CN105738410A - 一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,包括:纳米流体循环控制模块,用于控制管道中纳米流体的流速、流量、温度、压力;低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块,用于进行纳米流体在低表面能微细通道蒸发器强化传热实验;强化传热数据采集与分析模块,用于采集及分析安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块的温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数;纳米流体相变可视化采集模块,用于观察纳米流体在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块中强化传热及相变过程。本发明可用于测试包含Al2O3、Fe3O4等纳米流体在低表面能微细通道中气?液相变演化过程及纳米流体强化传热特性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米流体在微细通道中强化传热领域,具体涉及一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统。
技术背景
随着科技的进步,电子部件和设备趋向集成化,传统大通道的传热设备已无法满足电子芯片的传热过程,具有高表面积比和换热效率的微细尺寸通道已成为当今科技研究强化传热重要发展方向。
微型结构换热器不仅具有高效优良的换热性能,而且结构简单、紧凑,为了进一步高效地提高微通道换热器的换热效率,科研工作者们将纳米流体传热技术引入到微细通道进行研究,同时研究表明材料表面综合特性(表面能)对强化传热有显著影响,低表面能特性表面对利于强化传热。虽然,目前的微小尺度换热器有效保证微系统的高效散热要求,但是在实际应用中,由于部分热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求,在微通道内应用单一的强化传热技术已无法满足实际需求。因此,为了能更好地解决微细通道强化传热问题,高效地提高其传热效率,需要两种或两种以上的强化传热技术同时应用于微细通道。
而对于纳米流体在微细通道中强化问题,其理论至今还不能较为准确描述和预测流体在微细通道中相变传热特性,因此需要系统的实验测试和高速可视化来研究纳米流体在微细通道中的相变传热过程及强化传热特性,在此背景下,发明一种具有低表面能微细通道蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统及方法。此测试系统和方法可以用于测试某些纳米流体(Al2O3、Fe3O4等纳米颗粒)在低表面能微细通道中相变演化过程及其强化传热特性。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统。
本发明通过以下技术方案达到上述目的:
一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,包括:
纳米流体循环控制模块,用于控制管道中纳米流体的流速、流量、温度、压力;
低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块,连接于纳米流体的流经管道中,用于进行纳米流体在低表面能微细通道蒸发器强化传热实验;
强化传热数据采集与分析模块,用于采集及分析安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块的温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数;
纳米流体相变可视化采集模块,包括高清高速摄影机,用于通过低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块中的可视化窗口观察纳米流体在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块中强化传热及相变过程。
本方案基于多层平壁稳态热传导及纳米流体在低表面能微细通道蒸发器中能量平衡原理,建立纳米流体在低表面能微细通道中强化传热数学模型,将信号采集系统采集的试验段实验数据代入数学模型,得出纳米流体在微细通道中强化传热性能。
进一步地,所述的纳米流体循环控制模块包括通过管路依次连接形成纳米流体回路的冷却水箱、磁力泵、过滤器、流量计、预热水箱以及用于向回路中定量注入纳米流体的液位计,操作时将纳米流体从液位计口注入,然后通过磁力泵将纳米流体输送到过滤器、流量计和预热水箱,最后送到低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块。
进一步地,所述低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块通过管路连接在冷却水箱与预热水箱之间,包括两端分别设置有试验段进口和试验段出口的实验段、可更换地设置在所述实验段中间凹槽内的低表面能微细通道蒸发器,所述实验段的上端面依次设置有带窗口的实验段上盖和可视镜,所述实验段的下端面设置有加热板,所述实验段的侧面设置有热电偶温度传感器,连通试验段进口的压力传感器、连通试验段出口的出口压力传感器,加热板将均匀的热量输送到实验段,然后热量传送到低表面能微细通道蒸发器,同时纳米流体从低表面能微细通道蒸发器中通过,安装在实验段上的温度和压力传感器信号传输到采集卡。
进一步地,所述实验段的侧面沿长度方向设置有两行热电偶温度传感器,每行四个。
进一步地,所述实验段的材料为铝合金,利于传热。
