EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究

戴勇，羅小平，方振鑫

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州，510640）

EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究

戴勇，羅小平，方振鑫

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州，510640）

在橫截面為2 mm×2 mm的微細(xì)槽道內(nèi)，以去離子水為工質(zhì)，對EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道飽和沸騰換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出不同的外加高壓電場作用下, 飽和沸騰段的熱流密度與平均壁面過熱度的關(guān)系曲線，分析外加電壓對飽和沸騰傳熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，外加高壓電場能在一定程度上強(qiáng)化微細(xì)槽道飽和沸騰傳熱，為探索EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道飽和沸騰傳熱機(jī)理提供了一定的依據(jù)。

微細(xì)槽道；兩相流；沸騰傳熱；強(qiáng)化傳熱；EHD

強(qiáng)化傳熱技術(shù)是工程熱物理學(xué)科和能源利用工程中一個重要研究領(lǐng)域。目前，強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展很快，EHD（Electro-hydrodynamics）強(qiáng)化傳熱是在流體中施加電場，以利用電場、流場和溫度場之間的相互耦合作用而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的一種主動強(qiáng)化傳熱方法[1]。在流體中施加外電場對傳熱具有強(qiáng)化作用，施加電場進(jìn)行強(qiáng)化傳熱相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱有許多優(yōu)點(diǎn)，如：傳熱強(qiáng)化效果好，設(shè)備簡單，易于控制熱流和溫度，功耗低，應(yīng)用廣，適用于航天器等特殊場合等[2?5]。因此，對EHD強(qiáng)化傳熱的研究逐漸受到重視。微細(xì)槽道通道內(nèi)的流動沸騰換熱特性非常復(fù)雜[6?10]，表現(xiàn)出與常規(guī)大尺度通道內(nèi)流動沸騰換熱不同的換熱規(guī)律。在引入電場后，由于電場作用與傳熱過程、介質(zhì)流動過程及氣泡產(chǎn)生過程相互影響，使得對EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道沸騰傳熱機(jī)理的分析更加困難[11?14]。目前，國內(nèi)外對這方面的研究甚少，相關(guān)的文獻(xiàn)也很少。為此，本文作者對EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道沸騰換熱進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，它由恒溫水箱、熱水泵、過濾網(wǎng)、流量計、測試段、閘閥、測量儀器和其他一些附屬設(shè)備構(gòu)成。水箱中的去離子水在熱水泵的驅(qū)動下分為2路：一路進(jìn)入旁通回路，另一路流過過濾網(wǎng)，以便除去雜質(zhì)。然后，流經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計，接著進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段的矩形微槽中（微槽底部通過導(dǎo)熱硅脂把加熱片黏在一起）加熱，最后經(jīng)過除泡器流回水箱。

本實(shí)驗(yàn)段去離子水的流量為10 L/h，外加電場電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～20 kV。實(shí)驗(yàn)在常壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖2所示。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計的矩形流道共9條，每條長×寬×高為250 mm×2 mm×2 mm。矩形流道采用流道基板和底座一體的結(jié)構(gòu)，底座的長×寬×高為350 mm×80 mm×35 mm。微流道基板和底座均為鋁材，它們之間通過導(dǎo)熱硅脂均勻黏接，以保證良好的導(dǎo)熱性能。槽道蓋板為隔熱性能較好的有機(jī)玻璃蓋板。實(shí)驗(yàn)段的9條矩形微槽中放入9根長250 mm、寬2 mm、高4 mm的PVC條，并與槽道底部緊密黏結(jié)，防止沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)中槽道底部漏液。PVC條絕緣且絕熱，在PVC條上鋪上合適的墊片然后放上長250 mm、寬30 mm、高5 mm的鋁板，用于連接電極的正極，負(fù)極則連接于鋁質(zhì)底座，中間通過PVC條絕緣，以保證EHD強(qiáng)化微細(xì)槽道沸騰換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。加熱片通過導(dǎo)熱硅脂貼在底座底部來施加均勻熱通量，實(shí)驗(yàn)段底座兩側(cè)和進(jìn)出口敷設(shè)絕熱材料以減少熱量散失，調(diào)壓器連接加熱片以改變熱流密度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental equipments

圖2 實(shí)驗(yàn)段簡圖Fig.2 Diagram of test section

打開水泵，啟動數(shù)據(jù)采集程序，調(diào)整工作完畢后，開始連續(xù)采集水溫、壁溫。實(shí)驗(yàn)段經(jīng)過流體加熱，溫度開始上升，直到進(jìn)出口溫度與微槽壁面溫度一致，這時將調(diào)壓器調(diào)到一定的電壓，在開始加熱實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)。首先做無外加電壓作用下的飽和沸騰實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉靜電發(fā)生裝置，調(diào)節(jié)玻璃磚子流量計到指定刻度，保持不變，由小到大改變調(diào)壓器電壓來調(diào)節(jié)熱流密度。在每一個加熱流密度下，觀察采集程序中的壁溫和水溫。當(dāng)加熱片傳給實(shí)驗(yàn)段的熱量等于流體在微槽道中受迫流動帶走的熱量時，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，壁溫和水溫都保持穩(wěn)定，此時記錄足夠的有效數(shù)據(jù)。然后開啟靜電發(fā)生裝置，依次調(diào)節(jié)電壓為4，8，12，16和20 kV，每調(diào)節(jié)1次外加電壓都重復(fù)無電場實(shí)驗(yàn)的操作步驟。

