CN110208312B - 一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度的预测方法 - Google Patents

一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度预测方法，其特点是，包括：实验数据的采集与预处理、无量纲电场力的定义和临界热流密度预测公式的提出等步骤，通过判定干涸点出现后对应温度下的热流密度为临界热流密度，对采集到的温度进行计算分析，得出实验临界热流密度；通过无量纲电场力的定义，即无量纲数来提高预测方法的适用性和精确度；通过临界热流密度预测公式的提出验证了预测模型的精确度在±15％，能够为电场干扰下的并联小通道临界热流密度的预测提供一个合适的理论预测模型。具有科学合理，适用性强，能够满足预测精度要求等优点。

Description

一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度的预测方法
技术领域
本发明涉及电场预测领域，是一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度的预测方法，应用于预测电子制冷设备中换热器或电场干扰下换热设备的临界热流密度。
背景技术
小通道的结构紧凑，单位面积传热效率高。具有体积小、质量轻、密封性好的优点。因此小通道沸腾传热特性被越来越多不同领域的技术人员所关注。在航空航天，核反应堆，燃料电池等散热量大的设备中都有涉及。其中小通道在解决电子设备散热冷却问题上展现出极大的优势。但是小通道沸腾传热过程中达到临界热流密度后会出现传热恶化现象(即通道内制冷剂干涸)，该现象极大的影响传热效率，因此准确预测工作在电场干扰下的并联小通道的临界热流密度尤为重要。
现有关于并联小通道临界热流密度的预测方法都是基于大气环境中，而用于电子设备的小通道换热器不可避免的会受到电场的干扰，而电场的作用会使通道内工质的受力发生改变，进而使得小通道的换热性能发生改变，导致通道的临界热流密度发生变化。现有的临界热流密度方法用于电场干扰下小通道换热器的临界热流密度的预测并不合适。迄今为止，未见有关本发明的一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明的目的是，提供一个科学合理，适用性强，能够满足预测精度要求的于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法。
本发明的目的由以下技术方案来实现的：一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度预测方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)实验数据的采集与预处理
在通道底部安装八个PT100热电偶，监测通道在加热过程中底部温度的变化，在通道进出口安装两个进出工质测温设备，设置采样时间为420s，采样频率为1秒采集3个温度值，当通道内出现干涸点后且温度在3min内的波动不超过±0.3℃时，判定干涸点出现后对应温度下的热流密度为临界热流密度，对采集到的温度进行计算分析，得出实验临界热流密度，计算为公式为：
Figure BDA0002077262840000011
λ为通道的导热系数，W/m·K；Tdn为通道底座下部温度，℃；Tup为通道底座上部温度，℃；δ为通道底座上部温度测量位置与下部温度测量位置的间距，m；
2)无量纲电场力的定义
由于电场力的作用需要引入无量纲电场力，即无量纲数来提高预测方法的适用性和精确度，定义无量纲电场力，即无量纲数；
在考虑到电场大小对临界热流密度变化有较大影响的情况下，用一个无量纲数来表征电场力E的大小，为(2)式：
Figure BDA0002077262840000021
式中：ε是介电常数，C2/N·m2；U是电压值，V；σ是工质表面张力，N/m2；L是通道长度，m；
3)临界热流密度预测公式的提出
除了需要考虑电场力的影响，流量的大小和通道换热系数的变化也影响着通道临界热流密度的变化，因此在临界热流密度表达式中还需要有雷诺数Re和努赛尔数Nu，定义式为：
Figure BDA0002077262840000022
Figure BDA0002077262840000023
式中：u为工质速度，m/s；de为水力直径，m；γ为运动粘性系数，Pa·s；h为换热系数KW/m2·K；δ为壁面厚度，m；λ为导热系数，KW/m2·K；
通过计算实验中得到物性参数得出无量纲电场力，雷诺数和努赛尔数，对实验得到的临界热流密度进行拟合，得到求解临界热流密度预测公式为：
qchf＝GhlfE0.13767Re0.1969Nu-1.4955 (5)
式中qchf为通道临界热流密度，W/m2；G为工质流量，Kg/m2·s，hlf为汽化潜热，J/kg。
本发明的一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度的预测方法，包括：实验数据的采集与预处理、无量纲电场力的定义和临界热流密度预测公式的提出等步骤，通过判定干涸点出现后对应温度下的热流密度为临界热流密度，对采集到的温度进行计算分析，得出实验临界热流密度；通过无量纲电场力的定义，即无量纲数来提高预测方法的适用性和精确度；通过临界热流密度预测公式的提出验证了预测模型的精确度在±15％，能够为电场干扰下的并联小通道临界热流密度的预测提供一个合适的理论预测模型。具有科学合理，适用性强，能够满足预测精度要求等优点。