进一步地,所述的低表面能微细通道蒸发器包括板状主体、所述主体上表面沿长度方向平行设置有若干矩形微细通道。
进一步地,所述的低表面能微细通道蒸发器表面设置有氟硅烷试剂处理层,使低表面能微细通道蒸发器表面具有低表面能特性,有利于强化传热。
进一步地,所述强化传热数据采集模块包括采集卡,用于采集安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块的温度和压力传感器信号;信号分析系统,用于接收并分析所述温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数。
相比现有技术,本发明突出的优点在于:
1.低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块具有低表面能微细通道蒸发器,此微细通道蒸发器表面通过氟硅烷试剂处理,具有低表面能特性,有利于强化传热,同时此微细通道蒸发器可拆卸和更换。
2.测试系统基于多层平壁稳态热传导及纳米流体在低表面能微细通道蒸发器中能量平衡原理,建立纳米流体在低表面能微细通道中强化传热数学模型,同时包含高速摄像可视化设备,可以系统的研究一系列类型纳米流体在低微细通道蒸发器中强化传热特性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种具微细通道蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统结构示意图。
图2为本发明实施例的一种具微细通道蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统的测试流程示意图。
图3为本发明实施例的低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块爆炸结构示意图。
图4为图3中D处放大示意图。
图5为本发明实施例的实验段俯视示意图。
图6为图5中A-A向剖视示意图。
图7为本发明实施例的低表面能微细通道蒸发器实验段测试模块传热模型示意图。
图中所示为:1-液位计;2-阀门;3-液视镜;4-冷却水箱;5-磁力泵;6-过滤器;7-流量计;8-预热水箱;9-纳米流体相变可视化采集模块;10-低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块;11-强化传热数据采集模块;12-实验段上盖;13-可视镜;14-低表面能微细通道蒸发器;15-加热板;16-实验段;17-进口压力传感器;18-出口压力传感器;19-实验段进口;20-热电偶温度传感器;21-实验段出口。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
如图1所示,一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,包括:
纳米流体循环控制模块,用于控制管道中纳米流体的流速、流量、温度、压力;
低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10,连接于纳米流体的流经管道中,用于进行纳米流体在低表面能微细通道蒸发器强化传热实验;
强化传热数据采集与分析模块11,用于采集及分析安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10的温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数;
纳米流体相变可视化采集模块9,包括高清高速摄影机,用于通过低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10中的可视化窗口观察纳米流体在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10中强化传热及相变过程。
具体而言,所述的纳米流体循环控制模块包括通过管路依次连接形成纳米流体回路的冷却水箱4、磁力泵5、过滤器6、流量计7、预热水箱8以及用于向回路中定量注入纳米流体的液位计1,为方便观察,在液位计1和冷却水箱4之间的管路上还设置有液视镜3。
具体而言,如图3至图6所示,所述低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10通过管路连接在冷却水箱4与预热水箱8之间,包括两端分别设置有试验段进口19和试验段出口21的实验段16、可更换地设置在所述实验段16中间凹槽内的低表面能微细通道蒸发器14,所述实验段16的材料为铝合金。
所述实验段16的上端面依次设置有带窗口的实验段上盖12和可视镜13,所述实验段16的下端面设置有加热板15,所述实验段16的侧面设置有热电偶温度传感器20,连通试验段进口19进口的压力传感器17、连通试验段出口21的出口压力传感器18。
具体而言,所述实验段16的侧面沿长度方向设置有两行热电偶温度传感器20,每行四个。
具体而言,如图3和图4所示,所述的低表面能微细通道蒸发器14包括板状主体、所述主体上表面沿长度方向平行设置有若干矩形微细通道,同时,所述的低表面能微细通道蒸发器14表面设置有氟硅烷试剂处理层。
纳米流体从入口进入后,从若干矩形微细通道通过,有效增加了换热面积及效率。所述的矩形微细通道通过线切割低速走刀加工而成,再用盐酸化学刻蚀微细通道,从而形成超疏水性表面特性结构,使得微细通道表面能具有低表面能特性,所述的微细通道表面具有低表面特性结构,具有高效强化换热性能,经实验测试可得:具有低表面能特性表面的微细通道换热器比普通微细通道换热器的换热性能提高20%。
