Экспериментальный модуль многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения Российский патент 2023 года по МПК G01K17/06 B05C9/06 B05B1/08 B05B1/16 B05B1/32 H05K7/20 

Изобретение относится к технологии охлаждения нагретых поверхностей газокапельным потоком и может быть использовано в энергетике, машиностроении, металлургии, химической и пищевой промышленности и т.д.

Известна система жидкостного охлаждения электронных устройств (патент US 10 334 755, H05K5/06, H05K7/20, 2016 г.), содержащая впускную камеру, канал подачи хладагента, ориентированный параллельно плоскости охлаждаемой поверхности чипа, и множество впускных каналов охлаждения, соединенных с каналом подвода хладагента и расположенных параллельно вертикально ориентированным выпускным охлаждающим каналам.

Известна система струйного охлаждения линии производства квадратных или плоских материалов (патент CN102121063, C21D1/667; C21D9/00, 2010 г.), которая состоит из верхних, нижних и боковых устройств холодной струйной обработки.

Недостатками аналогов является отсутствие воздушных форсунок, установленных совместно с жидкостными и как следствие отсутствие спутного потока газа.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является система, описанная в работе (Карпов П.Н., "Теплообмен при испарительном охлаждении поверхности многоструйным импульсным спреем", Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новосибирск, 2021).

Недостатком данной системы является невозможность изменять положение источника охлаждающей смеси по отношению к охлаждаемой поверхности.

Задачей изобретения является создание экспериментального модуля многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения, позволяющего проводить исследования и выявлять зависимости влияния угла подачи охлаждающей жидкости на коэффициент теплоотдачи, на сформировавшуюся пленку жидкости на поверхности, на минимизацию стекающей (неиспользуемой) жидкости при одинаковых удельных расходах.

Поставленная задача решается тем, что в экспериментальном модуле многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения, состоящем из теплообменника с цифровой системой регистрации интегральных параметров теплоотдачи, двухфазного импульсного источника охлаждающей смеси, на плоской части которого в шахматном порядке расположены жидкостные форсунки с электромагнитными клапанами, автоматизировано управляемыми для изменения расхода жидкости через форсунки, и воздушные сопла, согласно изобретению, двухфазный импульсный источник охлаждающей смеси и теплообменник соединены посредством соединительного блока с образованием экспериментального модуля, при этом соединительный блок выполнен с возможностью изменения рабочего положения экспериментального модуля в диапазоне ±90°.

Реализованная возможность управления углами подачи охлаждающей жидкости на поверхность позволяет провести исследования и выявить зависимости влияния угла подачи жидкости на коэффициент теплоотдачи, на сформировавшуюся пленку жидкости на поверхности, на минимизацию стекающей (неиспользуемой) жидкости при одинаковых удельных расходах.

На плоской части двухфазного импульсного источника в шахматном порядке расположены 16 жидкостных форсунок с электромагнитным клапаном и 25 воздушных сопел. Форсунка с электромагнитным клапаном представляет собой пластинчатую диафрагму толщиной h = 0,5 мм с четырьмя соплами диаметром d = 120 мкм.

Теплообменник, выполненный из высокотеплопроводной меди, имеет размеры рабочей поверхности 140 × 140 мм и толщину 25 мм. Основное тело теплообменника выполнено из чистой меди марки М1 и имеет девять параллельных внутренних каналов сечением (7х7) мм. В теле теплообменника имеется шесть сквозных каналов для емкостных датчиков и четыре закрытых для термопар. На тыльной стороне теплообменника установлены первичные электронные блоки емкостных датчиков. Полированная рабочая поверхность обращена к инжектору, на все внешние тыльные элементы конструкции теплообменника нанесен слой теплоизоляция толщиной 50 мм. На патрубках подачи и отвода теплоносителя установлена пара калиброванных датчиков температуры типа 100П.

