毛细管内液氮沸腾传热实验研究及微通道内CHF机理探讨

摘要

本文在液氮温区和室温之间对不锈钢丝和磷青铜丝的电阻－温度特性进行标定，选取直径50μm的磷青铜丝，制作毛细管试样，用于模拟毛细管内液氮冷却超导细丝的真实工况。搭建实验台，测量了大空间以及长20mm，直径0.24mm ～3.8mm的六种管径的毛细管在0°、30°、60°和90°四个倾角下完整的稳态沸腾传热曲线。着重分析了毛细管直径、倾角和加热丝放置位置对于核态沸腾传热和CHF的影响，结果表明：直径在1.2mm及其以上的毛细管在非0°倾角下对于核态沸腾传热有强化作用，且管径越小，强化作用越明显，在这些工况下加热丝的放置位置也显著影响传热，加热丝相对于中心线上移可进一步增强换热效果，而倾角对于核态沸腾的影响不大；CHF受到管径和倾角的综合影响，而受加热丝放置位置影响不大。对微通道内CHF的物理机理进行了探讨。采用均相模型计算窄缝内热虹吸两相流的流量－压降关系，假定窄缝出口气体堵塞是导致CHF的直接原因，建立CHF模型，计算结果与已有的矩形窄缝内CHF数据吻合。分析本文实验中的CHF数据和观察结果，指出直径1.2mm及其以上的毛细管内导致CHF发生的直接原因是管内气液相界面失稳，并采用经典流体不稳定性理论对合并气泡的气液相界面稳定性进行了分析。最后对影响毛细管内CHF的因素进行了定性分析。