英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
International Journal of Heat and Mass Transfer 50（2007）4011-4022
低流量下的低温冷却过程
Kun Yuan, Yan Ji, J.N. Chung
佛罗里达大学机械与航空航天工程系，佛罗里达州盖恩斯维尔，佛罗里达州32611-6300，美国
2006年6月22日收到; 以2007年1月26日修订的形式收到
2007年4月5日在线提供
摘要
在本文中，我们通过低质量流体的液氮流量来研究水平管的冷却过程。 流动模式和传热特性进行了实验研究。 可视化结果说明了液体与不同质量流体相互作用的连续状态。 对于一个水平管，液体壁 - 壁相互作用是底壁传热的重要因素，而上壁则通过过热蒸汽强制对流冷却。 一个现象学模型被开发出来，其中底壁上的热传递由膜态沸腾和强制对流组成，而对于上壁，强制对流是唯一的传热机制。 模型预测与实验结果之间达成了很好的一致。
2007 Elsevier Ltd.保留所有权利。
关键词：冷却; 淬火; 分散流; 电影沸腾; 传播热量; 低温
- 介绍
低温流体广泛用于工业系统，航空航天系统，冷冻系统等。在这些系统中，低温流体的正确运输，处理和储存非常重要。 冷冻或淬火过程是低温液体运输的初始阶段。 这是一个涉及非稳态两相传热和传质的复杂过程。
Burke等人对低温冷却过程进行了先驱研究。 [1] 和Bronson等人 [2]。 在他们的工作中，调查了一个15到50米长的液氮或液态氢的大管系统。 然而，他们的研究缺乏流态和传热特性的细节。 安塔尔和柯林斯 [3] 通过在地面和低重力环境下从底部注入液氮来研究垂直管的冷却。 使用两个不同的测试部分; 在使用不锈钢管的同时，使用石英管来观察流体状态
温度测量。 因此，很难将可视化流态与测量的壁温关联起来。 为了评估沸水反应堆中的冷却剂事故（LOCA）损失，Rohsenow等人进行了一系列淬火研究。 [4–7]他们处理垂直管道中的液氮倒流和分散流动。
为了避免使用致冷剂的实验难度，一些研究人员使用其他常见的用途来研究致冷过程。 例如，Chan和Banerjee [8]在不同的初始和边界条件下使用水来淬火热水平管。 Westbye等人 [9]在地面和微重力条件下使用R-113进行水平管淬火试验。
尽管以前的研究人员使用了不同的工作条件和测试部分设计，但这些测试中的质量通常高于40 kg / m2。 例如，Antar和Collins实验中的液氮质量流量 [3] 在Iloeje等人的实验中在550-1940kg / m2s的范围内，并且它们是40.7-271.3kg / m2s。 [7]，而Westbye等人使用的R-113的质量通量。 [9] 从160到850 kg / m2s。 然而，在相对较低的质量流量下，尚未有关于低温冷却过程的实验工作。
蒸汽lm厚度[m]
底壁蒸气厚度[m]
密度[kg / m3]
希腊的符号
底部墙壁
对流
沸腾
气膜中气体液相
饱和
上壁
蒸汽相
壁
b
conv fb
g l
sat
u
v w
气体中的气体的特定热容量
[J/kg K]
流道直径[m]
与液体相关的底壁表面的时间平均分数重力加速度常数[m / s2]
蒸发潜热[J / kg K]
潜热加蒸汽显热含量[J / kg K]
导热系数[W / m K]
普朗特数
热通量[W / m2]
流道半径[m]
雷诺数
温度[K]
壁面过热[K]
Cpg
D
FL
hlghlgk Pr
q
R
ReDT
DTw
命名法
目前的研究是由于需要进一步了解在低质量通量下的低温冷却过程，这可能在航天器上的热力学通风系统（TVS）中有潜在的应用。 TVS是一种系统，其中少量液体从低温推进剂容器中取出并允许汽化以从容器中的大量液体制冷剂中除去热量，并由此降低容器压力 [10]。 TVS中的群众通常非常低。 Van Dresar等人 [11,12]进行了系统的实验研究两相氮气和氢气的传热特性和流动状态。 在他们的测试中，氮气的质量流量范围从3.3到33 kg / m2s。 他们的实验是在稳定状态下进行的。 不包括高度暂时性的冷却过程。 在本文中，水平管分别通过重力驱动流和波纹管驱动流来淬火，质量流量范围从3.6到10.8kg / m2s。 流态和传热行为进行了实验研究。 为了观察完全冷却过程并获得沸腾曲线，设计重力驱动流。 波纹管驱动流实验专门用于研究在沸腾状态下的传热行为。 基于这种实验观察，开发了一种现象学模型。
-
实验计划
- 仪器
一个紧凑的实验系统被设计成一个使用马达驱动的波纹管作为流动的直流通道
发电机。图。1显示了实验系统的示意图，该系统位于两个并排的铝制隔间中。 实验系统主要由氮气罐，电动波纹管，试验段入口部分，试验段，试验出口段，真空夹套，真空泵，数据采集系统和照明视频系统组成。
