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小尺度槽道换热器换热性能的实验测试系统点击：1801 日期：[ 2014-04-26 21:53:46 ] |
| 小尺度槽道换热器换热性能的实验测试系统 赵仕琦1,陈宝明2 (1.广东海洋大学,广东湛江 524088;2.山东建筑大学,济南 250101) 摘要：介绍了小尺度槽道换热器换热性能实验系统的构成、测试段的设计与加工、实验台的布置、 实验参数测量及数据采集测试方法.该实验测试系统可以对不同内部结构的小尺度换热器,在不 同的流量和加热功率下进行测试,实验测试系统采用先进的温度、压力传感器,由高精度、多通道 的Agilent数据采集系统实时采集温度及压力信号,保证了实验数据的准确性及可靠性. 关键词：小尺度;矩形槽道;换热器;实验;数据采集 中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1671-0924(2008)03-0027-05 微细尺度传热现象和过程,因其潜在的学科 发展意义和鲜明强烈的应用背景,成为当今传热 传质学研究发展的热点之一.微尺度槽道为微米和纳米量级,换热面的面体积比非常高.小尺度槽 道为毫米量级,也具有比较高的面体积比.小尺度 范围内的槽道换热器同样具有体积小、质量轻、传热效率高的特点,并且在工业应用上也比较容易, 便于开发多种抗腐蚀耐高温材料;制造比较简单, 大部分产品只需传统加工技术,可工业化批量生 产;小尺度槽道可以从200μm到几毫米,对介质的 清洁度要求不算高,可适用于不同流体.小尺度槽 道换热器对压头的要求不甚高,又能带走较高的热量,因此,在不同的工业领域有广泛的应用前景. 但目前对于微细尺度换热器的研究,暂无可靠的设计规范和最优化方法.要设计出散热效果最佳、适于批量生产的小尺度换热器来解决散热问题,还需要对其流动换热的机理及如何增强传热进行研究. 微细尺度的研究多是通过实验来进行的,微细槽道内的层流和紊流流动换热与雷诺数的关系是否与大通道内的相同,是否表现出新的特性是当前微系统领域研究的热点之一.目前国内外关 于微细槽道内的流动和换热的实验研究的报道主 要包括Tuckerman[1],Philips[2],辛明道[3-4],peng[5] 等的研究成果,尽管得到了关于Nu数和压力损失 等的大量实验数据,但是微尺度领域的换热和阻力特性仍然没有一个成熟一致的结论.已有研究显示,微细通道或结构中的流动换热研究出现了以下现象:微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小,过渡雷诺数可为300~1000;微细通道湍流的Nu数比常规情况高5~7倍;充分发展通道流的 Nu≠const,它应是雷诺数的函数. 国内一些类似的实验对于温度、压力、流量等,使用常规测试仪器及测量方法也使得实验数据误差过大[6-7].比如压力的测量多采用U型管水银压差计,温度测量普遍采用热电偶,质量流量 测量用称重法.温度、流量、压力的测量及粗糙度都将对最终结果产生很大的影响,而许多学者将这些原因引起的差异误认为是微尺度特性与宏观领域经典理论的差别.本研究使用高精度的传感器,测量信号通过Agilent高精度多通道的数据采集仪实时采集并显示,确保了实验结果的正确性和可靠性. 1 实验系统的构成 本实验主要有一个实验工质回路和冷却水回 路.实验工质回路由水箱、水泵、流量计、实验段、 加热器、板式换热器及管路系统组成.冷却水回路 由板式换热器、恒温水槽组成.实验系统如图1所示. 实验时水箱充水至80%,水箱中的水经水泵 加压后经回流阀和调节阀分流后分为2路,一路 经回流阀返回水箱;另一路经调节阀调至合适的 流量后进入实验段.由电加热器加热,再由小尺度 槽道换热器内的纯净水或其他介质将热量带走. 加热后的水进入板式换热器,与恒温水槽的冷水 进行热量交换,纯净水冷却后回到水箱,完成一个 循环.水的流量在实验段入口处测量,电加热功率 的调节是通过交流调压器调节电压来实现的,压 力传感器及铠装铂电阻的测头分别安装在实验段 的进出口,小尺度槽道换热器与加热器之间均匀 布置多对铂电阻,压力与温度传感器输出的标准 信号输入到数据采集仪及微机进行数据处理. 2 实验测试段的设计与加工 实验段由具有良好导热性能的紫铜做成,其加工图如图2所示.主体分为3部分:长方形盖板、底座及中间的槽道部分.槽道部分由数控线切割加工成不同槽高槽宽及肋宽的微矩形槽道组,也可加工成三角形、半圆形等槽道.