弦月形狭缝通道内液氮受迫流动沸腾传热强化的研究

    1 引 言

    在各种强化换热技术中,狭缝强化传热技术是一门崭露头角的新兴强化传热技术,它具有小温差、高传热率的显著特点,且结构紧凑,毋需复杂的表面加工和处理,在通道内高速流体的冲刷下,换热表面不易发生沉淀和污染。因而,狭缝强化传热技术逐渐受到越来越多学者的关注和研究,并得到了越来越广泛的应用。如在压水反应堆(PWR)的蒸气发生器中,水管穿过支撑管板上的钻孔,两者间常形成狭窄环形缝隙。制冷系统中的关键部件毛细管内流有制冷剂,而毛细管的直径仅为1 mm左右。随着超大规模集成电路技术的发展,为达到高效冷却目的,常在印刷电路板的背侧用光刻技术制出微通道,再于此通道内通以受迫流动的冷却剂。在交流超导磁体中,为使交流磁体正常工作于超导状态,利用液氦循环流过磁体线圈间的小缝隙来吸收此热量。我国学者已经成功地将狭缝强化传热技术应用于150m3/h和6 000 m3/h的热虹吸板翅式冷凝器蒸发器[1]。另外,狭缝传热强化现象在生物技术、新型换热器、透平叶片冷却等领域也有应用。

    前人的研究大多是针对核反应堆的传热、泄漏事故和安全问题、微电子芯片的冷却、毛细管的传热等工程应用领域。而且,由于沸腾传热机理本身的复杂性,加上狭窄通道内沸腾传热的特殊性,现有的对狭窄通道内沸腾传热特性的研究,主要还是集中在实验阶段。在实验研究中,对通道内流体传热特性的研究要多于流动特性;通道结构形式大多为矩形单通道狭缝或小直径圆管通道,而对狭窄环形通道的研究较少,对极限偏心环缝的研究则更少;流体介质也以常温工质见多,低温工质则更少。因此,对狭缝沸腾传热特性作进一步的深入研究,无论是在学术理论研究方面,还是在工程应用方面,都有很高的价值和意义。本文选用了极限偏心的环形通道结构(弦月形通道)来进行狭缝通道中低温流体受迫流动沸腾传热的研究。

    2 实验系统

    本实验系统由液体泵送系统、测量与数据采集系统、电加热系统和电源系统组成。液体泵送系统主要包括金属真空杜瓦、液氮泵、调节阀、过滤器、连接管路、试件、液氮工质和支架等。测量与数据采集系统由微型计算机和英国施伦伯杰公司生产的IMP (Isolated Measurement Pod)分布式数据采集转换器构成。电加热系统包括功率表、调压器等。电源系统为以上三个系统分别提供各自所需的电源。为了避免信号的相互干扰,各系统分别采用不同的电源供电。

    图1给出了实验装置的示意简图。液氮泵将盛放在金属杜瓦中的液氮压入管道中。进入管道中的液氮一部分流经旁路和调节阀直接回到杜瓦中,另一部分则经过调节阀和过滤器过滤后进入涡轮流量传感器,然后流经试件并沿回路经调节阀后流入杜瓦。实验台中的管路事先缠有双层石棉绳,并外裹海绵以增强保温效果。实验时,调节各阀的开度,以便得到不同的流动工况。等工况稳定后再开始采集数据。