多孔微通道流動(dòng)沸騰換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

張東輝，徐海洋，陳 一，王雷青，曹 薇，吳明發(fā)，周志平

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

微通道沸騰換熱是一種極有潛力的高熱流密度器件散熱方案，在帶走電器熱量的時(shí)候，是通過兩相流動(dòng)沸騰實(shí)現(xiàn)的，該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如工質(zhì)需求量較低，傳熱系數(shù)較高等，同時(shí)有效減小了設(shè)備體積和重量。Tuckerman等[1]選擇使用硅材料，其通過利用化學(xué)蝕刻對(duì)材料進(jìn)行加工，進(jìn)而使材料上面有矩形槽道，并利用工質(zhì)冷卻的方式帶走熱量。近年來，研究人員把研究目光放在了多孔微通道上，其可以讓換熱性能提升，讓微通道的壓力脈動(dòng)顯著下降。Qu等[2]展開實(shí)驗(yàn)研究，選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為銅基微通道，研究表明，當(dāng)熱流密度與臨界熱流密度接近的時(shí)候，微通道壁面氣泡變化明顯，此時(shí)會(huì)有干涸情況出現(xiàn)在微通道局部，進(jìn)而使微通道的溫度發(fā)生變化，壓力也發(fā)生變化。Narrein等[3]采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)銅基/多孔微通道的流動(dòng)沸騰換熱性能仿真，研究結(jié)果顯示，和普通微通道相比，多孔微通道具有較高的換熱性能，但是，也會(huì)導(dǎo)致其具有極高的內(nèi)部壓力。Leao[4]在分析和研究多孔微通道的時(shí)候，使用流動(dòng)工質(zhì)為R245fa，使用50個(gè)微通道溝槽。研究顯示，在產(chǎn)生沸騰起始點(diǎn)的時(shí)候，微通道傳熱系數(shù)就開始提升，在沒有達(dá)到核沸騰狀態(tài)的時(shí)候，其沸騰曲線呈現(xiàn)出斷開的狀態(tài)。王國(guó)棟[5]對(duì)微通道展開研究，在區(qū)分沸騰區(qū)是否穩(wěn)定的時(shí)候，是利用干度確定的。研究結(jié)果表明，x=0.044為水平出入口方式的沸騰模式轉(zhuǎn)變位置，x=0.036為垂直入口方式的沸騰模式轉(zhuǎn)變位置，因此和后者比，前者可以讓微通道內(nèi)部流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性顯著降低。華南理工大學(xué)的湯勇、鄧大祥、白鵬飛等[6]對(duì)比和分析內(nèi)凹形多孔微通道和銅基內(nèi)凹形微通道，結(jié)果表明，在使用不同測(cè)試條件基礎(chǔ)上，內(nèi)凹形多孔微通道具有更好的抑制微通道沸騰非穩(wěn)定性、更好的強(qiáng)化兩相沸騰傳熱性能、顯著降低沸騰過熱度等，因此其優(yōu)勢(shì)明顯，和銅基微通道相比，其傳熱系數(shù)最高可以達(dá)到5倍。研究學(xué)者張士偉[7]對(duì)微通道展開研究，分析其分別處于飽和沸騰和過冷沸騰狀態(tài)時(shí)，多孔微通道多孔壁面氣泡的變化情況。研究結(jié)果表明，如果過熱度到某種程度，和多孔壁面的氣泡相比，普通微通道氣泡脫離直徑明顯較高。

本文研究的目的主要是探討多孔微通道傳熱及流動(dòng)特性。選擇工質(zhì)為去離子水，以此為基礎(chǔ)，對(duì)多孔微通道進(jìn)行研究，明確在不同熱流密度和入口溫度時(shí)，對(duì)銅基微通道沸騰不穩(wěn)定性的影響，對(duì)換熱的影響。

