CN108645888A - 一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置及方法，属于强化传热领域。该装置采用极薄电阻材料导电的方式产生较高热流密度热量，电阻材料厚度方向可认为不存在温度梯度，喷雾冷却时可快速达到动态平衡，电阻材料底部采用绝缘导热胶粘贴温度传感器，可直接获得热表面温度，测量误差小；通过3自由度喷嘴姿态调节装置调整喷嘴的高度和角度，可研究不同喷雾高度和角度下喷雾冷却传热性能；在极薄电阻材料底面隔着绝缘支撑架施加超声波，可保证超声波沿着液‑气方向传播，达到实验目的。与传统的喷雾冷却加热方法相比，本发明提供的方法具有实验周期短、测试精度高、超声位置便于施加的优点。
Description
技术领域
本发明涉及强化传热实验装置领域，特别是涉及一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置及方法。
背景技术
喷雾冷却作为一种高效的高热流密度散热方式，在高功率激光武器、高集成度电子元器件等大热流密度散热条件下具有广阔应用前景。国内外学者针对喷雾冷却强化传热机理展开了广泛的实验研究。传统的喷雾冷却热源模拟装置通常采用电加热棒加热铜块，在铜块表面形成高热流密度热量，该方法若想获得不同热流密度下加热表面温度，需至少半小时的稳定时间才能达到动态平衡，数据采集周期长；另外该方法利用傅里叶定律间接测量热表面温度，测试精度不高。
超声波在喷雾冷却所形成的液膜内传播时，当声压达到一定值会产生空化效应和射流效应，破坏接触面热边界层，从而强化喷雾冷却传热效果；另外超声波在喷雾区传播时会击碎液滴，减小液滴直径，根据前人研究，喷雾液滴直径减小，有助于强化换热。理论上超声波传播方向与液滴运动方向相向时，液滴受到的声压最大，液滴破碎效果越好，但是超声波在气液向界面会产生折射，因此有必要通过调整喷雾夹角改变液滴的运动方向。
根据超声波传播理论，在20℃和1atm的条件下，液体和空气的声阻抗相差几千倍，声阻抗的巨大差距使得超声波从空气传入液体时，其大部分能量（99.88%）被气液相界面反射回空气介质中。为定量研究超声场作用下喷雾冷却强化传热能力，超声波必须沿着液体-空气的路径传播，传统的热源模拟装置无法提供有利的超声施加位置。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置及方法，采用极薄金属膜片导电的方式产生较高热流密度热量，通过3自由度喷嘴姿态调节装置调整喷嘴的高度和角度，并在极薄金属膜片底面隔着绝缘支撑体施加超声波，从而解决喷雾冷却实验稳定时间长、测试精度较低、超声场不易施加的问题，为达此目的，本发明提供一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，包括储液器、过滤器、液泵、恒温水箱、流量调节阀、质量流量计、压力调节阀、软管、喷嘴、半封闭喷雾腔、超声换能器、超声波发生器、电流表、稳压电源和调压器，所述储液器通过过滤器接液泵的进液口，所述液泵的出液口接恒温水箱的进液口和质量流量计的进液口，所述恒温水箱出液口通过流量调节阀接储液器，所述液泵与恒温水箱和流量调节阀组成旁通回路，旁通工质依次流经恒温水箱、流量调节阀，回流至储液器，所述质量流量计的出液口通过压力调节阀接软管一端，所述软管另一端接喷嘴，所述喷嘴下方有半封闭喷雾腔，工质依次流经储液器、过滤器、液泵、质量流量计、压力调节阀、软管、喷嘴、半封闭喷雾腔，形成循环回路，所述超声换能器紧贴至半封闭喷雾腔底部，所述超声换能器通过连接线与超声波发生器相连，所述半封闭喷雾腔内有极薄金属膜片，所述稳压电源与电流表和调压器接极薄金属膜片的接线端子形成回路。
本发明的进一步改进，所述半封闭喷雾腔包括挡液板、绝缘支撑架、极薄金属膜片、接线端子和温度传感器Ⅱ，所述绝缘支撑架与挡液板底部胶接；所述极薄金属膜片与绝缘支撑架顶部胶接；所述极薄金属膜片上端布置1～3组接线端子，所述接线端子与稳压电源连接；所述绝缘支撑架顶部加工有凹槽，所述温度传感器Ⅱ为贴片式，所述温度传感器Ⅱ采用绝缘导热胶粘贴至凹槽与极薄金属膜片之间，半封闭喷雾腔主要采用以上结构，采用绝缘导热胶粘贴至凹槽与极薄金属膜片之间，可以防止电流流经温度传感器Ⅱ。