具体而言,所述强化传热数据采集模块11包括采集卡,用于采集安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10的温度和压力传感器信号;信号分析系统,用于接收并分析所述温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数。
测试流程如图2所示:首先将纳米流体从液位计1口注入,然后通过磁力泵5将纳米流体输送到过滤器6、流量计7和预热水箱8,最后送到低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10,输送时控制好管道中纳米流体的流速、流量、温度、压力;接着加热板15将均匀的热量输送到实验段16,然后热量传送到低表面能微细通道蒸发器14,同时纳米流体从低表面能微细通道蒸发器14中通过,安装在实验段5上的温度和压力传感器信号被传输到采集卡,采集卡将信号传输给信号分析系统,从而得到所需的测试实验参数,同时,纳米流体相变可视化采集模块9的高清高速摄影机通过低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10中的可视化窗口观察并记录纳米流体在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块10中强化传热及相变过程。
其中,如图7所示,本实施例基于多层平壁稳态热传导及纳米流体在低表面能微细通道蒸发器中能量平衡原理,建立纳米流体在低表面能微细通道中强化传热数学模型:
其中,hτp表示纳米流体在微细通道中的传热系数,Hu表示蒸发器底面到微细通道底面的距离,λa表示蒸发器的导热率,Hd表示测试实验段的传热厚度,λa表示测试实验段的导热率,Tdn表示实验段下测温点的温度平均值,Tup表示实验段上测温点的温度平均值,T表示纳米流体的饱和温度,qe表示实验段底座的热流密度,Wch表示微细通道的宽度,Ww表示每个微细通道肋片宽度。
将信号采集系统采集的试验段实验数据代入数学模型,得出纳米流体在微细通道中强化传热性能。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于,包括:
纳米流体循环控制模块,用于控制管道中纳米流体的流速、流量、温度、压力;
低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10),连接于纳米流体的流经管道中,用于进行纳米流体在低表面能微细通道蒸发器强化传热实验;
强化传热数据采集与分析模块(11),用于采集及分析安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10)的温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数;
纳米流体相变可视化采集模块(9),包括高清高速摄影机,用于通过低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10)中的可视化窗口观察纳米流体在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10)中强化传热及相变过程。
2.根据权利要求1所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述的纳米流体循环控制模块包括通过管路依次连接形成纳米流体回路的冷却水箱(4)、磁力泵(5)、过滤器(6)、流量计(7)、预热水箱(8)以及用于向回路中定量注入纳米流体的液位计(1)。
3.根据权利要求1所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10)通过管路连接在冷却水箱(4)与预热水箱(8)之间,包括两端分别设置有试验段进口(19)和试验段出口(21)的实验段(16)、可更换地设置在所述实验段(16)中间凹槽内的低表面能微细通道蒸发器(14),所述实验段(16)的上端面依次设置有带窗口的实验段上盖(12)和可视镜(13),所述实验段(16)的下端面设置有加热板(15),所述实验段(16)的侧面设置有热电偶温度传感器(20),连通试验段进口(19)进口的压力传感器(17)、连通试验段出口(21)的出口压力传感器(18)。
4.根据权利要求3所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述实验段(16)的侧面沿长度方向设置有两行热电偶温度传感器(20),每行四个。
5.根据权利要求3所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述实验段(16)的材料为铝合金。
6.根据权利要求3所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述的低表面能微细通道蒸发器(14)包括板状主体、所述主体上表面沿长度方向平行设置有若干矩形微细通道。
7.根据权利要求3所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述的低表面能微细通道蒸发器(14)表面设置有氟硅烷试剂处理层。
8.根据权利要求1所述的具低表面能蒸发器的纳米流体强化传热特性测试系统,其特征在于:所述强化传热数据采集模块(11)包括采集卡,用于采集安装在低表面能微细通道蒸发器测试实验段模块(10)的温度和压力传感器信号;信号分析系统,用于接收并分析所述温度和压力传感器信号,从而得到所需的测试实验参数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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