嫩光与光电子学进展 52.1 l 1405(2015) Laser&Optoelectronics Progress  ̄2015(中国激光》杂志社 微圆管内相变微胶囊悬浮液换热特性研究 钟小龙 刘 东 胥海伦 西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳621010 摘要通过实验研究了相变温度为5O℃的相变微胶囊悬浮液在l mm微小圆管内的换热特性,并与相同条件下的蒸馏 水换热进行了对比。结果表明,在雷诺数 e)为300~1000范围内,不同浓度的相变微胶囊悬浮液平均换热系数和平均 努塞尔数(Ⅳ )均高于蒸馏水,且随Re的增加而增大;相同Re下,相变微胶囊悬浮液的平均壁面温度低于蒸馏水,且随 Re的增大而减小;随着相变微胶囊质量分数的增加,平均换热系数和平均Nu逐渐增大、平均壁面温度逐渐降低。 关键词测量;冷却;相变材料;微胶囊;悬浮液;圆管 中图分类号TK124 文献标识码A doi:10.3788/LOP52.1 1 1 405 Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of Microencapsulated Phase Change Material Suspension in Micro--Circular TUbe Zhong Xiaolong Liu Dong Xu Hailun School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University ofScience and Technology Mianyang,Sichuan 621010,China Abstract By contrast with distilled water under the same condition,heat transfer characteristics of microencapsulated phase change material suspesion(MEPCMs)of which the phase change temperature is 50 oC are investigated in a micro—tube of radius of 1 mm.It appears that for Reynolds number( e)ranging from 300 to 1000 both the average heat transfer coefficient and the average Nusselt number(Ⅳ )of MEPCMs with different mass concentrations are higher than that of distilled water,and increase with Reynolds number increasing.Moreover,the wall temperature of the MEPCMs suspension is lower than that of the distilled water at the salTle Reynolds number, nad it decreases as Re increases.In addition both the average heat transfer coefficient and the average Nusselt number increase as the mass concentration of MEPCMS increases.whereas the wall temperature decreases. Key words measurement;cooling;phase change material;microcapsule;suspension;circular tube oCIS codes 140.3320;140.6810;140.3380 l 引 言 激光技术广泛运用于各行各业“ ,,但由于其在电光转换过程中输入的大部分电功率转化成的热量被激 光器本身所吸收,导致激光器在工作过程中出现本身温度过高,输出波长变化,输出功率变低,使用寿命变 短等问题。针对激光器产生的热效应问题,研究者们提出了空气冷却,单侧水冷,蓝宝石薄片冷却等常规冷 却方式 。但是随着激光器尺寸的日益小型化及输出功率的不断提高,其输入的电功率转化成的热量也随 之变大,单位面积热流密度增加,散热需求增大,常规冷却方式已经无法满足其散热需求,必须采取有效的 冷却措施。现有激光器冷却技术中,微结构冷却由于流动换热通道尺寸小、表面传热系数大以及换热面积 大等特点,是一种非常有效的冷却方式 ,。 微小结构冷却作为一种高效的冷却方式被研究者 广泛认同,而在微小结构冷却换热流体中加入相变 收稿日期:2015—05—22;收到修改稿日期:2015-06-09;网络出版日期:2015—09—24 基金项目:国家基金科学基金(51306156)、西南科技大学研究生创新基金(14ycx095) 作者简介:钟小龙(1989一),男,硕士研究生,主要从事微结构内流动换热方面的研究。E—mail:906366809@qq.com 导师简介:刘东(1984一),男,博士,副教授,主要从事高热流密度器件冷却方面的研究。 E-mail:dtld123@l26.com 】】】405-1 52,111405(2015) 撒光与光电孑学进展 www.opticsjourna1.net 精度为±l g。使用万能工具显微镜和精度为0.02 mm的游标卡尺进行长度测量,根据误差分析理论,间接误 差计算公式如下: y=/( , 2, 3,…, ), (5) 皇∞留(6) 根据此公式计算各个参数误差,结果见表2。 表2实验不确定度 Table 2 Experimental uncertainties 4实验结果和讨论 4.1平均壁面温度 .Ⅲ与Re的关系,壁面流体平均温差△ 与Re的关系 图6给出了质量分数分别为5%、10%和l5%相变微胶囊悬浮液在圆管内换热时的平均壁面温度 . 随Re 的变化关系曲线,并与相同实验条件下的蒸馏水进行了对比。从图中可以得出,雷诺数Re=300~1000,质量 分数为5%、10%、15%相变微胶囊悬浮液平均壁面温度随Re增加而降低;相同Re下,蒸馏水对应管壁温度最 高,相变微胶囊悬浮液对应的管壁面温度随浓度的增加而降低。由结果可知,管壁壁面温度受Re以及相变 微胶囊悬浮液浓度有较大影响。