填充泡沫金属并联小通道流动沸腾换热特性研究

发布时间：2020-04-22 14:50

【摘要】：随着微电子技术的快速发展,换热器件越来越趋向于小型化,而单位面积上的换热量却越来越大。传统的空冷技术由于对流换热的局限性,显然已经满足不了这一要求。研发一种高性能的微型散热器已经成为一个急需解决的问题。沸腾换热由于能有效地利用相变潜热,换热效率能得到数倍的提高。1981年至今,并联微通道中的沸腾换热得到了广泛研究,流动与其换热机理也被进一步揭示。泡沫金属是一种超轻多孔金属材料,其独特的结构特征,可以极大提高核态沸腾成核率,且增加流体扰动,最终能使换热效率进一步提高。填充泡沫金属的常规通道中的沸腾换热,已经有学者进行了研究,而微/小通道中的相关研究还未发表。不同尺度下的流动沸腾特征是否一致、换热系数随各因素的变化规律是否一样以及微/小尺度下的换热模型创建均未得到解答。本文采用水力直径为2.5mm的并联小通道,填充PPI为10和20的泡沫金属铜,进行了流动与换热特性的实验研究与理论分析。设计了可视化实验段并搭建了循环回路实验台,通过分析压力信号与温度信号,得到了不同工况下的流型图与换热机理。然后通过理论计算得到了换热系数影响规律和进口压力的变化规律。最后通过多项式拟合的方法,创建了新的换热关联式。在对流型与换热机理进行研究时,采用显微镜与高速摄像机结合的方法,对空管与填充泡沫金属管中的流型进行了拍摄并绘制了不同干度下的流型图。分析了质量流速,热流密度和泡沫金属结构对流型转变的影响,20PPI下,弹状流/段塞流与环状流的干度边界介于0.04和0.05之间。在对换热特性进行研究时,通过绘制沸腾曲线,来分析壁面温度与换热机理之间的关系。同时根据换热系数曲线的变化趋势得到了质量流速、热流密度、干度与泡沫金属结构对换热系数的影响,以为微/小尺度换热器的设计与运行提供理论依据。在对换热关联式和进口压力进行研究时,将本实验数据与之前的两个有代表性的换热模型进行了对比,并以原换热模型的基本形式为基础,根据当地换热系数的变化趋势,得到了新的换热关联式。并经过实验数据检验,预测性能良好。最后通过分析空管和填充泡沫金属管在不同工况下进口压力的差异来研究流阻的影响因素及其规律。
【图文】：

示意图,实验系统,示意图,数据精确度

东北电力大学工程硕士学位论文第 2 章实验系统与数据处理引言文主要对填充泡沫金属并联小通道内的换热特性进行研究，在对实验系要将实验工质、设备、运行工况与外界条件等涉及各个方面的因素考虑能稳定运行，测到的数据精确度高。而数据处理是衔接原始数据与实验只有数据处理方法正确无误才能确保结论的正确性。下面将对以上部分实验系统 2-1 所示，，本实验系统由两部分组成(相变循环系统和数据采集系统),且剂 R141b。

实物,实验系统

图 2-2 实验系统实物图2.3 实验段如图 2-3（a）所示，实验段由五个部分组成(加热板、金属片、被加热铜板、石英玻璃盖、热绝缘装置)。加热板为玻璃材质，内部填充电阻丝。将其电极与直流电源相连，根据短路电流的热效应，电阻丝产生热量，使其成为热源。同时在加热板与被加热铜板之间、金属片与被加热铜板之间使用导热硅脂以降低热阻。而最外层的热绝缘装置则可以有效防止加热量散热到周围环境中。被加热铜板的上表面加工了五个通道，其中三个为平行通道。每个通道的长 146mm、深 2.5mm、宽 2.5mm。相邻两个平行通道之间的距离为 7.5mm。主通道的长度为 120mm，每个通道内都充满了泡沫金属。实验段的实物图如图 2-3（b）所示。泡沫金属板的结构如图 2-4 所示，其是由纯铜经电镀工艺制成。它的主要特征参数如表 2-1 所示。PPI 表示每英寸长度具有的孔数，显示平均孔径的大小。孔隙率定义为孔隙所占的体积与整个泡沫体积的比值。纤维直径和比表面积则是基于 Calmidi[48]提出的金属泡沫结构模型计算得到。为了精确测量实时流体温度，在石英玻璃板上开了 8 个圆孔放入
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124;TN405

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