1 多孔微通道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文使用開式系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，先把去離子水放入到恒溫水箱中，設(shè)定溫度后加熱，使用齒輪泵讓去離子水流入流量計(jì)，經(jīng)過入口節(jié)流閥控制泵，隨后進(jìn)入多孔微通道熱沉室，使用熱電偶和壓力傳感器測(cè)量熱沉室底面溫度、進(jìn)出口水溫度和壓力。經(jīng)加熱后的去離子水流出熱沉室后，在板式換熱器作用下，可以使工質(zhì)的溫度降低，最后，被冷卻的去離子水會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)液容器中(見圖1)。本文試驗(yàn)時(shí)選擇使用900 μm為深度，300 μm為通道寬度，25個(gè)流道總數(shù)。銅基微通道尺寸參數(shù)詳見表1。

表1 多孔微通道尺寸參數(shù)

在進(jìn)行流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，核心是微通道熱沉，測(cè)試段示意圖詳見圖2(a)，熱沉室實(shí)物圖詳見圖2(b)，通過該圖可以明確，該部件包括熱電偶、加熱器、加熱銅塊等。在進(jìn)行換熱性能實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，可以使用熱沉室對(duì)超薄多孔金屬、銅基微通道等進(jìn)行研究。

圖1 系統(tǒng)測(cè)試示意圖 注：1-恒溫水箱;2-微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵;3-流量計(jì);4-節(jié)流閥;5-熱沉室;6-數(shù)據(jù)采集卡;7-板式換熱器;8-儲(chǔ)液罐;9-計(jì)算機(jī);10-高速攝像儀

表2 多孔結(jié)構(gòu)制作參數(shù)

圖2 多孔微通道熱沉室

具體實(shí)驗(yàn)步驟是：通過微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵，將一定過冷度的去離子水引入泡沫金屬熱沉室，并調(diào)整測(cè)試段入口節(jié)流閥，使得齒輪泵的出口壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)的設(shè)定值；熱沉室底部的電加熱棒作為模擬熱源，在對(duì)電加熱棒兩端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候使用變壓器，設(shè)定50 W為初始加熱功率，50 W為每次增加功率。完成加熱瓦數(shù)輸入后，讓系統(tǒng)運(yùn)行，15 min后設(shè)備屏幕上有數(shù)值顯示，在溫度、壓力達(dá)到設(shè)定值后，對(duì)加熱銅塊溫度、出入口壓力和溫度進(jìn)行記錄。通過對(duì)溫度變化進(jìn)行記錄衡量溫度是否恒定，如果溫度變化不大于0.1 ℃，則可以認(rèn)為溫度恒定。在加熱功率升高到某值的時(shí)候，銅塊壁面溫度呈現(xiàn)出驟然提升趨勢(shì)，并無法保持穩(wěn)定，此時(shí)即為臨界熱流密度，停止測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量流率范圍為71～213 kg/m2·s。

1.1 數(shù)據(jù)處理及不確定分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試段傳熱系數(shù)為

(1)

式中q——加熱功率的熱流密度。

當(dāng)測(cè)試段兩相處于流動(dòng)沸騰狀態(tài)時(shí)，會(huì)有過冷沸騰存在，所以可以對(duì)測(cè)試段通道進(jìn)行劃分，包括：出口位置沸騰區(qū)域、中間位置過冷沸騰區(qū)域、上游單向區(qū)域。在對(duì)前兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行區(qū)分的時(shí)候，可以利用氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行區(qū)分。在對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，可以使用以下公式進(jìn)行計(jì)算，為

(2)

L——微通道長(zhǎng)度;

Li——測(cè)溫點(diǎn)和通道進(jìn)口的距離;

hfg——工質(zhì)氣化潛熱。實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的不確定度見表3。

表3 本實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定度

2 多孔微通道的制作

本試驗(yàn)研究時(shí)使用的銅基微通道和多孔微通道具有相同的尺寸，900 μm為深度，300 μm為微通道寬度。多孔微通道的結(jié)構(gòu)參數(shù)受多種因素影響，如燒結(jié)溫度、粒徑、銅粉形狀等。實(shí)驗(yàn)選用樹枝狀銅粉進(jìn)行燒結(jié)，由于樹枝狀銅粉有高內(nèi)部交錯(cuò)面積，燒結(jié)后可孔隙率較高，其孔隙結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步增加流體的擾流，提高其傳熱性能；如果時(shí)間太長(zhǎng)，或者具有較高燒結(jié)溫度，會(huì)降低孔隙度；如果時(shí)間太短，或者具有較低燒結(jié)溫度，會(huì)降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和孔隙度，因此燒結(jié)溫度選擇800 ℃。