随着实验研究的进一步深入,还可继续加工其他新颖的结构形式,如平行排列式(流道平行排列)、针肋式(流道交错排列)、放射状和旋流状等. 微槽道换热器的盖板采用紫铜,与换热器具有相同的热膨胀系数.盖板、底座与中间的槽道部分焊接后,外部进行抛光.换热器进出口焊接铜制管嘴,直径2.5mm,并加工倒叙沟,便于与软管的连接和紧固.为了稳定流量和压力,槽道两端的出入口设计了蓄液槽,起到均匀各槽道流速的作用。 3 实验台的布置与加工 实验台的搭建及安装思路按照流程图设计,最终的布置照片如图3所示. 各个设备的连接管道及管件均采用不锈钢材 质,主管道管径为DN20,螺纹连接,便于以后检 修、维护.为了防止系统工质倒流,水泵入口处设 有止回阀.水泵进出口采用软管连接,防止震动影 响实验段的换热特性.由于水箱除了要储存液体工质,容纳工质的膨胀体积外,还要起到定压的作 用,因此,水箱接在水泵吸入口前,并设在系统的 最高处.为了实现实验段具体连接和保温的需要, 本实验还加工了保温架,它是连接在系统上的一 个不锈钢箱体,实验段和加热器置于其内,并做保温.压力传感器及铠装铂电阻的测头分别安装在实验段的进出口.实验系统阀门均使用球阀.最低点设出水口,方便更换流动介质. 冷却水回路由板式换热器、恒温水槽组成,二者由软管连接,防止移动仪器造成漏水.由于恒温 水槽体积较大,因此设在实验台的一侧. 4 实验参数测量及数据采集 4.1 数据的采集 本实验的数据采集工作采用美国Agilent数据 采集仪.如图4所示,系统配置为4槽VXI机箱 E8408A,配用IEEE-1394零槽模块E8491B及VXI 数据采集卡E1413C. AgilentE1413C高速A/D转换器是64通道寄存器基模块,可用于测量电压、温度、张力、电阻等多种参数,且具有通道多和精度高等特点.E1413C 可同时采集64路模拟量,这些量按照传感器的输出分为电流、角度和电压信号,统一转换为电压信号,经过信号调理,送入E1413数据采集卡,然后由零槽模块通过IEEE-1394将数据送给PC机, 数据的实时显示、后处理及多采样率的实现都是 由PC机完成的. 本实验使用了2块预调理低通模块E1502A、64倍放大的1509A和E1505恒流源,用于对输入 给E1413的信号进行预处理及供电,同时提供对传感器开路的监测和信号超量程的保护. 本实验台数据采集系统的软件采用了HP DACEXPRESSDataAcquisition程序.DACExpress 是数据采集和控制软件,可以直接实时采集和显示温度及压力信号.减少用户的系统集成和开发时间. 4.2 流量的测量 鉴于本实验中单根微槽道槽宽最小仅0.3 mm,其内微流体流量难以直接测量.因此本实验使用流量计在实验段入口测量小尺度换热器的总流量,按微槽道根数取平均后,作为单根微槽道的流量.当使用泵时在实验段前后采取旁通支路分流,并采用泵进、出口节流的措施,使流量满足系统的要求. 4.3 温度的测量 本实验采用的电加热器,加热功率为500W.加热功率的调节通过调压器实现.加热器与调压器之间采用高温线进行连接. 在小尺度换热器的换热性能测试实验中,为了保证发热元件产生的热量完全由冷却工质带走,需要将系统向外界散热的损失降到最低,因此,实验中需要对整体进行保温.选用套管加铝铂作为保温材料.保温箱内的空隙填满羊毛毡. 本实验采用铂电阻来获得实验元件的换热系数和元件表面的温度分布.铂电阻采用四线制,其中2路由AgilentE1505恒流源给铂电阻供电,供电电流488μA,另外2路输出信号.考虑到单根微槽道中局部流体温度测量的困难与成本,实验中仅 测定流体出入口温度,二者平均温度作为流体的特性温度,在实验段的进口和出口通道的中心位置安置铠装铂电阻测量冷却工质的进出口温度.此实验中,槽道的壁面温度是最难测量的物理量之一.受小尺度换热器制造成本的制约,微槽道上的壁面温度无法直接测得.因此将5对PT100铂电阻直接粘贴在微槽道的外壁面,底壁面中心线沿工质流动方向依次布置1到5号铂电阻测温,周围均匀涂抹导热硅胶,以尽量克服金属接触面的微小缝隙,降低加热器与实验段间的热阻,有效地提高散热效率.微槽道内底壁的温度可以利用测得的底壁面的温度,再参照给定的热流密度及铜的导热系数由外推法求得[8]. 4.4 压差的测量 微槽道的阻力特性也是测试的重要方面.为 了研究实验段内部流动的阻力特性,需要分析制 冷剂流过实验段的压降,故选择压力传感器测量 进出口压力.实验段进出口的压力传感器由24V 开关电源进行供电,输出的信号输送到采集仪. 5 实验测试方法 5.1 实验前需要进行的准备 1)清洗实验段及管路系统.尤其注意清洗小尺度槽道,防止有杂质堵塞槽道. 