弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，涉及制冷技术领域；该方法包括以下的步骤：S10、对于具有体积V和外表面S的物体，根据任意位置x处的能量收支平衡，可得到微分形式的传热控制方程；S20、对弹卡固态冷媒和传热流体，应用集总参数法，得到体积平均温度随时间变化的表达式；S30、通过假定条件，使加载/卸载过程中滞后热和释放率均为正值；计算外表面S的总热量表达式；S40、在加载/卸载过程中，测定弹卡固态冷媒的体积平均温度随时间的变化历史，用以反推弹卡固态冷媒和传热流体间的平均等效对流换热系数h；本发明专利技术的有益效果是：显著提升对流换热系数表征的可靠性。的可靠性。的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法


[0001]本专利技术涉及制冷
，更具体的说，本专利技术涉及一种弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法。

技术介绍

[0002]随着全球气候变化加剧，减少温室气体排放愈加受到人们关注。新型弹卡制冷技术使用以镍钛基形状记忆合金为主的弹卡固态冷媒，运行过程中无任何温室气体排放，在生活制冷和工业散热中都显示出巨大的应用前景。
[0003]弹卡制冷机研发中的关键难题之一是对弹卡固态冷媒与传热流体之间对流换热系数的准确表征。这是因为：(1)在弹卡制冷机运行过程中，弹卡固态冷媒长度和厚度方向存在温度梯度且随时间变化，经典的针对管内和槽道内流动的换热关联式不再适用；(2)具有先进截面设计的弹卡固态冷媒内部流道尺寸微小，导致流道内部传热流体温度测量困难，测准难度大；(3)流道内部传热流体温度沿流动方向为非线性分布，采用进出口传热流体温度平均值代表传热流体平均温度会引入较大的系统误差。国内外学者一直在寻求能够准确表征弹卡固态冷媒与传热流体之间对流换热系数的方法。
[0004]目前较多使用的弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的表征装置和方法，应用范围较窄，无法充分满足结构和工况多样化的弹卡制冷装置中对流换热系数表征的需求，关于弹卡制冷机运行过程中弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的在线表征，还没有形成系统的方案。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，其改进之处在于，该方法包括以下的步骤：
[0007]S10、对于具有体积V和外表面S的物体，根据任意位置x处的能量收支平衡，可得到微分形式的传热控制方程；
[0008]S20、对弹卡固态冷媒和传热流体，应用集总参数法，得到体积平均温度随时间变化的表达式；
[0009]S30、通过假定条件，使加载/卸载过程中滞后热和释放率均为正值；计算外表面S的总热量表达式；
[0010]S40、在加载/卸载过程中，测定弹卡固态冷媒的体积平均温度随时间的变化历史，用以反推弹卡固态冷媒和传热流体间的平均等效对流换热系数
[0011]进一步的，步骤S10中，弹卡固态冷媒和传热流体的微分形式的控制方程分别为：
[0012][0013][0014]其中，λ为单位体积内的热容，λ＝ρc，ρ和c分别代表密度和比热，k为热导率，g(x,t)为热源项，为偏导数符号，为梯度算子符号，下标s和f分别代表弹卡固态冷媒和传热流体。
[0015]进一步的，所述步骤S20中，在体积V内的体积平均温度定义了一个时间函数，代表两者在空间上平均的温度，将公式(1)和公式(2)转化为：
[0016][0017][0018]其中，
[0019][0020][0021]一个有效长度L、厚度为t1的与厚度为t2、流速为u0的弹卡固态冷媒材料，进行位移控制、频率为f的布雷顿循环变形加载，形状记忆合金进行加载/卸载，之后在最高/最低应变保持时间t0＝1/2t
p
，周期t
p
＝1/f。
[0022]进一步的，所述步骤S30中，所述假定条件包括：
[0023]条件一、相变导致的热量释放/吸收和滞后热的释放是弹卡固态冷媒材料的两个内热源，其强度分别与施加在弹卡固态冷媒材料上的应变率和应变率的二次方成正比；
[0024]步骤S30包括以下的步骤：
[0025]S301、公式(5)和公式(6)中体积平均的热源g(t)＝1/V∫
V
g(x,t)dv包括潜热和滞后热，其中潜热的单位体积的总和为l0，滞后热单位体积的总量为D；潜热来源于冷媒的相变，因此潜热的释放率假定为与相变速率或应变率成正比，在加载过程中为正值，在卸载过程中为负值；
[0026]S302、根据假定条件一，可将潜热的释放写为(l0ω/2)sin(ωt)，这样潜热释放率在加载和卸载过程中对时间的积分就分别为l0和
‑
l0；与相变同时，冷媒内部由内摩擦释放滞后热，其大小随着应变率的增大而增大，且在加载和卸载过程中均为正值；将滞后热释放率假定为正比于应变率的二次方，即(Dω/π)sin2(ωt)；
[0027]S303、需要保证在一个加载卸载循环中滞后热的总释放量为D，即
[0028][0029]设定加载、散热、卸载、吸热的时间各占周期t
p
