CN111624011B - 一种喷雾耦合降膜冷却实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，包括供液系统、测量系统和加热系统；供液系统将实验工质供给到管路中，测量系统测量管路中流量、压力以及温度，加热系统包括加热块、加热棒、冷却壁面；加热块尾部具有开孔，放置加热棒，前部是冷却壁面，具有上铜柱与下铜柱，上下铜柱的外端面采用绝热材料包裹；上下铜柱开有圆孔放置热电偶；上下铜柱的同一截面上的对应位置至少各开有两个圆孔，计算圆孔所在截面的平均温度，从而得到热流密度，并进一步得到上下铜柱的对流换热系数，通过对流换热系数表征喷雾耦合降膜的冷却能力。本发明可以对喷雾冷却与降膜冷却两个状态的冷却效果同时进行测量计算与流动状态观测，提高的实验的效率。
Description
技术领域
本发明涉及喷雾冷却领域，尤其涉及一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，可以同时对喷雾过程中喷雾与降膜冷却同时进行实验测量。
背景技术
科技的发展使得电子产品对于散热的需求越来越大。现阶段电子芯片的发展前景在于芯片的集成化越来越高，设计尺寸越来越小而其计算能力却越来越强大。电子元器件其工作的过程中会释放出大量的热量，这些多余的热量如果堆积起来会大幅度降低电子元器件的寿命并造成使用的隐患。因此选择合理的冷却手段对于提高电子产品的性能与寿命至关重要。
喷雾冷却是通过压力变化使液体工质雾化为粒径很小的液滴，之后高速喷射到高温壁面，对其进行降温的一种冷却方式。在不同的冷却条件下，喷雾冷却主要通过工质蒸发与对流换热对高温表面进行强制冷却。相比于传统的冷却方式，喷雾冷却的换热能力更强、换热效率更高，工质需求量更小，且易于调控，能有效控制高热流密度设备的温度，具有极大的应用前景。
随着技术的进步，喷雾冷却的应用早已不在局限于电子产品的散热，在金属机械加工、能源化工及工业制冷行业也有很广泛的使用。与电子行业冷却不同的是，这些方向冷却的对象往往结构较为复杂，冷却面积较大，需要冷却的对象也非常多，有时不同部件还有各自不同的冷却需求。因此，将喷雾冷却和降膜过程结合起来考虑，有效利用喷雾完成后剩余冷却液的冷却能力对于提高工程应用中的冷却效率、冷却均匀性及降低冷却工质流量，具有重要的现实意义。
基于上述研究，本发明设计了一种可以同时将喷雾与降膜冷却进行实验的实验系统。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，可以同时对喷雾及降膜冷却能力进行测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，该系统主要包括供液系统、测量系统和加热系统；
所述供液系统将实验工质供给到管路中，包括恒温箱、过滤器、泄压阀、机械隔膜泵以及滞止阀；所述恒温箱用于控制工质温度，通过过滤器与机械隔膜泵相连，所述机械隔膜泵用于为管路提供喷雾压力，并与泄压阀和滞止阀相连，所述泄压阀与恒温箱相连，保障喷雾压力的恒定，将通过泄压阀的工质排回恒温箱；所述滞止阀为控制工质流量的开关；
所述测量系统测量管路中流量、压力以及温度，包括流量计、压力变送器、热电偶和喷嘴；从滞止阀处出来的工质依次通过流量计、压力变送器、热电偶，并从喷嘴喷出；所述流量计测量喷雾流量，压力变送器测量喷雾压力，热电偶测量喷雾的工质初始温度；
所述加热系统包括加热块、加热棒、冷却壁面；所述加热块尾部为加热端，具有开孔，开孔中放置加热棒提供热源，前部是冷却壁面，为导热端，具有上铜柱与下铜柱，所述上铜柱与下铜柱中间位置不接触，并用膨胀珍珠岩绝热隔离，上铜柱与下铜柱的外端面为圆弧表面，为工质喷雾与降膜的实验表面，并采用绝热材料包裹圆弧部分使上下两个弧面相连；上铜柱与下铜柱上每隔一定距离开有圆孔放置热电偶；上铜柱与下铜柱的同一截面上的对应位置至少各开有两个圆孔，计算圆孔所在截面的平均温度，根据计算得到的平均温度利用傅里叶定律计算得到热流密度，进一步得到上铜柱与下铜柱的对流换热系数，通过对流换热系数表征喷雾耦合降膜的冷却能力。
