渠氏热传导技术研究分析报告(2)

2018-12-20 22:52

试验来表明这一非凡特点的特征,但初步的试验,分析、和模拟所得到的结果已在本报告给予了叙述。 质量流测热

用于试验“A”中的一根管子放置于一个特制的绝热水套中以便于对热流进行精确的质量流测热。

质量流测热的原理、系统的组成细节、以及测量方法和分析过程都在参考1—3中进行了介绍。

此质量流测热系统是SRI的科学家在过去10年里花费超过30万美元研制出来的。此系统曾显示出高度的准确性和可靠性。

此仪器与最初使用时基本一样,只是做了一些调节,使它能承受较高一些的输入功率和流量。

进行质量流测量有两个目的。其一是想确定热量在通过超导管的传输过程中能量可保持到什么程度(注:传热效率有多高)。其二是提供一个综合表面温度的方法,在某种意义上说,使平均温度不致受到传感器本身测量的干扰和由于测温传感器数量有限而使数据不足的影响。此试验的结果将在本最终报告的第二部分中给予叙述和讨论。

通过质量流测热可以观察到一些效应,在这些效应中可以看出热量与这些相互邻接的温度传感器所测得的温度有着强的对应关系。并且,试验表明,渠氏超导管有着异常高的传热效率。

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传热和空气中散热试验

一系列试验都在于证实并尽可能了解热超导管技术的发明人所观测到的不同寻常的温度分布。在包括高功率输入的一些情况下,距加热器远端的温度俨然明显地高于距热源最近处的温度。

用简单的热传导或热对流模型并不能容易地说明这种现象。同样,因为这种异常现象是在很低的温度下出现的,而其传热率又很高,所以,也不能轻易地用辐射传热机理解释。

另外一种习惯上的可能性解释是和传统热管一样,传热是靠工作液体的汽化、蒸汽输送和冷凝来完成的。虽然我们并未观察过被测试的两根管子内部究竟充填了什么,但是,在另外几根相同的超导管表现出异常温度效应后我们立即观察了管子的内部,在这些管子中,并不存在蒸汽,而且,管中所含的材料很少,不足以说明是靠分子输送进行传热。再者,发明人和制造者也说明,在SRI测试的两根管子内部并没有这样的传热流体。 初步试验

第一个试验的超导管是垂直放置的,加热管在底部,管子上端用“钢琴线”悬挂在小室的天花板上。

和其它传热试验一样,沿管长的狭小部分等距测量7个温度值,而在加热小室的外部也测量一个温度值。与此同时

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还测量了室内温度值。

初步试验时,给加热器输入的功率是1W至185W,此时测得的管表面温度高于室温130℃。

数据收集系统和室温稳定后,进行了两个试验。输入功率为141W并稳定后,沿管长测得的温度变化范围是高于室温80℃至150℃,此温度分布不能显示明确的图像,可以认为是热电偶与管壁接触不良而导致数据不能稳定重复所造成的结果。输入功率为185W时,沿管长测得的温度变化范围是高于室温105℃至130℃。温度分布情况与较低输入功率很类似。

值得注意的一个有意思的反应是:当输入功率为141W,而且没有明显的激励情况下,在24小时的加热期内,出现了两次温度升高,一次是在第4小时,温升为2℃,一次是在第18小时,温升为4℃。但此期间内,室温是稳定的,但所有测温热电偶都显示出了这两个阶段。对此奇怪现象我们没有找到任何解释。

管子放置方位接近水平后,用高达300W的输入功率进行了同样的测量。这种情况下所测得的温度高于室温150℃。在水平放置方位下,共进行了七次试验,其中包括输入功率分段选为170W和300W之间的超过10天的最后试验。所得到的有意的结果将在后面叙述。

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瞬态特性

有几个试验是用于测试此热管表面温度分布和输入功率分级增大时的瞬态反应的。在这些试验中应用了九个相同且经过校正的热电偶。

.一个热电偶用于监测环境温度(Tair)。 .一个热电偶安置于电热管管环壳上(Theat)

.七个热电偶以“12点钟”的方位沿管轴均匀分布,分别标记为T2至T8,较小的编号靠近热电源,如图2所示。

图3表示出当电源输入功率逐步由9W提高到20W再提高至178W时的试验结果。

图4给出了改变输入功率时每个温度传感器的稳态温差(传感器温度减去环境温度)及其平均值。图4中的实线是用给定系数的二次方程对平均温度的最好拟合。此曲线显示出了一个均匀温度的管子热扩散时的预计形式,或者说,与线性关系存在着一个小的负二级偏差。

意想不到的是,一个内部基本是空的管子,热源只加在一端,而整个管子长度各点的温度竟然是均匀的。

当输入的电能从20W跳一大步至178W时,管表面各点温度在同一时间座标上的变化几乎是同时发生的。

图5给出输入电能加大后两个小时内传感器T2—T8的温度和温度平均值与时间的变化关系(最初45分钟内,每分钟采集一次数据,之后,每5分钟采集一次数据)。在显示

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的数据中,热电偶位置尽管不同,但温度值没有明显差别,就像整个管子沿轴向被均匀加温一样。

图5中还给出了另外三套数据,由于它们很接近而致重叠,所以很难分辩开来。图中星号点表示一根尺寸相同、水平放置的钢管、输入功率相当于20W至100W阶段时所预计的热扩散温度。此模拟细节及其实质都已在工程上探讨热扩散模拟时给予了讨论。

图5中的菱形和圆形点表示在金属相相同的情况下沿管轴向测得的电阻比值。金属的电阻随温度的变化可用下式计算:所以

?R?R0(1??T)? R?T?(?1)??R0? (1)

式中R0为T=0℃时测得的电阻值。

Rbut表示距热源为管长之半处的电阻值,而Rtop表示管子上半部的电阻值。图6给出了这些阻值的关系曲线。从图6中表示的回归线可以清楚看出,公式(1)能很好地与测试点相符合,而用于此管的钢材的电阻温度系数为0.428±0.001%K-1。(对碳钢来说,这是一个合理的数值)。

图5和图6中的电阻值的重要性是: .在热电偶温度测量中不存在明显的误差。

.在管表面进行的温度测量和电阻比值所记录的容积温度(Volumetric temperatures)能很好地吻合。

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