竖直狭缝通道中液氮沸腾强化换热的实验研究

    1 引言

    作者曾在文献[1]中对狭缝通道内液氦核态沸腾换热进行了实验研究及机理分析,得出了一些应用于低温交流超导磁体冷却和稳定性有用的结论。本文针对高温超导磁体冷却和稳定性,研究了液氮在狭缝通道内核态沸腾换热的强化现象。

    2 实验装置

    实验装置如图1所示,实验件浸泡在液氮杜瓦内。液氮由输液管输入杜瓦内,蒸发的氮气由排气口排出。实验件的热源由直流恒流源提供。通道加热面与饱和液氮间的温差由精密数字电压表和热电偶测量。

    实验件如图2所示,狭缝通道由长150 mm,宽35 mm,厚25 mm的长方体紫铜块4的一个壁面与螺钉7固定在其上的有机玻璃板6构成。狭缝的间隙由隔片5的厚度来决定。更换不同厚度的隔片可以得到不同间隙的狭缝。与狭缝相对应的紫铜块的另一面,加热板2镶嵌并用一种胶紧贴在其上,提供通过紫铜块的热流。除了构成狭缝的一侧外,紫铜块其它各面(包括加热体在内)均用隔热层1包覆。加热板内的加热丝用高阻值的N-i Cr材料制成。狭缝通道内加热壁面上的平均输出热流由直流恒流源提供的电功率和加热面积来计算。狭缝中加热壁面温度与饱和液氮温度之差由布置在其内的3-6对铜-康铜热电偶3来测量,在一个大气压、77 K时其分辨率为1614LV/K。数字电压表精度为0.05LV,温差测试精度可达4/1 000 K。

    实验前,对构成狭缝通道加热表面用600目金相砂纸仔细打磨,并用乙醇清洗。布置热电偶时充分注意保持加热壁面的清洁,每次更换隔片时,不得触及加热壁面,严格保持加热壁面在多次实验中状态相同。

    实验是在1个大气压下进行的,每次进行实验前,先对实验件和杜瓦用少量液氮预冷,冷透后,将实验件浸没在处于饱和温度的液氮中。改变狭缝间隙δ=0.5mm,δ=0.83 mm,δ=1.0 mmδ=1.5mm。实验时,热量由小到大,对于每种工况,待温度稳定后开始测量。为确保实验数据的可靠性,进行多种工况的重复实验,复现性良好。

    3 实验结果与讨论

    图3和图4是竖直狭缝通道内液氮自然对流核态沸腾换热曲线。图中,黑实线是H1Merte和A1Clark对铜自由表面在液氮中得到的池内核态沸腾换热曲线[2],与Merte和Clark的结果相比,不难发现:

    狭缝通道内液氮自然对流核态沸腾换热比自由表面自然对流核态沸腾换热有明显的强化作用。由图看出,对同样的热流密度,狭缝内的沸腾换热温差小一个数量级以上。根据文献[3]计算出液氮沸腾时气泡的脱离直径在0.24mm左右,当狭缝间隙小于或接近气泡脱离直径时,沸腾换热强化程度最大。如图3和图4所示,δ=0.5 mm狭缝的传热温差最小,沸腾换热系数比铜自由表面在液氮中的沸腾换热系数提高十几倍到几十倍。如图所示,狭缝越窄,温差越小,沸腾换热系数越大。显然这种情况与气泡的变形有关,例如,在δ=0.5 mm的情况下,狭缝中加热壁面上产生的大部分气泡都会因为狭缝的限制变成扁平状,从而一方面使气泡与加热壁面间的边界层变薄,导热加快,气泡成长加快,提前脱离成核中心;另一方面,相邻气泡因变形更容易聚合,从而浮力增大,气泡提前脱离。另外,产生于微层内的气泡在向上运动过程中,由于狭缝的限制,有相当一部分还会碰撞壁面上正在成长的气泡,从而引起气泡的聚合和提前脱离。显然,狭缝越窄这种碰撞的几率越大,使窄狭缝比宽狭缝沸腾换热增强。当热流增大到一定程度(>4 W/cm2)时,向上滑行的气泡数量过大,气泡串部分地连成一片,随着热流密度的继续增大,连成片的气泡形成大气团,狭缝越窄,这种大气团就越容易包覆加热壁面,阻碍了加热壁面与液氮之间的对流换热,从而使沸腾换热能力减弱,如图3与图4所示,δ=0.5 mm首先恶化,δ=0.83 mm次之,而δ=1.0 mm,δ=1.5 mm到q>8 W/cm²时才开始趋向恶化。而这时铜自由表面的传热还远未达到核态沸腾向膜态沸腾的转化(转化热流密度为15 W/cm²)。