进一步地，所述实验系统还包括阻尼器，所述阻尼器安装在机械隔膜泵与滞止阀之间的管路上，吸收系统中产生的液压冲击压力，防止管路中产生的压力脉冲对实验系统的实验结果产生影响。
进一步地，所述喷嘴为压力式机械雾化喷嘴或气助式喷嘴。
进一步地，所述喷嘴具有支架，通过调节支架来调整喷嘴与冷却壁面之间的位置关系。
进一步地，所述喷嘴与加热系统下方具有集水盘，冷却后的工质通过集水盘收集，并通过管路回收到恒温箱中，用于循环利用。
进一步地，所述绝热材料为尼龙板或者石英玻璃。
进一步地，上铜柱的对流换热系数根据测量的喷嘴进口介质温度计算得到，公式如下：
式中，h上为上铜柱的对流换热系数，q为上下铜柱的热流密度，tsur为上下铜柱圆弧端面的壁面温度，tinlet为测量的喷嘴进口介质温度；
下铜柱的对流换热系数根据冷却下铜柱的工质的温度计算得到，公式如下：
式中，h下为下铜柱的对流换热系数，tf为冷却下铜柱的工质的温度，qs表示喷雾区的热流密度，A为喷雾部分的截面积，cw为水的比热容，Qm为喷雾冷却的质量流量。
进一步地，所述测量系统还包括温度采集模块、计算机、高速相机和拍摄光源，所述计算机分别与温度采集模块和高速相机连接，将采集的数据记录在计算机上，并通过高速相机对喷雾过程进行可视化记录。
进一步地，所述加热块封装入保温盒，并向保温盒内填充膨胀珍珠岩用于保温隔热，所述上铜柱用于计算喷雾区换热能力，下铜柱用于计算降膜区的换热能力，上下互不干扰。
进一步地，所述加热块材料可选用黄铜或者紫铜，加热棒与加热块之间的间隙使用导热硅脂填充，减少接触热阻。
本发明的有益效果：现阶段对于喷雾冷却的实验研究方向主要在于喷雾区的换热与流动，但是在直接喷雾后一些工质可以沿壁面继续降膜流动，这一部分的冷却效果常常会被忽视。本发明将传统的喷雾冷却实验台结构进行改良，可以对喷雾过程中不同工况下喷雾冷却与降膜冷却两个状态的冷却效果同时进行测量计算与流动状态观测，提高的实验的效率，可以对喷雾冷却整个过程的冷却能力进行计算。
附图说明
图1为本发明试验台系统图；
图2为加热块结构图；
图3为加热保温装置示意图。
图中，1.恒温箱；2.过滤器；3.泄压阀；4.机械隔膜泵；5.阻尼器；6.滞止阀；7.流量计；8.压力变送器；9.热电偶；10.喷嘴；11.集水盘；12.加热系统；13.温度采集模块；14.计算机；15.高速相机；16.拍摄光源；17.加热块；18.加热棒；19.圆孔；20.冷却壁面；21.上铜柱；22.下铜柱；23.；24.膨胀珍珠岩；25.绝热材料。
具体实施方式
下面结合图1、图2与图3对本发明的实施结构与实施方式做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，该系统主要包括供液系统、测量系统和加热系统12；实验结束后需要通过公式计算出其表征换热能力的相关参数。
所述供液系统将实验工质供给到管路中，包括恒温箱1、过滤器2、泄压阀3、机械隔膜泵4、阻尼器5以及滞止阀6；所述恒温箱1用于控制工质温度，本发明实施例中工质为水，通过过滤器2与机械隔膜泵4相连，所述机械隔膜泵4用于为管路提供喷雾压力，并与泄压阀3和滞止阀6相连，所述泄压阀3与恒温箱1相连，保障喷雾压力的恒定，将通过泄压阀3的工质排回恒温箱1；所述阻尼器5安装在机械隔膜泵4与滞止阀6之间的管路上，吸收系统中产生的液压冲击压力，防止管路中产生的压力脉冲对实验系统的实验结果产生影响；所述滞止阀6为控制工质流量的开关；首先将恒温水箱1打开使得冷却工质达到恒定温度，之后打开机械隔膜泵4，蓄压后调节泄压阀3灵活调节管路压力；恒温液体通过过滤器进入水泵获得压力，将通过泄压阀的工质排回恒温水箱。在使用隔膜泵为管路提供水压时，会在液路中产生压力脉冲，为了防止这种现象影响实验结果，在设计实验时，在管路中安装有阻尼器来吸收系统中产生的液压冲击压力。高压工质通过测量装置进入喷嘴中雾化为液滴。
所述测量系统测量管路中流量、压力以及温度，包括流量计7、压力变送器8、热电偶9和喷嘴10；从滞止阀6处出来的工质依次通过流量计7、压力变送器8、热电偶9，并从喷嘴10喷出；所述喷嘴10为压力式机械雾化喷嘴或气助式喷嘴，且喷嘴10具有支架，通过调节支架来调整喷嘴10与冷却壁面20之间的位置关系，可以对不同喷雾距离与喷雾角度的冷却效果进行实验研究。所述流量计7测量喷雾流量，压力变送器8测量喷雾压力，热电偶9测量喷雾的工质初始温度；
