阻测量恒温块的温度同时读 取磷青铜丝的电阻从而完成其电阻-温度特性的标定维持纯铜块温度恒定的方法 是在紫铜块四周缠绕加热丝采用高精度的标准电阻测量恒温块的温度并将这 个温度作为反馈信号经过 PID调节控制加热丝的加热功率维持恒温块的热平 衡从而使其温度恒定 2 . 1 . 2 实验装置 标定实验系统包括四大部分恒温系统实验系统控温系统和数据采集系 统其中恒温系统和实验系统如图 2-1所示 1. 恒温系统 恒温系统包括高纯无氧铜加工而成的热沉
46、15黄铜材质的防辐射屏 13和不锈 钢材质的真空罩 14热沉 15底部贴有待标定的磷青铜丝为保证绝缘热沉底部 涂有一绝缘漆薄层为保证良好的热接触用导热脂将磷青铜丝粘在热沉底部 2. 实验系统 实验系统包括高真空金属杜瓦和抽气系统 3. 控温系统 控温系统包括 Lakeshore-331S-T1控温仪固定在热沉底部的 Lakeshore-Cernox RTDs标准温度计以及采用无感绕法缠绕在热沉四周的0.18mm的锰铜丝控 温仪接受标准温度计的反馈信号采用 PID控制方式调节加热丝的输出功率从 而快速达到设定温度 第二章 实验系统及实验内容 第 20 页 共 96 页 图 2 - 1 加热丝电阻
47、温度特性标定实验装置图 1 . 杜瓦法兰 2 . 数据出口 3 . 拓宽口 4 . 压圈 5 . 压块 6 . 密封片 7 . 微调阀 接口 8 . 抽气口 9 . 真空快卸法兰 1 0 . 连接器 1 1 . 外腔上法兰 1 2 . 外腔下 法兰 1 3 . 内腔 1 4 . 外腔 1 5 . 热沉 1 6 . 内腔法兰 Fig. 2-1 Experimental equipment of calibration 1. Dewar flask 2. Data output 3. Extended part 4. Seal packing ring 5. Packing copper 6. S
48、ealing film 7. Valve 8.Extended part for pumping 9. Flange for vacuum 10.Linker 11. Upper flange for outer cavity 12. Lower flange for outer cavity 13. Inner cavity 14. Outer cavity 15. Sink 16. Flange for inner cavity 上海交通大学硕士毕业论文 毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内 C H F 机理探讨 第 21 页 共 96 页 4.数据采集系统 数据采集系统包括恒流源和具有
49、六位半精度的 Keithley-2700多功能数字电压 表对磷青铜丝通以 10mA 的直流电流采用数字电压表测量其两端电压即可推算 出磷青铜丝的电阻选择稳定直流电流大小的标准是一方面为有效地降低因电阻 丝发热带来的系统误差电流应足够小另一方面随机误差总是存在的为降低随 机误差应保证电流足够大以防加热丝两段待测电压被随机误差淹没在实验 中通过反复尝试发现 10mA 正是这样一个合适的电流值 2 . 1 . 3 实验方法 1. 采用四线制连接一段长为 55.8mm的磷青铜丝选择待标定的磷青铜丝长度的原 则是在能够均匀布置在热沉底部的前提下磷青铜丝的长度应足够长以便减 小随机误差与待测电压的比例采用低温导热脂将磷青铜丝粘在热沉底部放入 内腔封好外腔法兰接缝处均匀的布置铟丝然后上紧法兰 2. 对外腔抽真空