封闭循环小通道内液态碱金属热驱动换热实验研究

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1、中国工程热物理学会 学术会议论文 传热传质学 编号：0 7 3 4 7 1 封闭循环小通道内液态碱金属热驱动换 热实验研究 常国强常海萍王宏大 ( 南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京，2 1 0 0 1 6 ) 1 e l ：0 2 5 8 4 8 9 2 2 0 0 转2 6 0 8E m a i l ：c g q 2 0 0 3 n u a a e d u c n 摘要：本文选用钠钾合金工质来研究封闭循环小通道内液态碱金属的热驱动换热性能。主要研究 了热驱动现象产生的条件，冷热端壁面温度分布特性及浮力数B u 、旋转雷诺数R e 。对热驱动换 热强度的影响。研究发现，热驱动现象出现在

2、旋转莱利数屁大于等于6 8 8 1 0 6 时；当转速、冷 气雷诺数一定的条件下，随浮力数B u 增加，热驱动换热强度线性增大：当加热量、冷气雷诺数 一定的条件下，随旋转雷诺数R e 。增加，热驱动换热强度线性增大。 关键诃：旋转；封闭小通道；热驱动；钠钾合金 1 引言 利用离心力场下循环密闭通道内的热驱动运动可以有效的将热量由热端传至冷端， 而不需要附加动力装置u 1 。文献 2 5 对这种基于热驱动的新型冷却技术进行了机理 性研究，发现这种新型的冷却技术相比常规的冷却技术有着更高的冷却效果，但这些研 究所采用的热驱动介质仅局限于水和氟利昂R 1 2 。文献 6 研究表明介质的热物理性质对

3、介质的热驱动性能有着很大的影响，从图1 3 可以看出，随温度的变化，水的热物理 性质有着很大的改变，在较低加热温度条件下实验得到的规律难以推广应用。 徐若颖等哺卜通过数值研究表明，在高温、高压的条件下，相比水和氟利昂，从热 驱动换热角度上比较，液态碱金属是更为理想的热驱动介质。除此之外，由图l 3 还 可以看出在图示温度范围内，液态碱金属的热物理性质比水稳定，可以预知用它作为热 驱动介质得到的结果可以在较大的温度范围内应用。本文选用钠钾合金为热驱动介质， 研究液态碱金属在离心力场下的热驱动换热性能，为将这种新型冷却技术推向密用奠定 基础。 图l 体积膨胀率与密度乘积随温度变化图哺H 9 1 图

4、2 密度随温度变化曲线图川 2 2 7 1 2 实验装置与实验部件 实验装置如图4 所示，主要包括冷却 系统、加热系统、动力系统与测量系统等。 来自压气机的冷却气体通过浮子流量计后 进入转台的流通通道，经过集气箱稳压后 进入实验部件冷却通道，后排入大气：采 用埋入式电阻丝加热板( 如图5 所示) ，用 可控硅整流器提供稳定的直流电压，为获 得均匀热流，电加热板与实验件加热端壁 面之间放置厚度l 咖、平整度优良的紫铜 板( 如图5 所示) ，电加热板与铜板及铜板 与加热端壁面之间用导热绝缘硅胶粘接； 转台由电动机驱动，本文研究的转速范围 图3 定压热容随温度变化曲线图嘲叫钉 为6 0 Q r m

5、 i n 到1 2 0 0 r m i n ；加热端壁面和冷却端壁面均开有图7 所示的凹槽来埋设热电 偶来测量壁温，热电偶信号由滑环引电器引出，并由N I 数据采集备进行实时采集。 空 图4 旋转台和试验件安装示意图图5 实验部件示意图 图6 试验件照片 图7 热端热电偶埋设示意图 图5 和图6 为本次实验采用的试验件的示意图和图片，实验件的材料为 l C r l 8 N i 9 T i ，由厚度为2 咖的内外壳体和密封板构成了宽度为1 姗的密闭通道，密封板 与内、外壳体之间采用激光焊接。外壳体项部加工有充液口，用来向通道内灌装钠钾合 金( N a 所占的质量百分比为2 5 ) ，灌装是在高温