本发明的进一步改进，所述喷嘴与喷嘴姿态调节装置相连，所述喷嘴姿态调节装置包括竖直导杆、带弧形导杆段的活动导杆架、喷嘴联动滑块、竖直滑块一、.竖直滑块二、水平滑块和基座，所述水平滑块在基座上沿基座左右滑动，所述水平滑块固定有竖直导杆，所述竖直滑块一和竖直滑块二套装在竖直导杆上沿竖直导杆垂直协同滑动，所述带弧形导杆段的活动导杆架的两端分别与竖直滑块一和竖直滑块二相连，所述带弧形导杆段的活动导杆架的弧形导杆段上有喷嘴联动滑块，所述喷嘴联动滑块与喷嘴固接，采用喷嘴姿态调节装置主要为了调节喷嘴位置，采用以上结构后可实现30°～90°喷雾角度调整，喷嘴可实现3自由度姿态调整。
本发明的进一步改进，所述压力调节阀与软管连接的管道接有温度传感器Ⅰ和压力传感器，温度传感器和压力传感器主要为了确定相关管道内液体的参数。
本发明的进一步改进，所述极薄金属膜片选用铝箔片厚度在0.1～0.5mm之间，与绝缘支撑架顶部胶接，所述的极薄金属膜片厚度在0.1～0.5mm之间，与绝缘支撑架顶部胶接，用于产生较高热流密度热量并防止在导电条件下变形，极薄金属膜片厚度方向可认为不存在温度梯度。
本发明的进一步改进，所述喷雾工质为非导电液体，本发明喷雾工质需要采用非导电液体。
本发明一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验方法，具体步骤如下：
1）根据实验需要，通过调整喷嘴姿态调节装置中相应滑块的位置，确定喷嘴的喷雾高度和角度；
2）然后开启液泵，并协同调节流量调节阀、压力调节阀，控制喷嘴喷雾压力和旁通回路流量；
3）开启稳压电源，通过调压器调节电压，控制极薄金属膜片产生的热流密度；
4）观察温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ，待喷嘴入口温度和极薄金属膜片表面温度稳定后，开启超声波发生器，并调节超声波频率和声压；
5）继续观察温度传感器Ⅰ、温度传感器Ⅱ，待实验数据稳定后采集数据，完成一组实验数据测量；
6）改变喷嘴喷雾高度、角度、喷雾流量、热流密度、超声频率、声压中的单一因素，重复上述步骤，获得相应数据，为超声场作用下的喷雾冷却影响因素分析和传热关联式的耦合提供数据支撑。
本发明一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法，该装置采用极薄金属膜片导电的方式产生较高热流密度热量，电阻材料极薄，厚度方向可认为不存在温度梯度，喷雾冷却时可快速达到动态平衡，电阻材料底部采用绝缘导热胶粘贴温度传感器，可直接获得热表面温度，测量误差小；通过3自由度喷嘴姿态调节装置调整喷嘴的高度和角度，可研究不同喷雾高度和角度下喷雾冷却传热性能；在极薄金属膜片底面隔着绝缘支撑架施加超声波，可保证超声波沿着液-气方向传播，达到实验目的。本专利提供的方法则具有实验周期短、测试精度高、超声位置便于施加的优点。
附图说明
图1为本发明超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置系统图。
图2为本发明喷嘴姿态调节装置和半封闭喷雾腔结构图。
图中的标号名称：1. 储液器；2. 过滤器；3. 液泵；4. 恒温水箱；5. 流量调节阀；6. 质量流量计；7. 压力调节阀；8. 温度传感器Ⅰ；9. 压力传感器；10. 软管；11. 喷嘴；12. 半封闭喷雾腔；13. 喷嘴姿态调节装置；14. 超声换能器；15. 超声波发生器；16. 电流表；17. 稳压电源；18. 调压器；19. 挡液板；20. 绝缘支撑架；21. 极薄金属膜片；22.接线端子；23. 温度传感器Ⅱ；24-1.竖直导杆；24-2. 带弧形导杆段的活动导杆架；25-1.喷嘴联动滑块；25-2.竖直滑块一；25-3.竖直滑块二；25-4.水平滑块；26. 基座。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置及方法，采用极薄金属膜片导电的方式产生较高热流密度热量，通过3自由度喷嘴姿态调节装置调整喷嘴的高度和角度，并在极薄金属膜片底面隔着绝缘支撑体施加超声波，从而解决喷雾冷却实验稳定时间长、测试精度较低、超声场不易施加的问题。