Цифровая система регистрации интегральных параметров теплоотдачи (калориметр) построена по принципу регистрации в динамическом режиме количества теплоты, полученной теплообменным модулем от источника тепловой энергии.

Теплообменник и источник охлаждающей жидкости соединены в единую систему (экспериментальный модуль) с помощью блока С (фиг. 2), который позволяет изменять рабочее положение всего экспериментального модуля в диапазоне ±90° .

На фиг. 1 показана система газокапельного охлаждения (общий вид), где:

А – теплообменник;

Б – двухфазный импульсный источник охлаждающей смеси.

На фиг. 2 изображена блок-схема экспериментального модуля, где С – соединительный блок.

На фиг. 3 изображен детальный вид системы, где:

А – теплообменник и цифровой калориметр;

Б – двухфазный импульсный источник охлаждающей смеси с автоматизированной системой управления капельным потоком;

Д – приёмник отработанной жидкости;

В – информационная система;

Г – емкостные датчики;

T1, T2 – термометры входа и выхода теплоносителя;

T3 – термометр нагревателя.

На фиг. 4 показан блок двухфазного импульсного источника охлаждающей смеси, где:

А – сечение четырёх струйного сопла для жидкости;

1 – форсунка с электромагнитным клапаном;

2 – воздушные сопла;

3 – воздушная камера;

4 – водяная камера;

5 – ввод для воды;

6 – сигнальный ввод.

На фиг. 5 показана фотография теплообменника.

На фиг. 6 показан эскиз конструкции теплообменника.

На фиг.7 приведены данные о локальной теплоотдаче для двух положений системы: 0° и -90°.

На фиг. 8 (а) приведен спектральный состав пульсаций коэффициента теплоотдачи для положения "пол" в диапазоне (0- 5000) Гц.

На фиг. 8 (б) приведён спектральный состав пульсаций коэффициента теплоотдачи для положения "стена" в диапазоне (0- 5000) Гц.

Система работает следующим образом.

Через камеру (4) подается жидкость из мерной ёмкости, через камеру (3) - сжатый воздух от компрессора. Расход жидкости через форсунку (1) задается временем открытия электромагнитного клапана, частотой повторения и давлением жидкости на входе камеры.

Наличие раздельного управления подачей жидкости и газа в процессе проведения экспериментов позволяет формировать двухфазный поток с заданным в широком диапазоне соотношением масс жидкости и газа в потоке. Программа управления электромагнитными клапанами позволяет изменять расход и порядок включения в работу выбранного сопла.

Давление жидкости в водяной камере в процессе эксперимента поддерживалось постоянным. В различных опытах оно принимало значения в диапазоне Р = 5 – 25 атм.

Начало цикла. Информационной системой (В) задается длительность и частота повторения открытия клапана, воздушные сопла (2) формируют постоянный спутный поток воздуха. По сигналу информационной системы (В) начинается работа всех 16 жидкостных форсунок с заданными параметрами, на поверхности теплообменника (А) формируется пленка жидкости различной толщины, в зависимости от расхода охлаждающей жидкости. Стекающая с поверхности теплообменника (А) жидкость собирается в специальный приемник (Д). Система позволяет получать данные о величине пленки жидкости на поверхности, полученные с емкостных датчиков (Г). Регистрация интенсивности охлаждения поверхности теплообменника выполняется калориметром, измеряющим интегральный тепловой поток. Термометры Т1, Т2 предназначены для регистрации разницы температуры теплоносителя на входе и выходе теплообменника. Термометр Т3 задействован в устройстве регулирования температуры теплоносителя. Собранная информация записывается информационной системой (В). По сигналу системы (В) происходит отключение клапанов (1). Конец цикла.

