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中科院重点部署项目课题“热压转换新型冷却技术”研究进展(下)
发稿时间:2015-10-12         作者:李玉华、李铁          来源:     【字号:

  热压转换传热技术源于一种新的传热机制,需要从理论上阐明高强度热压转换的产生机理和传热规律,因此项目组基于实验研究的结果,正在推进系统的基础研究,以探索热压转换产生的物理机制和特殊热力学条件。项目组目前正在进行可视化实验研究,前期已开展了基础实验研究和数值模拟研究,并取得了一系列研究成果。 

  传热机理的实验研究 

  通过实验研究发现,在封闭回路中的液体工质,在一定的热力学条件下具有高强度传热能力,当对实验件加热时,热量转换成压力波,能量以压力波为载体进行高效快速传递。此种传热方式在多种结构上均可实现,其结构适应性强;当选择不同液态工质时,可实现传热器件在不同温度区域内工作,使用R134a、液态水及碱金属时均可实现高效传热。 

  项目组搭建了机理研究测试实验台,设计了环形回路的实验测试件。在环形回路上分布六个测量点,在每个测量点处同时采集温度与压力数据(实验件及测量点分布如图1所示),利用LabVIEW编制了测试采集控制程序,测试实验台可以实现多通道数据的高频同步采集(测试实验台如图2所示)。 

                                 图1 实验件及测试点分布              2 实验测试系统 

  实验中,项目组选用工作温度范围在常温区且热物性参数资料较全的液态R134a为工质,对环形回路结构实验件内液态R134a压力波动及传递特点、工质温度的变化规律等进行了详细分析。在实验件进入传热状态后,对实验件1点处进行短时间大功率加热(加热源为火焰)测得实验件内部压力及温度波动情况如图3及图4所示,此时各点压力变化辐值约为100kPa,加热点1处温度变化0.5℃,其余各点均有小辐温度上升。从图3可以看出实验件达到高强度传热状态时,对实验件进行短时大功率加热,内部会有明显的热声波产生,热能转换成压力波,压力波携带能量快速传播,因此各点温度同步上升。目前实验测得的最大当量导热系数为226kW/(m×K) 

 

  3 短时大功率加热时内部压力波动        4 短时大功率加热时内部温度波动 

  理论和数值计算研究 

  项目组采用理论建模与数值计算的方法,使用自主开发的三维数值计算软件SpinHeat进行数值计算,研究了液体R134a在封闭体内的热压转换及能量传递特性,详细分析了工质初始温度压力情况、加热边界条件、流道结构、重力对压力波产生及能量传递的影响特性(图5为计算时选取的方腔及环形回路结构)。 

 

  5 方腔和环路计算模型 

  计算结果表明:由于该工质热膨胀系数和可压缩系数小,而二者的比值大,热扩散率小,当给液体工质加热,会在边界层产生较大的压力波动,即产生热压效应,继而以压力波作为载体实现能量的快速传递;对计算区域施加阶跃温度边界条件及阶跃热流边界条件时,计算区域内均有压力波产生;环形结构相对于方腔结构,在同样条件下可以产生更稳定的压力波,压力波波辐变化较缓。 

  当使用碱金属为工质时,针对碱金属工质的特性,通过模拟分析了热边界条件相同时,方腔和环形回路中3/4点处压力随时间变化分布情况(图6所示)。从图中可以看出,在相同热流边界条件下,环路中产生的压力波的强度约是二维方腔中的两倍,再次证明了环形回路更利于压力波的传递。 

 

  工质为碱金属时,中心线3/4点处工质压力随时间变化情况 

  下一步研究工作 

  为了更深入地探寻热压转换及传递机理,项目组后续还要进行更多的实验及理论研究。目前已经设计加工了不同尺度的实验件,随后将研究结构尺寸对高强度传热实验件性能的影响;选择不同工质进行传热性能测试,研究工质特性对传热性能的影响;同时,为了彻底解明高强度热压波产生的物理机制,项目组设计加工了可视化传热实验件,该实验件采用耐热耐压的蓝宝石管作为可视化实验段,将蓝宝石管与不锈钢金属焊接加工而成(图7所示),通过可视化实验,可以详细观察传热过程中有无相变现象、测量对流流速的大小,从而为发展理论模型奠定基础;此外,针对高强度热压转换传热系统特殊的快速传热特性,项目组设计了大功率脉冲加热实验系统,以便定量研究热量与热压波之间的能量转换特性。 

 

  7 可视化实验件 

 
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