如图1所示，本发明中所述的超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，由储液器1、过滤器2、液泵3、恒温水箱4、流量调节阀5、质量流量计6、压力调节阀7、温度传感器Ⅰ8、压力传感器9、软管10、喷嘴11、半封闭喷雾腔12、喷嘴姿态调节装置13、超声换能器14、超声波发生器15、电流表16、稳压电源17、调压器18构成。如图2所示，所述的半封闭喷雾腔12，由挡液板19、绝缘支撑架20、极薄金属膜片21、接线端子22和温度传感器Ⅱ23构成；所述的喷嘴姿态调节装置13，由竖直导杆24-1、带弧形导杆段的活动导杆架24-2、喷嘴联动滑块25-1、竖直滑块一25-2、竖直滑块二25-3、水平滑块25-4和基座26构成。现以非导电液体FC-72工质在0.15mm铝箔片上喷雾冷却为例，阐述本发明装置的具体实施过程。
当进行超声场作用下喷雾冷却实验时，首先根据实验需要，通过调整滑块25的位置，确定喷嘴11的喷雾高度和角度；开启液泵3，并协同调节流量调节阀5、压力调节阀7，控制喷嘴11喷雾压力和旁通回路流量；开启稳压电源17，通过调压器18调节电压，控制极薄金属膜片21产生的热流密度；观察温度传感器Ⅰ8、温度传感器Ⅱ23，待喷嘴11入口温度和极薄金属膜片21表面温度稳定后，开启超声波发生器15，并调节超声波频率和声压；继续观察温度传感器Ⅰ8、温度传感器Ⅱ23，待实验数据稳定后采集数据，完成一组实验数据测量；改变喷嘴11喷雾高度、角度、喷雾流量、热流密度、超声频率、声压中的单一因素，重复上述步骤，获得多组数据，为超声场作用下的喷雾冷却影响因素分析和传热关联式的耦合提供数据支撑。
本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法，该装置采用极薄金属膜片21导电的方式产生较高热流密度热量，电阻材料厚度方向可认为不存在温度梯度，喷雾冷却时可快速达到动态平衡，电阻材料底部采用绝缘导热胶粘贴温度传感器，可直接获得热表面温度，测量误差小；通过3自由度喷嘴姿态调节装置13调整喷嘴11的高度和角度，可研究不同喷雾高度和角度下喷雾冷却传热性能；在极薄金属膜片21底面隔着绝缘支撑架20施加超声波，可保证超声波沿着液-气方向传播，达到实验目的。本专利提供的方法具有实验周期短、测试精度高、超声位置便于施加的优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，包括储液器（1）、过滤器（2）、液泵（3）、恒温水箱（4）、流量调节阀（5）、质量流量计（6）、压力调节阀（7）、软管（10）、喷嘴（11）、半封闭喷雾腔（12）、超声换能器（14）、超声波发生器（15）、电流表（16）、稳压电源（17）和调压器（18），其特征在于：所述储液器（1）通过过滤器（2）接液泵（3）的进液口，所述液泵（3）的出液口接恒温水箱（4）的进液口和质量流量计（6）的进液口，所述恒温水箱（4）出液口通过流量调节阀（5）接储液器（1），所述液泵（3）与恒温水箱（4）和流量调节阀（5）组成旁通回路，旁通工质依次流经恒温水箱（4）、流量调节阀（5），回流至储液器（1），所述质量流量计（6）的出液口通过压力调节阀（7）接软管（10）一端，所述软管（10）另一端接喷嘴（11），所述喷嘴（11）下方有半封闭喷雾腔（12），工质依次流经储液器（1）、过滤器（2）、液泵（3）、质量流量计（6）、压力调节阀（7）、软管（10）、喷嘴（11）、半封闭喷雾腔（12），形成循环回路，所述超声换能器（14）紧贴至半封闭喷雾腔（12）底部，所述超声换能器（14）通过连接线与超声波发生器（15）相连，所述半封闭喷雾腔（12）内有极薄金属膜片（21），所述稳压电源（17）与电流表（16）和调压器（18）接极薄金属膜片（21）的接线端子（22）形成回路。