1.2 測量與數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)中需測量的參數(shù)有實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口溫度、底座壁面溫度、電加熱功率和工質(zhì)流量。蓋板兩邊開有直徑為8 mm的小孔，用于安裝Pt1000熱電阻來測量進(jìn)出口溫度；沿流動方向開有上、下對應(yīng)的6～8對直徑為6 mm的小孔，孔深為30 mm，用于安裝Pt100熱電阻測量底座的壁面溫度，測量范圍均為0～150 ℃，精度為0.1%；流量的測量選用LZB?15玻璃轉(zhuǎn)子流量計，可測微小流量，介質(zhì)溫度為0～120 ℃，公稱壓力為0.4～0.9 MPa，量程為0～100 L/h，測量誤差在1%以內(nèi)；接觸調(diào)壓器用來調(diào)節(jié)鋁座底部加熱片的電壓，從而改變微槽道底部熱流密度，型號為TDGC2?3KVA，額定輸入電壓為220 V，輸出電壓為0～250 V，最小刻度為5 V。實(shí)驗(yàn)中的溫度通過采集系統(tǒng)進(jìn)行采集輸入到PC機(jī)，并采用專門編成的軟件對穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計算和顯示等操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)時監(jiān)測。采集卡是研華科技出品的16位ISA總線數(shù)據(jù)采集卡，型號為PCL?818L。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過熱度與熱流密度關(guān)系

矩形槽道單元如圖3所示，其中，tf為水的飽和沸騰溫度；tw為槽道地面溫度。槽道上方通過有機(jī)玻璃蓋板密封，實(shí)驗(yàn)中忽略通過有機(jī)玻璃傳遞的少許熱量，故可假設(shè)槽道蓋板絕熱。則熱流密度q可以由式（1）得到：

式中：λ為鋁的導(dǎo)熱系數(shù)[15]，約為228 W/（m·K）；微槽道底部的溫度tw,up和tw,dn通過熱電阻測量；δ為微槽道底部2個測溫點(diǎn)的距離。

圖3 矩形微槽道單元截面簡圖Fig.3 Two-dimensional micro-channel heat sink unit cell

在實(shí)驗(yàn)中，去離子水進(jìn)入微細(xì)槽道后，被不斷加熱，槽道壁溫以及槽內(nèi)水溫不斷升高。經(jīng)過一系列的變化，在某一點(diǎn)處主流液體整體達(dá)到飽和沸騰狀態(tài)，此點(diǎn)稱為S點(diǎn)，S點(diǎn)由下式確定：

式中：M為質(zhì)量流量，kg/s；wch為槽道寬度；n為槽道數(shù)，n=8；Cp為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ts和tin分別為去離子水飽和沸騰溫度和入口溫度，℃；Zs為S點(diǎn)距離槽道入口處的距離。本實(shí)驗(yàn)中取M= 2.66×10?3kg/s；Cp=4.22 kJ/（kg·℃）；ts=100 ℃；Wch=2 mm。

由于本實(shí)驗(yàn)段鋁座底部加熱片的加熱功率很大，流體進(jìn)口溫度的改變對式（1）計算熱流密度的影響可以忽略。實(shí)驗(yàn)中通過改變加熱功率得出9種不同的熱流密度，對于每種熱流密度可視其為常數(shù)，所以，由式（2）可知：在實(shí)驗(yàn)過程中能夠?qū)Σ煌臒崃髅芏炔捎酶淖內(nèi)ルx子水入口溫度tin的方法,以使Zs保持在150 mm附近。9組不同的q與tin如表1所示。

圖4所示為不同外加電場電壓下作用下，飽和沸騰段的熱流密度q與平均壁面過熱度?ts（飽和沸騰段內(nèi)5個測溫點(diǎn)處壁面過熱度的平均值）的實(shí)驗(yàn)關(guān)系曲線。由圖4可知：當(dāng)外加電場電壓一定時，隨著q的增加，?ts逐漸增大；當(dāng)q一定時，隨著電場電壓的增加，?ts逐漸減小，說明傳熱系數(shù)增大，沸騰傳熱得到了強(qiáng)化；當(dāng)?ts一定時，隨著外加電場電壓的升高，熱流密度也逐漸增大，說明傳遞的熱量不斷增加。本實(shí)驗(yàn)中熱流密度為147.9 kW/m2，無外加電場電壓時，?ts約為4.5 ℃；當(dāng)外加電場電壓分別為4，8，12，16和20 kV時，?ts依次約為3.8，3.2，2.8，2.5和2.2 ℃。