石墨模具上的微槽道通過線切割加工而成，如圖3所示。制作多孔微通道過程中，先將銅粉填入石墨微通道模具內(nèi)，在填充的時(shí)候留有部分空間，進(jìn)而微通道和銅粉距離可以使燒結(jié)厚度得到滿足。最后將其放進(jìn)燒結(jié)爐腔內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，并通氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，以防止氧化現(xiàn)象。圖4為脫模成功后的多孔微通道。

圖3 石墨模具

圖4 模具中的多孔結(jié)構(gòu)微通道

3 結(jié)果與分析

3.1 多孔微通道與普通銅基微通道的換熱特性

這里首先對(duì)多孔微通道與普通銅基微通道的換熱特性進(jìn)行了對(duì)比研究。多孔微通道由粒徑90 μm的銅粉燒結(jié)而成，其底厚200 μm。當(dāng)進(jìn)口溫度是60 ℃，不同質(zhì)量流率下的沸騰曲線如圖5所示，并與普通微通道進(jìn)行了比較。由圖可發(fā)現(xiàn)：在單相流動(dòng)區(qū)域，銅基微通道與多孔微通道具有相近的性能；隨著熱流密度的提升，當(dāng)其達(dá)到某值的時(shí)候，沸騰起始點(diǎn)ONB要求被達(dá)到，微通道內(nèi)發(fā)生沸騰現(xiàn)象，此時(shí)，多孔微通道和銅基微通道的傳熱性能有明顯的差異，在沸騰起始點(diǎn)，和銅基微通道相比，多孔微通道具有較低的壁面過熱度。研究表明，壁面過熱度在2～3 ℃時(shí)，多孔微通道沸騰即可發(fā)生。當(dāng)熱流密度繼續(xù)增大，當(dāng)處于20～60 W/cm2范圍內(nèi)，可發(fā)現(xiàn)：三組不同質(zhì)量流率下，與普通微通道相比，多孔微通道的沸騰曲線斜率很大，幾乎是垂直的，而且?guī)缀跏侵睾系摹＿@意味著極佳的換熱特性，換熱系數(shù)對(duì)熱流密度的變化極敏感，并且不受質(zhì)量流率的影響，這是核沸騰換熱機(jī)制。當(dāng)熱流密度大于60 W/cm2，進(jìn)入中高熱流密度范圍，多孔微通道沸騰曲線隨著質(zhì)量流率變化而出現(xiàn)分離的情況，斜率也趨于平緩，這意味著熱流密度對(duì)換熱性能的影響減弱，而質(zhì)量流率逐漸發(fā)揮影響，這一趨勢(shì)低質(zhì)量流率時(shí)非常明顯。

圖5 多孔結(jié)構(gòu)微通道沸騰曲線圖

圖6(a)所示的銅基/多孔微通道的換熱性能曲線圖，圖中每一點(diǎn)表示的是微通道中點(diǎn)在不同熱流密度下的換熱系數(shù)(實(shí)驗(yàn)中對(duì)微通道沿途三個(gè)點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)試)。結(jié)果表明，如果為中高流量，當(dāng)熱流密度提升時(shí)，多孔微通道換熱系數(shù)會(huì)上升，在達(dá)到峰值之后呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。在具有較高熱流密度時(shí)，銅基微通道和多孔微通道具有相近的性能。在降低質(zhì)量流率時(shí)，當(dāng)熱流密度提升時(shí)，多孔微通道傳熱系數(shù)會(huì)升高，隨后干度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