的四分之一，下面表达式代表0<t<t
p
/4的过程：
[0030][0031]S304、应用散度定理，将公式(3)和公式(4)的体积分转换为面积分：
[0032][0033]面积分包含了通过弹卡固态冷媒和传热流体接触面的热对流，热流量为其中h为冷媒内表面和流体之间的对流换热系数，依赖于冷媒内表面和流体之间的温差、流体流速和流体固有属性，以及通过弹卡固态冷媒末端两个截面的热传导，热流量为Qcond(＝
‑
2kA
end
|dT/dx|＝
‑
2α
s
k
s
dt1(T
s
‑
T0)/L)，其中k为冷媒的热导率，α是一个常数。
[0034]进一步的，步骤S30还包括步骤：
[0035]S305、通过外表面S的总热流量可表达为：
[0036][0037][0038]公式(9)和公式(10)中，为集总的冷媒内表面与流体间的有效对流换热系数，且假定即已包含了冷媒末端两截面导热的贡献，因此，随着L0增加逐渐减小，当时有
[0039]S306、依据公式(9)和公式(10)，加载/卸载后放热和吸热过程中公式(1)和公式(2)表达为：
[0040][0041][0042]在每个加载频率下和D都依赖于温度和温度随时间的变化历史，公式(11)和公式(12)是一个非线性常微分方程组；
[0043]S307、将和D取为每个加载过程的稳态值；在加载速度足够快时，根据初始条件T
s
(t＝0)＝T
s,0
和T
f
(t＝0)＝T
f,0
，有：
[0044]T
s
(t)＝T
m
+(T
s,0
‑
T
m
)exp(
‑
t/τ0)
ꢀꢀꢀ
(13)；
[0045]T
f
(t)＝T
m
+(T
f,0
‑
T
m
)exp(
‑
t/τ0)
ꢀꢀꢀ
(14)；
[0046][0047][0048]T
s
(t)＝T<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：S10、对于具有体积V和外表面S的物体，根据任意位置x处的能量收支平衡，可得到微分形式的传热控制方程；S20、对弹卡固态冷媒和传热流体，应用集总参数法，得到体积平均温度随时间变化的表达式；S30、通过假定条件，使加载/卸载过程中滞后热和释放率均为正值；计算外表面S的总热量表达式；S40、在加载/卸载过程中，测定弹卡固态冷媒的体积平均温度随时间的变化历史，用以反推弹卡固态冷媒和传热流体间的平均等效对流换热系数2.根据权利要求1所述的弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，其特征在于，步骤S10中，弹卡固态冷媒和传热流体的微分形式的控制方程分别为：征在于，步骤S10中，弹卡固态冷媒和传热流体的微分形式的控制方程分别为：其中，λ为单位体积内的热容，λ＝ρc，ρ和c分别代表密度和比热，k为热导率，g(x,t)为热源项，为偏导数符号，为梯度算子符号，下标s和f分别代表弹卡固态冷媒和传热流体。3.根据权利要求2所述的弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S20中，在体积V内的体积平均温度定义了一个时间函数，代表两者在空间上平均的温度，将公式(1)和公式(2)转化为：上平均的温度，将公式(1)和公式(2)转化为：其中，其中，一个有效长度L、厚度为t1的与厚度为t2、流速为u0的弹卡固态冷媒材料，进行位移控制、频率为f的布雷顿循环变形加载，形状记忆合金进行加载/卸载，之后在最高/最低应变保持时间t0＝1/2t
p
，周期t
p
＝1/f。
4.根据权利要求3所述的弹卡固态冷媒与传热流体间对流换热系数的测量方法，其特征在于，所述步骤S30中，所述假定条件包括：条件一、相变导致的热量释放/吸收和滞后热的释放是弹卡固态冷媒材料的两个内热源，其强度分别与施加在弹卡固态冷媒材料上的应变率和应变率的二次方成正比；步骤S30包括以下的步骤：S301、公式(5)和公式(6)中体积平均的热源g(t)＝1/V∫
V
g(x,t)dv包括潜热和滞后热，其中潜热的单位体积的总和为l0，滞后热单位体积的总量为D；潜热来源于冷媒的相变，因此潜热的释放率假定为与相变速率或应变率成正比，在加载过程中为正值，在卸载过程中为负值；S302、根据假定条件一，可将潜热的释放写为(l0ω/2)sin(ωt)，这样潜热释放率在加载和卸载过程中对时间的积分就分别为l0和
‑
l0；与相变同时，冷媒内部由内摩擦释放滞后热，其大小随着应变率的增大而增大，且在加载和卸载过程中均为正值；将滞后热释放率假定为正比于应变率的二次方，即(Dω/π)sin2(ωt)；S303、需要保证在一个加载卸载循环中滞后热的总释放量为D，即设定加载、散热、卸载、吸热的时间各占周期t
p
的四分之一，下面表达式代表0&lt;t&lt;t
p
/4的过程：S304、应用散度定理，将公式(3)和公式(4)的体积分转换为面积分：面积分包含了通过弹卡固态冷媒和传热流体接触面的热对流，热流量为其中h为冷媒内表面和流体之间的对流换热系数，依赖于冷媒内表面和流体之间的温...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛立远，程思远，
申请(专利权)人：深港产学研基地北京大学香港科技大学深圳研修院，
类型：发明
国别省市：