HFC134a噴霧閃蒸冷卻換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

程文龍 章瑋瑋 陳華 王領(lǐng)華 呂建偉 李彥良

（1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，合肥 230027）

（2 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

1 引言

當(dāng)高壓液體通過噴嘴噴射到低于其飽和壓力的環(huán)境中時(shí)，液滴變?yōu)檫^熱狀態(tài)，在被冷卻表面上形成液膜，這種依靠液膜在被冷卻表面的流動(dòng)、沸騰、閃蒸等方式對(duì)表面進(jìn)行快速冷卻的過程就是噴霧閃蒸冷卻。與普通噴霧冷卻相比，噴霧閃蒸冷卻具有更好的散熱性能，因此噴霧閃蒸冷卻在高熱流密度電子器件散熱、航天器熱控和熱防護(hù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，NASA 已經(jīng)把噴霧閃蒸冷卻用于航天器熱控系統(tǒng)，并將緊湊式閃蒸器技術(shù)作為航天器熱控優(yōu)先發(fā)展方向之一［1-3］。噴霧閃蒸冷卻的傳熱傳質(zhì)特性受到多種因素的影響，傳熱機(jī)制非常復(fù)雜。其閃蒸過程包括兩方面：噴霧形成液滴在到達(dá)被冷卻表面之前的液滴閃蒸和液滴到達(dá)被冷卻表面后形成的液膜閃蒸。

目前，對(duì)閃蒸傳熱特性的研究主要集中在海水淡化［4］、冰漿制?。?］、醫(yī)療手術(shù)冷卻［6］等領(lǐng)域。在對(duì)液膜閃蒸的研究中，O．Miyatake［7］發(fā)現(xiàn)閃蒸過程經(jīng)歷快速沸騰和表面蒸發(fā)階段，指出閃蒸現(xiàn)象與液膜厚度和閃蒸室壓力有關(guān)。D．Saury［8］等人對(duì)不同厚度的水膜閃蒸進(jìn)行研究，給出蒸發(fā)量與過熱度的關(guān)系，定性分析液膜厚度對(duì)閃蒸的影響。郭迎利［9］等人研究了閃蒸的初始溫度、液膜厚度、過熱度對(duì)瞬態(tài)閃蒸過程溫度變化的影響規(guī)律。在對(duì)噴霧液滴特性的研 究 中，周 致 富（Zhou Zhifu）［6］等 人 對(duì) 工 質(zhì)HFC134a噴霧閃蒸的瞬態(tài)噴霧特性進(jìn)行了研究，觀察了噴霧的形成和動(dòng)態(tài)特性，并分析噴嘴對(duì)噴霧特性的影響。Ralph Brown［10］等人實(shí)驗(yàn)分析了噴霧閃蒸的噴霧特性，并發(fā)現(xiàn)閃蒸現(xiàn)象的必要條件是液體過熱。

在上述研究中，由于閃蒸應(yīng)用領(lǐng)域不同，研究者對(duì)液膜閃蒸和液滴特性的研究往往是分開進(jìn)行的，閃蒸條件和閃蒸過程中的傳熱特性都和用于熱控和熱防護(hù)的閃蒸有較大的不同。但是從目前的研究現(xiàn)狀來看，有關(guān)這方面的研究還非常不充分，用于熱控和熱防護(hù)方面的閃蒸傳熱特性的研究文獻(xiàn)還鮮有報(bào)道。由于HFC134a良好的閃蒸傳熱特性，NASA已經(jīng)把其作為環(huán)境壓力高于1atm 時(shí)閃蒸器的備選工質(zhì)［2］。基于此，本文利用實(shí)驗(yàn)方法研究HFC134a噴霧閃蒸冷卻的散熱性能，并分析噴霧高度和流量等因素對(duì)散熱性能的影響，為噴霧閃蒸冷卻的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)原理圖和加熱器Fig．1 System principle diagram and heater