6、，并有氯气保护的环境下进行的，灌 装后采用氩弧焊将灌装口密封( 见图6 ) 。绝热材料采用导热系数较低、耐高温、机械强 度及硬度均较高的水泥纤维板，即保证绝热良好，又确保在高转速环境下实验件不会沿 2 2 7 2 (x-旦翟u 转盘径向移动，在加热件背面水泥纤维 板的厚度为1 5 衄，大大降低垂直加热板 背离实验件方向的热流损失，在实验件 的其它表面水泥纤维板的厚度为5 衄。 3 数据分析方法 无量纲换热舰数的定义： n a 慨+ = 0 兰一( 3 一1 ) 兄( r 讷一丁w ) g 为加热热流，d 为冷、热端通道 的间距( 见图8 ) ，丁蝴与Z w 为冷、热 端壁面的平均温度。五为金属

7、材料的导 热系数( 五= 1 4 9 4 + O 0 1 5 8 6 丁) ，故 1 亟 i 卜一一一，一 图8 理论分析模型 B ( 3 一1 ) 表征了在相同的冷、热端温度的条件下密闭小通道( A ) 热驱动换热量与金属实心 体( B ) 导热量之比，反映了相对金属导热的热驱动换热强度。 借鉴文献 1 0 的研究结论，分析浮力数B 材、旋转雷诺数R e 国对旋转条件下热驱 动换热强度的影响。各参数定义如下： B t l = | B 一K 蛆R e 。：生 ( 3 2 ) V 一x ( 3 2 ) 式中d 韵取值同( 3 1 ) 式。 旋转莱利数R 日。数的定义： 一 砌。：丝垒婴 ( 3

8、3 ) ” y 口 旋转莱利数表征了离心力产生的浮升力与流体粘性阻力之比。 4 实验结果与分析 4 1 温度分布。 ( a ) 热端壁面温度 ( b ) 冷端壁面温度 图9 静止条件下冷、热端壁面温度分布图 2 2 7 3 图9 为静止条件下冷、热壁面温度随热流变化曲线，结合图8 实验模型对其进行传 热分析，( 幻图的温度分布趋势表明在热端热量主要是通过上下两个端壁及端壁内的钠钾 合金工质传递给冷端，故愈远离端壁，流体的温度越高，最高点出现在中间位置附近， 热传递方式以导热为主；( b ) 图的温度分布趋势则表明在冷端热量除不断地被冷气强迫对 流带走外，两端还向中间传递热量，并且主要也以导热方

9、式为主；因冷气进口效应地影 响，冷气通道进口端地强迫对流换热强度要高于冷气通道的其它位置，故下冷端壁面Y 方向最低点温度要低于最高点，如图9 中所示，这一原因也导致了热端温度分布的不 对称，热端Y 方向最低点的温度要低于最高点，如图9 中( a ) 所示。 ( a ) 热端壁面温度( b ) 冷端壁面温度 图l O 旋转条件下冷、热端壁面温度分布图 图1 0 中可以看出，在转速6 0 0 r m i n ，热端面加热量低于4 3 0 0 0 W m m 条件下，热端 壁面及冷端壁面的温度分布与图9 类似，这表明冷热端的热传递方式仍然以导热为主， 通道内的钠钾合金工质未产生热驱动现象。在同样转速

10、条件下，当加热热流增大到 5 1 2 0 0 w m m 时，对比热流为4 3 0 0 0 W m l l I l 的工况，热端和冷端壁面的温度分布有了较 大变化，首先当加热量增大8 2 0 0 W 细【r I l 时，热端温度升高幅度很小( 如图( a ) 所示) ，且 热端面的温度最高点前移到第二点，Y 方向第一点的温度高于最后一点，其次相比热流 为4 3 0 0 0 W m m 的工况，冷端壁面温度有较大的升高，冷、热端的温差减小，冷端温度 沿程下降。通过对图1 0 现象的分析，本文判定在转速6 0 0 r m i l l ，加热量大于等于 5 1 2 0 0 W m m 时，这时旋转莱

11、利数R 口。大于等于6 8 8 1 0 6 ，离心力产生的浮升力恰能克服 通道阻力，出现热驱动现象，流体在热端沿Y 轴的负向流动，在冷端沿Y 轴正向流动， 如此循环往复，不断地把热量由热端输送至冷端，但因钠钾合金的导热系数较高( 约为 水的4 0 倍) ，热端向冷端的导热现象也不能忽略，这造成加热端壁Y 轴第点并未因热 驱动现象的出现而变为热端壁面温度最高点。 图1 1 为相同加热量、不同转速情况下，冷、热壁面温度分布曲线图。由图可知， 随转速增加，热端壁面温度下降，当转速由6 0 0 玎钮i n 增大到8 4 0r 锄i n 时，各点平均下 降了约2 K 左右；在冷端温度趋势则与此相反，随转