附图说明
图1是本发明的一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法的实验系统示意图；
图2是并联小通道示意图；
图3是本发明的一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法流程框图；
图4是并联小通道换热系数对比图；
图5是并联小通道临界热流密度对比图；
图6是并联小通道模型验证图。
图1是实验系统图，实验系统包括工质循环系统、加热系统、冷却系统和数据采集系统以及提供外加电场的恒压直流电源。图2是小通道换热设备示意图，针对制冷剂为R141b的并联9个小通道，每个小通道尺寸为长度L＝250mm、宽度d＝2mm、高度h＝2mm。在进出口处布置压力传感器和温度传感器，在通道底部开有8个测温孔。图3为本发明的一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法流程框图，采集并联小通道沸腾传热时通道的物性参数，提出一个无量纲参数即无量纲电场力，对实验得到临界热流密度参数进行拟合，对模型进行验证。图4为并联小通道换热系数对比图，在增加电场干扰下通达的临界热流密度提高。图5是并联小通道临界热流密度对比图、在电场力的干扰下，通道的临界热流密度增加。图6是电场干扰下通道临界热流密度预测公式的模型验证图，以为该模型的提出是用了40组实验数据进行了拟合，拟合出新的临界热流密度预测公式后用52组实验数据进行验证。
具体实施方式
下面利用附图和实例对本发明作进一步说明。
本发明的一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法，包括以下步骤：
1)实验数据的采集与预处理
在通道底部安装八个PT100热电偶，监测通道在加热过程中底部温度的变化，在通道进出口安装两个进出工质测温设备，设置采样时间为420s，采样频率为1秒采集3个温度值，当通道内出现干涸点后且温度在3min内的波动不超过±0.3℃时，判定干涸点出现后对应温度下的热流密度为临界热流密度，对采集到的温度进行计算分析，得出实验临界热流密度，计算为公式为：
Figure BDA0002077262840000041
λ为通道的导热系数，W/m·K；Tdn为通道底座下部温度，℃；Tup为通道底座上部温度，℃；δ为通道底座上部温度测量位置与下部温度测量位置的间距，m；
2)无量纲电场力的定义
由于电场力的作用需要引入无量纲电场力，即无量纲数来提高预测方法的适用性和精确度，定义无量纲电场力，即无量纲数；
在考虑到电场大小对临界热流密度变化有较大影响的情况下，用一个无量纲数来表征电场力E的大小，为(2)式：
Figure BDA0002077262840000042
式中：ε是介电常数，C2/N·m2；U是电压值，V；σ是工质表面张力，N/m2；L是通道长度，m；
3)临界热流密度预测公式的提出
除了需要考虑电场力的影响，流量的大小和通道换热系数的变化也影响着通道临界热流密度的变化，因此在临界热流密度表达式中还需要有雷诺数Re和努赛尔数Nu，定义式为：
Figure BDA0002077262840000043
Figure BDA0002077262840000044
式中：u为工质速度，m/s；de为水力直径，m；γ为运动粘性系数，Pa·s；h为换热系数KW/m2·K；δ为壁面厚度，m；λ为导热系数，KW/m2·K；
通过计算实验中得到物性参数得出无量纲电场力，雷诺数和努赛尔数，对实验得到的临界热流密度进行拟合，得到求解临界热流密度预测公式为：
qchf＝GhlfE0.13767Re0.1969Nu-1.4955 (5)
式中qchf为通道临界热流密度，W/m2；G为工质流量，Kg/m2·s，hlf为汽化潜热，J/kg。
具体实例：本发明所用的系统图如图1所示，实验台包括工质循环系统、加热系统、冷却系统和数据采集系统和稳压直流电压源五个部分组成。工质循环系统包括液体储存器、泵、预热器、实验段。工质循环过程为：工质从储液瓶中流出，经过流量计进入预热器，达到饱和液体温度后进入实验吸热，从实验段流出的工质流经水冷装置冷却，冷却后经过过滤器，过滤后的工质重新回到储液瓶完成一个完整的工质循环。实验示意图如图2所示，本发明采用的小通道并联管散热设备由9个长L＝250mm，宽d＝2mm，高h＝2mm的小通道并联而成。在各个小通道中布置铜丝，连接直流稳压电源的正极，提供通道研究需要的电场干扰环境。通道内流动工质为R141b。实验段进、出口位置各安装一个压力变送器和一个热电阻测温设备。实验段底部开8个测温孔。图4为并联小通道通电压与未通电压的的换热系数对比图，图4可以看出，在电场的影响下，通道的换热系数增加。图5是并联小通道通电压与未通电压的临界热流密度对比图。图5可以看出，通道同电压后，通道内的电场环境使得通道临界热流密度增加。综合图4和图5可以发现，电场的增加对并联小通道的换热性能影响较大，因此现有的临界热流密度预测公式无法满足电场干扰下通道的临界热流密度，因此本发明提出公式5，公式5用了40组实验数据拟合。而图6显示的模型验证图是用另外的52组实验数据进行验证。验证结果显示，并联小通道临界热流密度的预测值和实验值的比值在±15％内。即本发明提出一种用于电场干扰下并联小通道换热器临界热流密度的预测方法的公式5满足预测精度要求。