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文以HFC134a作為閃蒸工質(zhì)，建立了噴霧閃蒸冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示）。實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境壓力為1atm，環(huán)境溫度為20 ℃。由于HFC134a在20 ℃時(shí)的飽和壓力為571．88kPa［11］，遠(yuǎn)高于環(huán)境壓力，因此，HFC134a在此環(huán)境壓力下可以發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)所用噴嘴為旋流霧化實(shí)心噴嘴。實(shí)驗(yàn)流程如下：工質(zhì)HFC134a由壓差驅(qū)動(dòng)，從儲(chǔ)液罐流出，經(jīng)過閥門、噴嘴霧化成細(xì)小的液滴，液滴到達(dá)被冷卻表面形成液膜，通過液膜的閃蒸等傳熱現(xiàn)象對(duì)被冷卻表面進(jìn)行冷卻。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)利用電加熱的發(fā)熱表面模擬噴霧閃蒸冷卻的被冷卻表面。發(fā)熱表面為直徑12 mm 的黃銅圓柱端面，銅柱下端連接有加熱器加熱（如圖1所示）。為使銅柱中傳熱近似一維導(dǎo)熱，在銅柱周圍填充絕熱材料。分別在圓柱上距離端面1 mm、6mm、11mm 處設(shè)置三個(gè)測(cè)溫層，每層在距離圓柱中心不同位置分別布置三個(gè)T 型熱電偶，每層溫度為三個(gè)熱電偶所測(cè)溫度的平均值。發(fā)熱表面熱流密度根據(jù)傅里葉定律得到：

式中：qw為發(fā)熱壁面的熱流密度；λcu為黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)；ti、tj為截面i、j所測(cè)得的平均溫度；δi、δj為截面i、j到壁面的距離。熱電偶誤差Δt＝±0．5 ℃，距離誤差Δδ＝±0．05mm。根據(jù)誤差傳遞公式得到熱流密度誤差在7%以內(nèi)。

3 結(jié)果與討論

3．1 噴霧閃蒸冷卻換熱性能曲線

為研究HFC134a的噴霧閃蒸冷卻換熱特性和臨界熱流密度，實(shí)驗(yàn)在噴霧高度為9．9mm，流量為0．90g／s的條件下得出了冷卻換熱性能曲線和被冷卻表面溫度與加熱功率的關(guān)系曲線（如圖2所示）。從圖2中可以看出，隨著加熱功率的增大，被冷卻表面溫度逐漸升高；但是，所對(duì)應(yīng)的閃蒸散熱的熱流密度呈現(xiàn)出先增大達(dá)到一個(gè)峰值，然后逐漸減小的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種情況的原因，在于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加熱功率除一部分在被冷卻表面被液膜閃蒸換熱帶走外，其余部分由于隔熱材料不能完全隔熱而從加熱器周側(cè)直接散失到環(huán)境中，可得

式中：Q為電加熱總熱量；Qw為通過被冷卻表面的熱量；Qf為通過周圍隔熱材料向環(huán)境的散熱。在加熱功率較小時(shí)，隨著加熱功率的增大，被冷卻表面溫度提高，由此導(dǎo)致液膜閃蒸換熱能力也隨之提高，表現(xiàn)在冷卻曲線上即為表面散熱熱流密度隨著被冷卻表面溫度的提高而上升；當(dāng)加熱功率進(jìn)一步提高時(shí)，如果被冷卻表面溫度超過閃蒸冷卻臨界熱流密度所對(duì)應(yīng)的溫度，隨著被冷卻表面溫度的提高，其散熱能力反而下降，這是由于核態(tài)沸騰產(chǎn)生的氣泡增多，在被冷卻表面形成蒸汽膜，而蒸汽的熱導(dǎo)率比液體小得多，因此熱流隨著被冷卻表面溫度的升高而下降；同時(shí)加熱器溫度快速升高，通過加熱器周側(cè)向環(huán)境的散熱急劇增大，表現(xiàn)在冷卻曲線上，即為表面散熱熱流密度隨著被冷卻表面溫度的提高而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，該趨勢(shì)與文獻(xiàn)［12］中提到的趨勢(shì)相同。因此，圖2冷卻曲線中的最大熱流密度即為臨界熱流密度，從圖2中可以看出：被冷卻表面溫度達(dá)到90 ℃時(shí)，通過壁面的熱流密度達(dá)到最大值82 W／cm2。