由于相变微胶囊悬浮液以低于相变温度(50 oc)的入口温度进入实验段,流 经实验段与加热壁面对流换热,吸收热量温度逐渐升高,当达到相变温度时,微胶囊中的相变材料相变,此 时流体温度升高幅度变缓,同时由于定热流密度实验条件,管壁平均温度升高幅度较去离子水也偏低。随 着Re以及悬浮液质量浓度的增加,单位时间内流过实验段与管壁换热的相变微胶囊增多,相变吸收的潜热 司 u岳.I增大,温升速率降低更加明显。 图7给出了蒸馏水、质量分数分别为5%、10%、15%的相变微胶囊悬浮液壁面流体平均温度差与Re的关 系曲线,由图中结果可知,不同浓度的相变微胶囊悬浮液壁面流体平均温差均大于蒸馏水,且随质量分数的 增加,平均温差减小。 oo Re Re 图6平均壁面温度 与Re关系 图7壁面与流体平均温差△ 与Re关系 Fig.7 Variation of wall and fluid mean temperature difference with Reynolds number Fig.6 Variation of mean wall temperature with Reynolds number 4.2平均换热系数h 和Re的关系 利用(2)式所求得的算术平均温差,可以得到微小圆管内相变微胶囊悬浮液平均对流换热系数h 。图8 为进口温度40℃、加热功率39 w下蒸馏水、质量分数为5%、10%和15%的相变微胶囊悬浮液的平均换热系 】】】405—4 撒 与光电字学进展 www.opticsjourna1.net 数h 随R8的变化关系曲线。 .IaJsITB 等量l 0岩 _lIag茸00u 图8 hm随Re变化图 乏.10 1lI lI昔sFig.8 Variation of mean heat transfer coefficient with Reynolds number 由图(8)中可以看出,Re=300~1000,不同浓度的相变微胶囊悬浮液平均对流换热系数h 随Re的增加而 增大,相同Re下,蒸馏水对应平均对流换热系数h 最小,相变微胶囊悬浮液对应的平均对流换热系数h 随 质量分数的增加而增大。由结果可知,相变微胶囊悬浮液的平均对流换热系数受Re、质量分数影响较大。 这主要是由于相变微胶囊悬浮液以低于相变温度(50℃)的入口温度(40℃)进入实验段,在流经实验段过程 中与加热壁面对流换热,吸收热量温度逐渐升高,当达到融化温度时,微胶囊中的相变材料开始融化,吸收 融化潜热,微胶囊在相变过程中使相变微胶囊悬浮液的表观导热系数增大,提高与管壁之间的对流换热系 数。实验前调节变压器输入功率,确定加热功率为39 w,保证了相变微胶囊悬浮液在最大流量 e=1000)下 出口温度高于相变温度(50℃),保证相变微胶囊悬浮液在与加热管壁内对流换热过程中相变完全,因此当 Re以及悬浮液质量分数增加时,单位时间内流过实验段与管壁换热的相变微胶囊增多,相变吸收的潜热增 大,相变产生强化换热效果更加明显。 同时随着Re的增大,工质与管壁对流换热热人口段长度变长,实验条件下,Re=300时蒸馏水对应热人 口段长度L=91 mm,而当Re=1000时其对应热入口段长度为L=302 mm,此时整个管道均处于热入口段长 度内,流体在热入口段内,由于边界层较充分发展短薄,换热系数高,因此随着Re的增加,相变微胶囊悬浮液 与管壁之间的平均对流换热系数增大。 4.3对流换热特性 由(4)式可以得出基于平均对流换热系数h 获得的平均Ⅳu。图9给出了蒸馏水、质量分数为5%、10%、 15%相变微胶囊悬浮液在1 mm圆管内换热时平均Nu数随Re的变化关系曲线。 O0 图9平均Nu随Re变化图 Fig.9 Variation of mean Nusselt number with Reynolds number 从图9中可以得出,基于算术平均温差获得的平均Ⅳ ,对于蒸馏水其值处于3.27~4.25之间,对于质量 分数为5%相变微胶囊悬浮液其值处在3.76~4.93之间,质量分数为10%相变微胶囊悬浮液其值处在4.06- 5.55之间,对于质量分数为15%相变微胶囊悬浮液其值处在4.39~6.02之间。从中可以看出,低质量下相变 微胶囊悬浮液平均Ⅳ“数与去离子水相差不大,但随着相变微胶囊悬浮液质量浓度的增加其对平均Ⅳu影响 效果变强。图中随着Re增加,平均Nu呈现增加趋势,这是由于随着Re的增大,入口段长度不断增长,从而 52,111405(2015) 导致了平均Nu随Re的增大而增大。 撒 与光电亨学进展 www.opticsjourna1.net 5 结 论 基于大功率激光器的高热流密度的冷却特点,对质量分数分别为5%、10%和15%相变微胶囊悬浮液在 1 mm圆管微小通道内换热特性进行了实验研究,得到如下结论: 1)当加热功率一定时,不同质量分数相变微胶囊悬浮液壁面平均温度均随Re增加而降低;在相同Re 下,随着相变微胶囊悬浮液质量分数的增加壁面温度逐渐降低,且均大于蒸馏水。 2)不同质量分数相变微胶囊悬浮液平均换热系数均随Re的增加而增大,其中质量分数为15%浓度相变 微胶囊悬浮液最大,质量分数为10%次之,质量分数为5%最小且均大于蒸馏水。 3)不同质量分数相变微胶囊悬浮液平均Nu数均随Re的增加而增大;随着相变微胶囊悬浮液质量分数 的增加,相变微胶囊悬浮液平均Nu数逐渐增大。 参考文献 1 Wang Xiao,Zhang Hu ̄hong,Ding Guomin,et a1..Laser transmission welding poly propy lene plastics[J].Chinese J Lasers, 2008,35(3):466—471. 王霄,张惠中,丁国民,等.聚丙烯塑料激光透射焊接工艺[J].中国激光,2008,35(3):466—471. 2 Mei Lifang,Chen Genyu,Liu Xufei,et a1..Three—dimensional laser cutting technology in auto—body panel[J].Chinese J Lasers,2009,36(12):3308—3312. 梅丽芳,陈根余,刘旭飞,等.车身覆盖件的三维激光切割工艺【J].中国激光,2009,36(12):3308—3312. 3 Wang Meng,Liu Tiegen,Xu Baozhong,et a1..Sound controlled focus system for laser drilling 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