Claims (1)

1.一种用于电场干扰下并联小通道临界热流密度预测方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)实验数据的采集与预处理
在通道底部安装八个PT100热电偶，监测通道在加热过程中底部温度的变化，在通道进出口安装两个进出工质测温设备，设置采样时间为420s，采样频率为1秒采集3个温度值，当通道内出现干涸点后且温度在3min内的波动不超过±0.3℃时，判定干涸点出现后对应温度下的热流密度为临界热流密度，对采集到的温度进行计算分析，得出实验临界热流密度，计算公式为：
Figure FDA0002077262830000011
λ为通道的导热系数，W/m·K；Tdn为通道底座下部温度，℃；Tup为通道底座上部温度，℃；δ为通道底座上部温度测量位置与下部温度测量位置的间距，m；
2)无量纲电场力的定义
由于电场力的作用需要引入无量纲电场力，即无量纲数来提高预测方法的适用性和精确度，定义无量纲电场力，即无量纲数；
在考虑到电场大小对临界热流密度变化有较大影响的情况下，用一个无量纲数来表征电场力E的大小，为(2)式：
Figure FDA0002077262830000012
式中：ε是介电常数，C2/N·m2；U是电压值，V；σ是工质表面张力，N/m2；L是通道长度，m；
3)临界热流密度预测公式的提出
除了需要考虑电场力的影响，流量的大小和通道换热系数的变化也影响着通道临界热流密度的变化，因此在临界热流密度表达式中还需要有雷诺数Re和努赛尔数Nu，定义式为：
Figure FDA0002077262830000013
Figure FDA0002077262830000014
式中：u为工质速度，m/s；de为水力直径，m；γ为运动粘性系数，Pa·s；h为换热系数，KW/m2·K；δ为壁面厚度，m；λ为导热系数，KW/m2·K；
通过计算实验中得到物性参数得出无量纲电场力，雷诺数和努赛尔数，对实验得到的临界热流密度进行拟合，得到求解临界热流密度预测公式为：
qchf＝GhlfE0.13767Re0.1969Nu-1.4955 (5)
式中qchf为通道临界热流密度，W/m2；G为工质流量，Kg/m2·s，hlf为汽化潜热，J/kg。
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