Пример. Источником тепловой энергии являлся электрокотел с программным регулированием производимой мощности Р = (0.1 – 6) кВт и температуры теплоносителя Тl = 40 – 100°С. Расстояние между источником и теплообменником составляло 23 см. На фиг. 7 приведены данные о локальной теплоотдаче для двух положений системы: 0° и -90°, где наблюдался более интенсивный теплообмен. Как показано на фиг. 7, максимальный теплоотвод наблюдался при реализации режима с длительностью импульса 4 мс и частотой повторения 0,25 Гц. Выбранный режим позволял полностью обеспечить необходимое время между импульсами для полного испарения всей жидкости, осажденной на поверхности теплообменника. Важным фактом является то, что время, за которое факел полностью бомбардирует поверхность теплообменника, увеличивается в среднем в 2-3 раза от заданной длительности импульса. Из чего следует, что время импульса в данном режиме 12 мс. Получается, что вся выпущенная жидкость дойдет до цели за время, превышающее длительность самого импульса в 2-3 раза, для конкретного режима это 12 мс.

При проведении исследований о влиянии гравитационных сил на теплообмен при различных положениях экспериментального модуля был выполнен спектральный анализ зависимости коэффициента теплоотдачи от мгновенного удельного расхода газокапельного потока импульсного спрея. Спектральные данные поведения локального теплового потока позволяют выполнять количественный и качественный анализ влияния на теплообмен: ориентации системы, индуцированной турбулентности крупными каплями, амплитуды и скорости волн на поверхности образовавшейся пленки. На фиг. 8 приведены две зависимости спектра пульсаций коэффициента теплоотдачи в диапазоне (0- 5000) Гц. Спектральный состав пульсаций коэффициента теплоотдачи для положения "пол" (Фиг. 8(а)) слабо зависит от длительности импульса в отличие от режима "стена" (Фиг. 8(б)). В режиме "стена" (Фиг. 8(б)) пульсации имеют значительное различие по амплитуде в области от 1 кГц до 3 кГц, что указывает на присутствие эффекта ударной турбулизации охлаждающей пленки.

Использование данной системы позволяет проводить исследования и выявлять зависимости влияния угла подачи жидкости на коэффициент теплоотдачи, на сформировавшуюся пленку жидкости на поверхности, на минимизацию стекающей (неиспользуемой) жидкости при одинаковых удельных расходах.

Изобретение относится к технологии охлаждения нагретых поверхностей газокапельным потоком и может быть использовано в энергетике, машиностроении, металлургии, химической и пищевой промышленности и т.д. Технический результат - создание экспериментального модуля многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения, позволяющего проводить исследования и выявить зависимости влияния угла подачи охлаждающей жидкости на коэффициент теплоотдачи, на сформировавшуюся пленку жидкости на поверхности, на минимизацию стекающей (неиспользуемой) жидкости при одинаковых удельных расходах. Технический результат достигается тем, что экспериментальный модуль многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения состоит из теплообменника с цифровой системой регистрации интегральных параметров теплоотдачи, двухфазного импульсного источника охлаждающей смеси, на плоской части которого в шахматном порядке расположены жидкостные форсунки с электромагнитными клапанами, автоматизировано управляемыми для изменения расхода жидкости через форсунки, и воздушные сопла. Двухфазный импульсный источник охлаждающей смеси и теплообменник соединены посредством соединительного блока с образованием экспериментального модуля. При этом соединительный блок выполнен с возможностью изменения рабочего положения экспериментального модуля в диапазоне ±90°. 8 ил., 1 пр.

Экспериментальный модуль многоструйной импульсной системы газокапельного охлаждения, состоящий из теплообменника с цифровой системой регистрации интегральных параметров теплоотдачи, двухфазного импульсного источника охлаждающей смеси, на плоской части которого в шахматном порядке расположены жидкостные форсунки с электромагнитными клапанами, автоматизировано управляемыми для изменения расхода жидкости через форсунки, и воздушные сопла, отличающийся тем, что двухфазный импульсный источник охлаждающей смеси и теплообменник соединены посредством соединительного блока с образованием экспериментального модуля, при этом соединительный блок выполнен с возможностью изменения рабочего положения экспериментального модуля в диапазоне ±90°.