3．2 噴霧高度對(duì)噴霧閃蒸冷卻換熱的影響

圖2 噴霧閃蒸冷卻換熱性能曲線Fig．2 Spray flash cooling heat transfer performance curve

噴霧高度指噴嘴到被冷卻表面的距離，其對(duì)噴霧閃蒸冷卻的散熱性能和閃蒸器的設(shè)計(jì)尺寸都有重要影響。在工質(zhì)流量為0．95g／s時(shí)實(shí)驗(yàn)得出了噴霧高度與被冷卻表面溫度和傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示，被冷卻表面溫度隨噴霧高度的變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)趨勢(shì)與之相反。噴霧高度從2．3 mm 到4．5 mm 時(shí)，被冷卻表面溫度隨噴霧高度增加而降低。這是由于當(dāng)噴霧高度較小時(shí)，隨著噴霧高度增加，到達(dá)被冷卻表面的工質(zhì)霧化由不充分逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌浞?，工質(zhì)濺射減弱，液膜增厚，有效閃蒸量增大，傳熱系數(shù)增大，閃蒸冷卻散熱能力增強(qiáng)，被冷卻表面溫度也隨之降低；但是，隨著噴霧高度的繼續(xù)增加，噴霧主流區(qū)外移，被冷卻表面中心上方的液膜更新速度減緩，傳熱系數(shù)減小，閃蒸的散熱性能減弱，因此被冷卻表面溫度逐漸上升。所以，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，噴霧閃蒸冷卻存在著一個(gè)最佳噴霧高度，此時(shí)噴霧閃蒸冷卻的散熱能力最強(qiáng)（如圖3所示條件，其最佳噴霧高度為4．5mm）。通過實(shí)驗(yàn)觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在最佳噴霧高度附近，噴霧液滴僅覆蓋部分被冷卻表面，此時(shí)液膜在被冷卻表面的延展對(duì)噴霧閃蒸冷卻散熱的增強(qiáng)具有重要影響。

圖3 壁面溫度和噴霧高度的關(guān)系曲線Fig．3 Surface temperature curve with the spray height

3．3 流量對(duì)噴霧閃蒸冷卻換熱的影響

為探尋噴霧閃蒸冷卻最合適的流量，使之既能達(dá)到預(yù)期的散熱效果，又能使工質(zhì)得到充分利用，本文進(jìn)一步研究了流量對(duì)噴霧閃蒸冷卻的影響。在噴霧高度為15．2mm 時(shí)實(shí)驗(yàn)得出了被冷卻表面溫度和傳熱系數(shù)與工質(zhì)流量的關(guān)系曲線，如圖4所示，被冷卻表面溫度隨流量增加呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而傳熱系數(shù)則相反。隨著流量增加，被冷卻表面上的液膜由流量較小時(shí)，只覆蓋一部分表面逐漸覆蓋整個(gè)表面，液膜閃蒸逐漸充分，閃蒸冷卻性能提高，所以被冷卻表面溫度得到有效降低。但是，當(dāng)流量繼續(xù)增加時(shí)，液膜會(huì)增多增厚，與被冷卻表面直接接觸的液膜沒有得到及時(shí)更新，降低液膜的閃蒸效率；而且液膜溢出使被冷卻表面周圍大量結(jié)冰，阻礙散熱（如圖5所示），所以被冷卻表面溫度下降逐漸減緩，其傳熱系數(shù)上升也隨之減緩?？紤]到噴霧閃蒸冷卻應(yīng)用在航天器熱控和熱防護(hù)中，如果出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，可能會(huì)對(duì)航天器帶來安全隱患，因此，在最佳流量時(shí)閃蒸工質(zhì)應(yīng)該得到完全利用。

圖4 壁面溫度和工質(zhì)流量的關(guān)系曲線Fig．4 Surface temperature curve with the flow rate

圖5 不同流量下的噴霧實(shí)驗(yàn)Fig．5 Spray tests with different flow

4 結(jié)論

本文建立噴霧閃蒸冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)以HFC134a為工質(zhì)的噴霧閃蒸冷卻的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)得出HFC134a噴霧閃蒸冷卻換熱特性曲線、臨界熱流密度以及被冷卻表面溫度和傳熱系數(shù)隨工質(zhì)流量和噴霧高度的變化曲線。研究結(jié)果可為應(yīng)用噴霧閃蒸冷卻提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。主要結(jié)論如下：

（1）以HFC134a為工質(zhì)的噴霧閃蒸冷卻的臨界熱流密度達(dá)到82 W／cm2。

（2）噴霧高度對(duì)噴霧閃蒸冷卻換熱性能的影響較大，當(dāng)高度過小時(shí)，工質(zhì)霧化不充分，液體濺射，導(dǎo)致閃蒸不充分；高度過大時(shí)，被冷卻表面中心液膜更新減緩，閃蒸減弱，所以存在最佳噴霧高度。

（3）工質(zhì)流量不是越大越好，當(dāng)流量過大時(shí)，液膜溢出，被冷卻表面周圍大量結(jié)冰，閃蒸效率降低；而且航天器熱控和熱防護(hù)中必須避免結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生，因此噴霧閃蒸冷卻應(yīng)該使工質(zhì)完全閃蒸，此時(shí)的流量即為最佳流量。

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