2)检查实验设备及各个仪器仪表是否连接正常. 3)检查阀门开合状态,将实验段与系统用软管连接起来,密封整个实验装置. 4)注入实验工质,对试验装置进行气密性检查.尤其注意各个螺纹连接处、三通、实验段软管 处,以及出水口有无渗漏. 5)将整个系统裹上套管,并缠上铝铂,最大程度地减少散发到环境的能量. 5.2 实验的操作步骤 1)检查各个阀门的开合状态是否正确. 2)启动恒温水槽,先使恒温水槽和板式换热器稳定工作,待恒温水槽内的水达到设定的冷却 温度. 3)接通各仪表,启动数据采集仪,使它们有充分时间预热,并处在监控状态. 4)调试完毕后,启动水泵,并打开排气阀.使水泵工作一段时间,驱除系统管道内的不凝气体,并调节球阀的开度,使流量达到希望的水平. 5)打开加热器,调整调压器电压,使加热器达到设定的加热功率,待实验回路中保持一定的流量运行一段时间. 6)观察各仪表所显示的参数是否都处于所期望的水平,若有偏差或不符合实际情况则调节相 应的部分直至显示正常. 7)实时检测测量参数.当各仪表所显示的参数都处于期望的水平时,保持系统工况不变,运行足够长的时间,尽量使整个系统处于稳定状态. 8)当测量参数稳定时,开始读取数据并记录. 9)调节参数到下一个实验工况,重复以上步骤. 5.3 实验测试的注意事项 1)系统的取电设有短路保护.实验结束后,先关掉加热器,再关闭水泵和恒温水槽. 2)每次调节球阀开度使实验段工质流量发生变化后,必须使系统稳定一段时间,约20~30min. 3)本实验的数据都是在认为稳定的情况下读取.由于采集仪显示的数据是不断变化的,因此我们认为,工质的流量、实验段进出口的温度和压力值等读数,在一段持续时间内,只在很小的幅度波动.实验段进出口内工质及实验段底壁面温度的波动处于2~10k,且压力传感器输出的压力信号波动处于3~10V,就认为工况是稳定的[9]. 4)更换实验段进行测试时,首先将系统工质 放掉,从软管处小心取下实验段,更换完毕注意紧 固软管处的连接,并设定到与之前相同的实验工 况重新测试. 6 结束语 本实验测试系统已用于水或乙二醇溶液通过 微矩形槽道的流动与换热的研究中,已进行的测 试结果表明,水通过微矩形槽道换热得到强化,流 动阻力相对减小,这与水在微矩形槽道中传热的 数值模拟结论一致[10],也与国内外有关文献报导 相符合,说明本实验测试系统设计合理,满足要求,只要设计加工不同内部结构的实验段,就可以 在本实验台基础上进行不同的实验研究. 参考文献: [1] TuckermanDB,PeaseRFW.Optimizedconvectivecool- ingusingmicromachinedstructure[J].JElectrochemSoc, 1982,129(3):98. [2] PhillipsRJ.Forced-convection,liquid-cooled,microchan- nelheatsinks[D].Massachusetts:MassachusettsInstitute ofTechnology,1987. [3] 朱恂,辛明道.微小槽道散热器流动与换热实验研究 [J].重庆大学学报:自然科学版,2003,26(6):70-74. [4] 朱恂,辛明道.滑移流区平行平板微通道内单侧加热 流动与换热[J].重庆大学学报:自然科学版,2003,26 (11):60-63. [5] PengXF.ConvectiveHeatTransferandFlowFrictionfro WaterFlowinMicro-channelStructures[J].IntJHeatand MassTransfer,1996,39(12):2599-2608. [6] 谢永奇,余建祖.矩形微槽内FC-72的单相流动和 换热实验研究[J].北京航空航天大学学报,2004,30 (8):739-744. [7] 罗晓惠,姜明健.微尺度槽道内流动与换热研究的实 验测试系统[J].北京联合大学学报,1997,11(3):14 -18. [8] 张培杰.微矩形通道组内的流动与对流换热[D].重 庆:重庆大学,1994. [9] 辛公明.R134a水平微细圆管内流动沸腾换热的实验 研究[D].济南:山东大学,2004. [10]陈宝明,耿文广.水在微矩形槽道中传热的数值模拟 [C]//中国工程热物理学会2004年学术论文集.吉 林:吉林大学出版社,2004:901-905. (责任编辑 陈 松) |
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