不同質(zhì)量流率條件下?lián)Q熱系數(shù)隨干度的變化如圖6(b)所示。圖中每一點(diǎn)的干度都是通道中點(diǎn)在不同質(zhì)量流率和熱流密度換算得到。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：如果干度較低(x<0)，當(dāng)干度提升時(shí)，多孔微通道傳熱系數(shù)也會(huì)提升，如果干度取值為0，則傳熱系數(shù)最大，隨后呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，對(duì)于142 kg/m2·s和213 kg/m2·s兩組質(zhì)量流率，多孔微通道的換熱系數(shù)隨干度的變化迅速下降。在中高熱流密度時(shí)，質(zhì)量流率對(duì)多孔微通道傳熱性能的影響加大，流量越大，傳熱系數(shù)越大，而銅基微通道受質(zhì)量流率和干度的影響較小。由圖片也可得出結(jié)論: (1)干度和質(zhì)量流量會(huì)顯著影響銅基/多孔微通道的換熱性能，這意味著多孔微通道與普通微通道有著完全不同的換熱機(jī)制；(2)對(duì)于多孔微通道，在低熱流密度時(shí)，傳熱性能和銅基微通道相近，在此階段，主要為核沸騰；在中高熱流密度條件下，和銅基微通道比，多孔微通傳熱性能較好，此狀態(tài)下為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。

圖6 多孔和銅基微通道傳熱系數(shù)變化曲線

3.2 多孔微通道參數(shù)對(duì)傳熱性能影響

燒結(jié)底厚、銅粉粒徑均會(huì)影響多孔微通道的傳熱性能，實(shí)驗(yàn)中對(duì)它們的影響也進(jìn)行了詳細(xì)的研究。表2為多孔微通道的制作參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)三種粒徑30 μm、50 μm和90 μm，兩種底厚200 μm和400 μm樣品進(jìn)行了測(cè)試，共6個(gè)樣品，燒結(jié)溫度均為800 ℃，其中圖7所示的是在不同底厚和粒徑條件下，銅基/多孔微通道沸騰情況示意，在不同底厚和粒徑條件下，多孔微通道具有和銅基微通道類似的沸騰曲線趨勢(shì)，區(qū)別為和銅基微通道相比，多孔微通道具有較低的壁面過熱度；和銅基微通道相比，多孔性微通道具有較低的臨界熱流密度(CHF)，這意味著：在實(shí)驗(yàn)所調(diào)查的多孔微通道，對(duì)于臨界熱流密度并無大的提升。

圖8(a)(b)所示為在質(zhì)量流率相同基礎(chǔ)上，干度和熱流密度對(duì)多孔微通道的傳熱系數(shù)影響。如果質(zhì)量流率保持恒定，在干度取值為0時(shí)，銅基/多孔微通道的傳熱系數(shù)最大，當(dāng)干度提升的時(shí)候，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。如果-0.04～0.03為干度范圍，和銅基微通道相比，多孔微通道樣品具有加大的傳熱系數(shù)，在200 μm為燒結(jié)底厚，30 μm為粒徑時(shí)，具有和銅基微通道相近的傳熱系數(shù)；如果干度比0.03大，多孔微通道和銅基微通道的傳熱系數(shù)無明顯區(qū)別。因此可以明確，在中低干度時(shí)，和銅基微通道相比，多孔微通道的傳熱效果更好。

圖7 多孔微通道沸騰曲線圖

圖8 多孔和銅基微通道傳熱系數(shù)變化曲線

從圖7也可看到，當(dāng)熱流密度在30～100 W/cm2之間質(zhì)量流率為213 kg/m2·s，多孔微通道的壁面溫度比銅基微通道降低了約10～20 ℃左右。這也意味著多孔微通道可以很好提升換熱性能。

燒結(jié)底厚、銅粉粒徑會(huì)影響多孔微通道的傳熱性能，實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)研究。