2.根据权利要求1所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述半封闭喷雾腔（12）包括挡液板（19）、绝缘支撑架（20）、极薄金属膜片（21）、接线端子（22）和温度传感器Ⅱ（23），所述绝缘支撑架（20）与挡液板（19）底部胶接；所述极薄金属膜片（21）与绝缘支撑架（20）顶部胶接；所述极薄金属膜片（21）上端布置1～3组接线端子（22），所述接线端子（22）与稳压电源（17）连接；所述绝缘支撑架（20）顶部加工有凹槽，所述温度传感器Ⅱ（23）为贴片式，所述温度传感器Ⅱ（23）采用绝缘导热胶粘贴至凹槽与极薄金属膜片（21）之间。
3.根据权利要求1所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述喷嘴（11）与喷嘴姿态调节装置（13）相连。
4.根据权利要求3所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述喷嘴姿态调节装置（13）包括竖直导杆（24-1）、带弧形导杆段的活动导杆架（24-2）、喷嘴联动滑块（25-1）、竖直滑块一（25-2）、.竖直滑块二（25-3）、水平滑块（25-4）和基座（26），所述水平滑块（25-4）在基座（26）上沿基座（26）左右滑动，所述水平滑块（25-4）固定有竖直导杆（24-1），所述竖直滑块一（25-2）和竖直滑块二（25-3）套装在竖直导杆（24-1）上沿竖直导杆（24-1）垂直协同滑动，所述带弧形导杆段的活动导杆架（24-2）的两端分别与竖直滑块一（25-2）和竖直滑块二（25-3）相连，所述带弧形导杆段的活动导杆架（24-2）的弧形导杆段上有喷嘴联动滑块（25-1），所述喷嘴联动滑块（25-1）与喷嘴（11）固接。
5.根据权利要求1所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述压力调节阀（7）与软管（10）连接的管道接有温度传感器Ⅰ（8）和压力传感器（9）。
6.根据权利要求1所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述极薄金属膜片（21）选用铝箔片厚度在0.1～0.5mm之间，与绝缘支撑架（20）顶部胶接。
7.根据权利要求1所述的一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述喷雾工质为非导电液体。
8.一种超声场作用下变喷嘴姿态喷雾冷却实验方法，具体步骤如下，其特征在于：
1）根据实验需要，通过调整喷嘴姿态调节装置（13）中相应滑块的位置，确定喷嘴（11）的喷雾高度和角度；
2）然后开启液泵（3），并协同调节流量调节阀（5）、压力调节阀（7），控制喷嘴（11）喷雾压力和旁通回路流量；
3）开启稳压电源（17），通过调压器（18）调节电压，控制极薄金属膜片（21）产生的热流密度；
4）观察温度传感器Ⅰ（8）、温度传感器Ⅱ（23），待喷嘴（11）入口温度和极薄金属膜片（21）表面温度稳定后，开启超声波发生器（15），并调节超声波频率和声压；
5）继续观察温度传感器Ⅰ（8）、温度传感器Ⅱ（23），待实验数据稳定后采集数据，完成一组实验数据测量；
6）改变喷嘴（11）喷雾高度、角度、喷雾流量、热流密度、超声频率、声压中的单一因素，重复上述步骤，获得相应数据，为超声场作用下的喷雾冷却影响因素分析和传热关联式的耦合提供数据支撑。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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