圖4 熱流密度與壁面過熱度的關(guān)系Fig.4 Relationship between heat flux and averaged wall superheat temperature

表1 9種不同的熱流密度q及相應(yīng)的tinTable 1 9 kinds of different heat flux and their corresponding tin

2.2 EHD對沸騰傳熱系數(shù)的影響

飽和沸騰傳熱段的傳熱系數(shù)h理論計算公式為：h=q/?ts。熱流密度q與沸騰傳熱系數(shù)h的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知：隨著熱流密度q的增加，傳熱系數(shù)逐漸增加；在相同的熱流密度下，外加電場電壓增加，傳熱系數(shù)增大，說明外加電場電壓越高，強(qiáng)化傳熱的效果越好。

在本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)熱流密度為147.9 W/m2，無外加電場作用時傳熱系數(shù)h為32.9 kW/（m2·K），而當(dāng)外加電場電壓分別為4，8，12，16和20 kV時，相應(yīng)的沸騰傳熱系數(shù)都有所增大，依次分別為38.9，46.2，52.8，59.2和67.2 kW/（m2·K）。經(jīng)比較可知：當(dāng)外加電場電壓為20 kV時，沸騰傳熱系數(shù)約為無外加電場時的2倍。這表明微細(xì)槽道換熱器可以通過施加電場的途徑來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的效果，有廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 熱流密度q與沸騰傳熱系數(shù)h的關(guān)系Fig.5 Relationship between heat flux and heat transfer coefficient

2.3 強(qiáng)化系數(shù)與電場電壓的關(guān)系

為了比較在相同熱流密度下，有外加電場作用與無外加電場作用下的換熱系數(shù)，定義強(qiáng)化系數(shù)α如下：

式中：hEHD為施加電場作用下的沸騰傳熱系數(shù)；h0為無外加電場時的沸騰傳熱系數(shù)。

強(qiáng)化系數(shù)α與電場電壓U的實(shí)驗(yàn)關(guān)系如圖6所示。由圖6可知：在相同的熱流密度q下，隨著電場電壓的升高，α依次增大；在相同的電場電壓下，q越大，α越大，且隨著電壓的增加，當(dāng)q為147.9 kW/m2，電場電壓為20 kV時，α為約為2。

圖6 強(qiáng)化系數(shù)α與電場電壓U的實(shí)驗(yàn)關(guān)系Fig.6 Relationship between voltage and enhancement coefficient

2.4 沸騰傳熱系數(shù)誤差分析

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡采集并通過編程由計算機(jī)自動保存，所以，本文僅根據(jù)儀表情況按誤差傳遞理論來估算實(shí)驗(yàn)結(jié)果在極端條件下的最大可能誤差。由h=q/?ts得h的相對誤差為：

Pt100熱電阻的精確度為0.1%，由于跟其連接的連接線以及保護(hù)裝置等都會影響測量精度，因而導(dǎo)致其最大誤差可能到達(dá)2%。加上數(shù)據(jù)采集以及電腦保存數(shù)據(jù)等過程的影響，最終可能使4%。

因此，由式（4）可得h的最大可能誤差約為：6.4%。

3 結(jié)論

（1） 外加電場作用能在一定程度上強(qiáng)化了微細(xì)槽道飽和沸騰傳熱。

（2） 在飽和沸騰區(qū)段內(nèi)，當(dāng)熱流密度一定時，平均壁面過熱度隨著電場電壓的增加而逐漸減小，傳熱系數(shù)隨著電場電壓的增加而逐漸增大，傳熱得到強(qiáng)化。

（3） 當(dāng)電場電壓一定時，強(qiáng)化系數(shù)隨著熱流密度的增加而增大；當(dāng)熱流密度一定時，強(qiáng)化系數(shù)隨著外加電場電壓的升高而逐漸增大，本實(shí)驗(yàn)得出的最大強(qiáng)化系數(shù)約為2。

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（編輯 趙?。?/p>

EHD experimental research on boiling heat transfer in micro-channels

DAI Yong, LUO Xiao-ping, FANG Zhen-xin
（College of Mechanical and Automobile Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China）

Experiments were carried out to study electro-hydrodynamics （EHD） enhancement for saturated flow boiling heat transfer in micro-channels with cross-section of 2 mm×2 mm using deionized water as the working fluid. In the boiling section of the channels with different voltages, the relation between heat flux and averaged wall superheat temperature was studied. The influences of the electrified on the boiling heat transfer coefficient were analyzed as well. The results show that electric field with high voltage can enhance saturated boiling heat transfer in micro-channels, and it lays a foundation for exploring the mechanism of EHD enhancement for saturated boiling heat transfer in micro-channels.

micro channels; two phases flow; boiling heat transfer; heat transfer enhancement; EHD

TK124

A

1672?7207（2011）05?1316?05

2010?03?11；

2010?06?29

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20676039）

羅小平（1967?），男，江西南昌人，教授，從事微尺度相變傳熱機(jī)理研究；電話：13660846819；E-mail： mmxpluo@scut.edu.cn