如图2和图3所示，所述加热系统12包括加热块17、加热棒18、冷却壁面20；所述加热块17加热块17材料可选用黄铜或者紫铜，本发明实施例中采用黄铜，尾部为加热端，具有开孔，开孔中放置加热棒18提供热源，加热棒18与加热块17之间的间隙使用导热硅脂填充，减少接触热阻，运用调压器来控制加热棒的发热功率；前部是冷却壁面20，为导热端，具有上铜柱21与下铜柱22，喷嘴10对准上铜柱21的圆弧表面20，对其进行喷雾冷却，所述上铜柱21与下铜柱22中间位置不接触，并用膨胀珍珠岩24绝热隔离，上铜柱21与下铜柱22的外端面为圆弧表面，为工质喷雾与降膜的实验表面，分别用于实验探究喷雾和降膜两种换热能力大小，并采用绝热材料25包裹圆弧部分使上下两个弧面相连，在保证其一维导热特性的情况下也使得喷雾区的液膜可以沿壁面流动到降膜区壁面，所述绝热材料25采用尼龙板或者石英玻璃；上铜柱21与下铜柱22上每隔一定距离开有圆孔19放置热电偶9；考虑截面的温度不均匀性，上铜柱21与下铜柱22的同一截面上的对应位置至少各开有两个圆孔19，计算圆孔19所在截面的平均温度，根据计算得到的平均温度利用傅里叶定律计算得到热流密度，进一步得到上铜柱21与下铜柱22的对流换热系数，通过对流换热系数表征喷雾耦合降膜的冷却能力。所述加热块17封装入保温盒23，并向保温盒23内填充膨胀珍珠岩24用于保温隔热，所述上铜柱用于计算喷雾区换热能力，下铜柱用于计算降膜区的换热能力，上下互不干扰。
所述喷嘴10与加热系统12下方具有集水盘11，冷却后的工质通过集水盘11收集，并通过管路回收到恒温箱1中，用于循环利用。
所述测量系统还包括温度采集模块13、计算机14、高速相机15和拍摄光源16，所述计算机14分别与温度采集模块13和高速相机15连接，将采集的数据记录在计算机14上，并通过高速相机15对喷雾过程进行可视化记录，观测喷雾过程中液滴的喷射与破碎状态，及液膜流动过程。
计算换热效率时最重要的指标为不同工况下，散热铜柱的热流密度与喷雾降膜冷却的对流换热系数，本发明使用一下方法对其进行计算
实验中的表征换热能力的参数为稳定状态时喷雾区与降膜区的壁面温度与热流密度。由于加热铜块周围填充有隔热材料，因此可将两段铜柱视为一维导热结构。首先将每个截面处两根热电偶的温度取平均值，得到截面的平均温度，因此结合不同截面的温度与截面的距离，利用傅里叶定律计算可得上下铜柱的热流密度：
其中λcu为黄铜的导热系数，ti与tj分别为不同截面上的平均温度，δi与δj为截面到加热壁面的距离。由于加热壁面为一弧面，因此使用圆柱弧面的一半处的距离作为计算表面来近似计算壁面平均温度。
铜柱圆弧端面的壁面温度由各个截面温度联合求解得到：
上铜柱的对流换热系数h上定义为热流密度q与铜柱圆弧端面的壁面温度tsur与喷嘴进口水温tinlet的差的比值：
当计算降膜区的对流换热系数的时候，由于用于降膜冷却的工质已经与喷雾壁面发生了热量交换，因此其工质的温度需要计算得到。将降膜冷却处的工质温度即冷却下铜柱的工质的温度用tf表示，则其计算公式为：
其中，tf为冷却下铜柱22的工质的温度，qs表示喷雾区的热流密度，A为喷雾部分的截面积，cw为水的比热容，Qm为喷雾冷却的质量流量。因此在计算降膜区换热系数时需要用tf替换计算上铜柱的对流换热系数时公式里的tinlet，下铜柱22的对流换热系数h下计算公式如下：
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，该系统主要包括供液系统、测量系统和加热系统(12)；
所述供液系统将实验工质供给到管路中，包括恒温箱(1)、过滤器(2)、泄压阀(3)、机械隔膜泵(4)以及滞止阀(6)；所述恒温箱(1)用于控制工质温度，通过过滤器(2)与机械隔膜泵(4)相连，所述机械隔膜泵(4)用于为管路提供喷雾压力，并与泄压阀(3)和滞止阀(6)相连，所述泄压阀(3)与恒温箱(1)相连，保障喷雾压力的恒定，将通过泄压阀(3)的工质排回恒温箱(1)；所述滞止阀(6)为控制工质流量的开关；
