大空间和毛细管内液氮池沸腾传热的实验研究

    1 前言

    对液体在加热丝周围沸腾曲线的测量是一个经典课题,然而对于液氮的测量还比较少,实验结果也不太一致。由于液氮在冷却高温超导体和电子元件等方面的良好特性,对液氮沸腾传热的研究引起了各国学者的兴趣,超导元件形状多种多样,其中包括线状,因此对于加热丝加热时液氮沸腾曲线的测量仍具有一定的学术价值和应用价值。本文以直径50µm,长20mm的磷青铜丝作为加热丝和测温元件,采用控制热流密度的方式分别测量了各种倾角下液氮在大空间和毛细管内的稳态沸腾曲线,对水平加热丝沸腾曲线各段进行了仔细的分析,并对毛细管内和大空间时的核态沸腾曲线进行了比较,最后考虑了倾角和管径对临界热流密度的综合影响。

    2 实验系统

    实验系统包括三大部分:测试试样、加热回路和测量回路,如图1所示:测试试样7为位于玻璃毛细管中心线的直径50µm的磷青铜丝,既作为加热丝又作为温度传感器,两支玻璃毛细管长25mm,管径D分别为3.8mm和1.2mm;加热回路包括波形发生器9、功率放大器10、标准电阻11、电流引线和加热丝,用于向加热丝输出设定的电压波形,使加热丝发热;测量回路包括Keithley多功能数字电压表12、计算机13、电压引线、加热丝测试段和标准电阻11,分别对加热丝测试段和标准电阻两端电压进行同步测量,用于推算热流密度和加热表面温度。实验过程中通过电热输液器随时向高真空杜瓦1内补充液氮,保持液面近似恒定。

    作为测试试样的磷青铜丝由于需要作为温度传感器,因此在实验之前需要对其电阻-温度特性进行标定。本文采用与张鹏等[1]标定热电偶类似的标定系统在常压下液氮温度至室温范围内对磷青铜丝的电阻温度特性进行了标定,其电阻温度特性满足良好的线性规律:

    其中Ti为常压下的液氮温度77.35K,Ri为77.35K时磷青铜丝的电阻值,b为常数,对于磷青铜丝, b=7.4808×10^-4K^-1。每次实验前后需要对Ri进行仔细的测量,测量时对加热丝通以10mA的恒定电流,并测量其两端电压以推算电阻值。实验表明,10mA电流既可以有效避免加热丝发热又能抑制测量回路中的接触电动势所带来的误差。

    对于直径为D,长度为L的加热丝试样,实验时只需同步测量加热丝试样两段电压U和标准电阻Rs两端电压Us,采用以下公式便可推算出加热丝表面的平均热流密度q和平均过热度ΔTW:

    实验中使用的标准电阻Rs=0.1Ω,在电流小于3A的范围内变化时电阻值的变化小于0.1%。

    为了获得稳态沸腾曲线,阶梯型地增加加热丝表面的热流密度,每次增加0.3W/cm²,并维持300秒,由于加热丝很细,热容量小,300s足以保证加热丝达到热平衡。300s内共测量400个点,取平均后可获得一个(q,ΔTW)点,热流密度一直增加到ΔTW=250K,然后再逐步减小到0,就可以获得包括增加热流密度和减小热流密度的整条稳态沸腾曲线。实验过程中通过视窗A打入光源,可在视窗B进行观察和摄像。