12、速增加，冷端温度上升，在图示的 转速范围内，各点温度最低上升了6 K ，且随转速增加，沿程温度分布更加平缓。分析 2 2 7 4 原因可知：随转速增加，封闭通道内钠钾合金所受到的离心力产生的浮升力增大，热驱 动流动加快，热量被更快地输运到冷端，热端换热增强，造成热端壁面温度不断降低， 同时热量向冷端输运速度加快，又造成冷端温度升高( 在实际的工程应用中正是利用热 驱动换热的这一特点来提高冷却气体的冷却潜力) ：由于在转速较低时热驱动流动比较 微弱，在冷端前半段冷气带走热量较多，后半段温度下降较为剧烈，而转速较高时热驱 动流动相对剧烈，冷端沿程温度分布比较平缓；又因热端壁面与钠钾合金间的热驱动对

13、 流换热强度大于冷端壁面与冷却空气间的对流换热系数，整个通道的热量输运速度取决 于冷端壁面与冷却空气间的对流换热强度，故使得热端温度变化的绝对值小于冷端。 ( a ) 热端壁面温度 ( b ) 冷端壁面温度 图1 1 冷、热壁面温度随转速变化曲线 4 2 热驱动换热强度变化 ( a ) ( b ) 图1 2 浮力数对热驱动换热的影响 由图1 2 热驱动换热强度随浮力数B u 的变化曲线可以看出，当冷气进口雷诺数和旋 2 2 7 5 转速度不变时，随浮力数增大，封闭通 道内热驱动换热效果线形增强，由此可 见浮力数对热驱动换热强度的影响是相 当明显的。对比图1 2 中的( a ) 图和( b )

14、图， 可知在高转速情况下，浮力数对热驱动 换热强度的影响更加剧烈。 图1 3 表征了旋转雷诺数对热驱动换 热强度的影响，由图可知在冷气进口雷 诺数及加热量一定的条件下，随旋转雷 诺数的增加，热驱动换热强度线形增大， 在图示的旋转雷诺数范围内，热驱动换 热强度提高了近7 0 。 5 结论 图1 3N u 随旋转雷诺数变化曲线图 ( 1 ) - l 在本文研究条件下，热驱动现象 出现在旋转莱利数见乙大于等于6 8 8 1 0 6 时。 ( 2 ) 在砌。临界值之上，相同加热量、相同冷气进口雷诺数的条件下，热端壁面温度 随转速增加而降低，冷端壁面温度则相对升高，且升高的幅度大于热端降低的幅 度。 (

15、 3 ) 在转速、冷气进口雷诺数一定的条件下，热驱动换热强度随B u 数增加而线性增 大且在高转速的条件下，增大得更为剧烈；在冷气进口雷诺数、加热量一定的条 件下，随R e 。，的增加，热驱动换热强度也呈线性增大。 参考文献 1 常海萍，过增元一种燃气涡轮冷却技术网发明专利，专利号：Z L0 1 1 0 8 2 2 2 4 ，2 0 0 3 2 毛军逵，常海萍一种新型冷却循环通道内水的热驱动数值分析【J 】南京航空航天大学学报，2 0 0 2 ， 3 4 ( 6 ) ：5 2 扣5 2 6 3 毛军逵，常海萍重力场下细微循环通道内流体热驱动现象研究明航空动力学报，2 0 0 3 ， 1 8 (

16、 2 ) ：2 3 9 屯4 3 、+ 4 毛军逵，常海萍，方立离心力场下细微循环通道内R 1 2 的热驱动换热研究忉航空动力学报，2 0 0 3 ， 1 8 ( 4 ) ：4 9 8 5 0 1 5 毛军逵，常海萍，方立离心力场流体热驱动液晶显现试验研究叨工程热物理学报，2 0 0 4 ， 2 5 ( 2 ) ：2 2 9 2 31 6 徐若颖超冷叶片热驱动介质的选取研究南京航空航天大学硕士学位论文，2 0 0 5 年3 月 7 毛军逵，徐若颖，常海萍旋转密闭循环小通道内液态金属热驱动换热特性研究叨航空动力学报， 2 0 0 6 ，2l ( 4 ) ：6 4 7 6 5 2 8 N B 噬鹳最i k T a b l e so nt h et h e r m o p h y s i c a lp r