所述测量系统测量管路中流量、压力以及温度，包括流量计(7)、压力变送器(8)、热电偶(9)和喷嘴(10)；从滞止阀(6)处出来的工质依次通过流量计(7)、压力变送器(8)、热电偶(9)，并从喷嘴(10)喷出；所述流量计(7)测量喷雾流量，压力变送器(8)测量喷雾压力，热电偶(9)测量喷雾的工质初始温度；
所述加热系统(12)包括加热块(17)、加热棒(18)、冷却壁面(20)；所述加热块(17)尾部为加热端，具有开孔，开孔中放置加热棒(18)提供热源，前部是冷却壁面(20)，为导热端，具有上铜柱(21)与下铜柱(22)，所述上铜柱(21)与下铜柱(22)中间位置不接触，并用膨胀珍珠岩(24)绝热隔离，上铜柱(21)与下铜柱(22)的外端面为圆弧表面，为工质喷雾与降膜的实验表面，并采用绝热材料(25)包裹圆弧部分使上下两个弧面相连；上铜柱(21)与下铜柱(22)上每隔一定距离开有圆孔(19)放置热电偶(9)；上铜柱(21)与下铜柱(22)的同一截面上的对应位置至少各开有两个圆孔(19)，计算圆孔(19)所在截面的平均温度，根据计算得到的平均温度利用傅里叶定律计算得到热流密度，进一步得到上铜柱(21)与下铜柱(22)的对流换热系数，通过对流换热系数表征喷雾耦合降膜的冷却能力；具体为：上铜柱(21)的对流换热系数根据测量的喷嘴进口介质温度计算得到，公式如下：
式中，h上为上铜柱(21)的对流换热系数，q为上下铜柱的热流密度，tsur为上下铜柱圆弧端面的壁面温度，tinlet为测量的喷嘴进口介质温度；
下铜柱(22)的对流换热系数根据冷却下铜柱(22)的工质的温度计算得到，公式如下：
式中，h下为下铜柱(22)的对流换热系数，tf为冷却下铜柱(22)的工质的温度，qs表示喷雾区的热流密度，A为喷雾部分的截面积，cw为水的比热容，Qm为喷雾冷却的质量流量。
2.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述实验系统还包括阻尼器(5)，所述阻尼器(5)安装在机械隔膜泵(4)与滞止阀(6)之间的管路上，吸收系统中产生的液压冲击压力，防止管路中产生的压力脉冲对实验系统的实验结果产生影响。
3.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述喷嘴(10)为压力式机械雾化喷嘴或气助式喷嘴等。
4.根据权利要求2所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述喷嘴(10)具有支架，通过调节支架来调整喷嘴(10)与冷却壁面(20)之间的位置关系。
5.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述喷嘴(10)与加热系统(12)下方具有集水盘(11)，冷却后的工质通过集水盘(11)收集，并通过管路回收到恒温箱(1)中，用于循环利用。
6.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述绝热材料(25)为尼龙板或者石英玻璃等。
7.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述测量系统还包括温度采集模块(13)、计算机(14)、高速相机(15)和拍摄光源(16)，所述计算机(14)分别与温度采集模块(13)和高速相机(15)连接，将采集的数据记录在计算机(14)上，并通过高速相机(15)对喷雾过程进行可视化记录。
8.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述加热块(17)封装入保温盒(23)，并向保温盒(23)内填充膨胀珍珠岩(24)用于保温隔热，所述上铜柱用于计算喷雾区换热能力，下铜柱用于计算降膜区的换热能力，上下互不干扰。
9.根据权利要求1所述的一种喷雾耦合降膜冷却实验系统，其特征在于，所述加热块(17)材料可选用黄铜或者紫铜，加热棒(18)与加热块(17)之间的间隙使用导热硅脂填充，减少接触热阻。
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