對(duì)圖7進(jìn)行分析可以明確，如果2和5為厚度粒徑比，和銅基微通道比，多孔微通道具有較高的傳熱性能，約為前者的2倍。如果干度比0.04小，多孔微通道具有較高的傳熱性能；如果干度比0.04小，雖然多孔微通的傳熱性能呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但是依然優(yōu)于銅基微通道；如果8～14為厚度粒徑比，當(dāng)厚度粒徑比提升時(shí)，多孔微通道傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，厚度粒徑比14的樣品傳熱性能雖優(yōu)于厚度粒徑比8的多孔微通道，但仍低于厚度粒徑比為2、5兩組樣品。因此2～5之間為最優(yōu)厚度粒徑比。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，厚度粒徑比在2～5之間時(shí)多孔微通道性能較好。在中高熱流密度范圍內(nèi)，較銅基微通道壁溫降低15°左右。與其明確的機(jī)理仍然不清楚，在這樣的厚度粒徑比下，可以保證蒸汽的及時(shí)排出，而且補(bǔ)充液態(tài)工質(zhì)也比較通暢。當(dāng)多孔層較厚時(shí)，會(huì)阻礙蒸汽的迅速排出，補(bǔ)液也較為困難，最終使得傳熱性能惡化。如果厚度粒徑比比7大，對(duì)其性能進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，與銅基微通道無明顯區(qū)別，如果為高熱熱流密度情況，和銅基微通道相比，各厚度粒徑比具有相似的性能。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：增加燒結(jié)厚度對(duì)于不同粒徑的多孔微通道換熱性能的影響是不同的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粒徑為90 μm的樣品增加底厚之后換熱性能提升的幅度很小，對(duì)于粒徑30 μm的樣品增加燒結(jié)底厚之后換熱性能得到了明顯的提升。對(duì)于有些粒徑的微通道而言，增加底厚反而會(huì)降低其換熱能力。例如銅粉粒徑50 μm的多孔微通道，增加燒結(jié)厚度降低了其傳熱性能。

分析臨界熱流密度可以明確，如果30 μm為樣品粒徑，79.71 W/cm2為臨界熱流密度，如果50 μm為樣品粒徑，70.15 W/cm2為臨界熱流密度，如果90 μm為樣品粒徑，104.85 W/cm2為臨界熱流密度，因此可以明確，粒徑會(huì)對(duì)臨界熱流密度產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)銅基微通道傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，現(xiàn)獲得以下結(jié)論：

(1)在起始沸騰時(shí)，和銅基微通道相比，多孔微通道具有較低的壁面過熱度，因此可以讓氣泡穩(wěn)定生長(zhǎng)，使不穩(wěn)定性得到緩和，進(jìn)而使其可以穩(wěn)定沸騰。在低熱流密度時(shí)，傳熱性能和銅基微通道相近，在此階段，主要為核沸騰；在中高熱流密度條件下，和銅基微通道比，多孔微通傳熱性能較好，此狀態(tài)下為強(qiáng)制對(duì)流沸騰；

(2)如果干度較低(x<0)，當(dāng)干度提升時(shí)，多孔微通道傳熱系數(shù)也會(huì)提升，如果干度取值為0，則傳熱系數(shù)最大，隨后呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，多孔微通的傳熱性能雖然呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，但是換熱性能依然優(yōu)于銅基微通道；

(3)厚度粒徑比在2～5之間時(shí)多孔微通道性能較好。在中等熱流密度范圍內(nèi)，較銅基微通道壁溫降低15°左右。適當(dāng)?shù)暮穸攘奖瓤梢员ＷC蒸汽的及時(shí)排出和及時(shí)的液態(tài)工質(zhì)補(bǔ)充。當(dāng)多孔層較厚時(shí)，會(huì)阻礙蒸汽的迅速排出，最終使得傳熱性能惡化。如果厚度粒徑比比7大，與銅基微通道無明顯區(qū)別，如果為高熱熱流密度情況，和銅基微通道相比，各厚度粒徑比具有相似的性能。

本文試驗(yàn)結(jié)果顯示，和普通微通道相比，多孔微通道具有較好的換熱性能，在散熱冷卻領(lǐng)域有著極佳的應(yīng)用前景。