遵循传统的方法来控制低温流动[11–13]，由电动不锈钢波纹管产生氮气流。 波纹管浸没在氮气罐内的液氮中。 当电动机启动时，波纹管将以恒定的速度被压缩。 在将氮气引入测试部分之前，重复几次波纹管和罐的进料以确保整个流体输送系统处于准稳定状态。 当波纹管满时，拉动拉杆压缩并排出波纹管顶部的可能的氮蒸气，然后波纹管再次进料，该过程也重复多次。 因此，我们认为出口是纯净的液体。 波纹管驱动系统既可以用作流量发生器，也可以用作流量测量装置。 测试中使用三种不同马达速度，导致质量流量从3.6至10.8 kg / m2s。
测试部分是外径15.8mm，内径11.1mm，长度254mm的透明派热克斯玻璃管。 在三个不同的横截面上沿测试部分钻9个小孔。 在每个横截面上，有三个圆周分开120°的孔。 孔的深度是2.0毫米。 对于温度测量，共有15个T型热电偶
驱动电机
移动飞机1
标准钻机
数据采集系统
储罐进料阀
固定飞机
波纹管进料阀
控制阀
热电偶和电源
光
真空
液位
风箱
移动飞机2
穿心
真空夹套
热电偶导线
ind
测试部分
氮气罐
石英瓦 流
到真空泵
CCD
相机
图1.低温冷却测试装置的示意图。
第5节 第3节 第1节
流动的方向
第4节10,12,13 第2节7,8,9
图2.测试部分和热电偶位置的草图。
用过的。 九个热电偶嵌入小孔中，另外六个热电偶用于记录外壁温度。 测试部分的草图和热电偶布置如图所示 图2.
测试部分入口，测试部分和测试部分出口放置在不锈钢真空夹套内。 使用真空泵将真空度保持在低于
在实验期间为0.1个大气压。 陶瓷密封的真空馈通天线用于连接真空侧和空气侧的热电偶导线。 真空夹套上有两个透明的石英窗口，可以观察和记录试验部分内的两相流体状态。 每个窗口的直径是7.62厘米。 面对其中一个石英窗口的CCD摄像机用于记录流动图像，而另一个寡妇则通过荧光灯提供照明。
使用插入计算机PCI插槽的16通道热电偶板记录温度测量结果。 热电偶板内置冷端补偿和可编程增益范围。 一切
在冷却实验之前，用沸腾的氮气对热电偶进行测试和校准。 通过将CCD摄像机连接到计算机并用插入计算机PCI插槽的图像采集卡板来监视和记录视频图像。 一个商业软件记录了这些图像，并在电脑屏幕上显示了实时图像。 据估计，温度测量的准确度为plusmn;0.8°C。 质量流量的不确定性取决于电机转速的准确度，驱动螺杆，波纹管和测试部分的制造精度。 质量ux的不确定性估计约为plusmn;6.9％。
-
- 实验方法
在每次测试中，测试部分在室温下在约295K下水平定向。 使用了三个不同质量值，即3.6kg / m2s，7.2kg / m2s和10.8kg / m2。 由于波纹管的容量限制，波纹管驱动的流量
实验仅在流动模式分散的1m沸腾区域进行。 其他实验是用重力驱动流来进行的，以研究整个冷却过程。 在这个重力驱动的实验中，使用放置在测试部分上方并保持在恒定液位的储液罐来产生流。 分析在冷却过程中拍摄的流动图像以估计重力驱动实验的质量流量。 质量流量在18-23 kg / m2s的范围内。
-
- 数据减少
大多数先前的淬火测试是针对垂直流进行的，其中轴对称假设通常被保持。 此外，在集中系统假设（仅当Biot数小于约0.1时有效）下，壁热通量直接由冷却数据的温度 - 时间斜率计算 [7,14]。 然而，轴对称假设对于水平管无效，这是由于水流的性质所致。 基于二维传热模型的热量比较 [15]，认为轴向热传导，忽略轴向传导获得的那些由Cheng和Ragheb给出 [16]。 铜试验段的比较表明，两个中平面沸腾曲线大致相同，并且中间部分的净轴向传导可以忽略不计。 在我们的实验中，测得的轴向温度梯度相对较小，并且玻璃的导热率也远小于铜的导热率
300
280
260
温度（K）
240
220
200
180
160
140
120
300
280
260
温度（K）
240
220
200
180
160
140
120
TC1 TC2
TC3 TC7
TC8 TC9
0 50 100 150 200 250 300 350
时间（s）
TC14 TC15 TC16
0 50 100 150 200 250 300 350
时间（s）
Cheng和Ragheb使用 [16]，因此在热量计算中忽略沿测试部分的轴向热传导。
为了从测量的温度计计算局部传热数据，在包含一对底部内部和外部热电偶的薄片的控制体积上执行仅在径向方向上具有温度变化的瞬态能量平衡。 通过假定上部和下部热电偶之间的线性温度常数来评估热量到控制体积中的圆周角传导。 测量的温度包括由于真空夹套的辐射，真空夹套内部的自然对流和周向传导引起的热传递。 使用测量的内部和外部温度数据作
全文共13824字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14871]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
