李麗榮,劉妮,黃千衛(wèi)
(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所,上海 200093)
傾斜式噴霧冷卻研究進展
李麗榮*,劉妮,黃千衛(wèi)
(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所,上海 200093)
噴霧冷卻有換熱能力強、工質(zhì)與熱表面溫差小、冷卻工質(zhì)流量小、工質(zhì)耗量低、無沸騰滯后性、工質(zhì)與固體表面之間無接觸熱阻等優(yōu)點。近年來,其在電子冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用前景正得到眾多研究者的關(guān)注。但目前仍缺乏統(tǒng)一的理論來指導(dǎo)實際應(yīng)用。本文在介紹了傾斜式噴霧冷卻工作原理及特點的基礎(chǔ)上,綜述了近年來國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于噴霧傾角對噴霧換熱的影響所開展的研究,按時間順序總結(jié)了傾斜式噴霧冷卻的研究成果,包括噴嘴的運動軌跡,不同噴霧傾角下噴霧區(qū)域的邊界方程以及進一步提高噴霧效率的途徑。針對已有實驗結(jié)論的互異性做了重點分析,并給出了關(guān)于噴霧傾角的有用結(jié)論。簡單地闡明了傾斜噴霧的優(yōu)勢,并指出了目前還沒有解決的關(guān)鍵問題。
傾斜噴射;噴霧傾角;換熱性能;臨界熱流密度;運動軌跡
噴霧是將液體通過噴嘴噴射到氣體介質(zhì)中,使之分散并破裂成小顆粒液滴的過程[1]。而噴霧冷卻是把液態(tài)工質(zhì)經(jīng)噴嘴霧化成細小液滴后噴淋到加熱表面,通過強迫對流、液膜蒸發(fā)、核沸騰和二次成核等單相或兩相換熱過程帶走熱量的一種相變冷卻方式[2-3]。
由于噴霧冷卻具有冷卻均勻、冷卻能力可調(diào)范圍大、可控性強、安全無污染、低成本等特點[4-7],近年來在電子應(yīng)用領(lǐng)域[8-10]引起了廣泛關(guān)注。但該項技術(shù)還不夠成熟,目前仍處于研究階段,還沒有統(tǒng)一的理論。冷卻過程涉及到多種影響因素,研究者已經(jīng)對這些影響因素[11](如:噴嘴霧化性能參數(shù)、工作介質(zhì)物性、熱源表面結(jié)構(gòu)特性等)和換熱機理做了大量而詳實的研究工作,但對噴霧傾角對換熱特性的影響研究較少,已有的文獻主要集中在當(dāng)噴嘴距熱源表面的高度不變時傾斜角對噴霧特性的影響,而且所得結(jié)論也不盡相同。但在實際的工程應(yīng)用中,噴嘴在大多數(shù)情況下均處于傾斜狀態(tài),所以傾斜噴射角對噴霧冷卻換熱特性的影響就顯得尤為重要。許多學(xué)者也對此進行了研究,最為典型的是由Silk[12-13],Li[14],Mudarwar[15]和Hsieh[16]等人對傾斜噴射中噴射傾角的研究。但所得結(jié)論互不相同,前三個人認(rèn)為當(dāng)傾角小于 40°時,系統(tǒng)的臨界熱流密度(CHF)可在某一特定角度達到最大;當(dāng)傾角大于40°時,系統(tǒng)CHF急劇下降,而Hsieh[16]則認(rèn)為系統(tǒng)的換熱性能在傾角為 60°時最好。本文著重就噴霧傾角對換熱特性的影響這一方面闡述了國內(nèi)外學(xué)者對傾斜式噴霧冷卻的研究進展以及該項技術(shù)在電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
傾斜噴射是在垂直噴射的基礎(chǔ)上通過改變噴射傾角、調(diào)整噴霧液滴的運動方向來實現(xiàn)對熱源表面的冷卻。噴射傾角是指噴嘴入射方向相對于加熱面法線方向的傾斜轉(zhuǎn)角(α),與噴霧角度不同,后者是指噴嘴噴出的圓形霧流所形成成的錐角(θ),如圖1所示。
圖1 噴射傾角與噴霧錐角圖
相對于垂直噴射,傾斜噴射在單位時間內(nèi)噴射到加熱表面的液滴數(shù)不再具有對稱性,靠近噴嘴的加熱表面接收到的霧滴密度大,而遠離噴嘴的加熱表面接收到的霧滴密度較小,因此使得整個熱源表面單位時間內(nèi)接受到的的霧滴質(zhì)量流量不均勻。并且由于傾斜噴射中所有霧滴的速度方向不再具有對稱性,靠近噴嘴的加熱表面的霧滴形成的液膜被一定程度加熱后,在速度差和溫度差的驅(qū)動下仍要流過距離噴嘴較遠的部分,由于這種推動力的作用,熱源表面很難形成滯流區(qū)。此外,傾斜噴射在熱源表面形成的噴霧區(qū)域不再是圓形,而是橢圓形或拋物線形。
傾斜噴霧冷卻的優(yōu)點是可以消除噴嘴垂直熱源噴射在噴霧中心形成的滯留區(qū)[17]。尤其在采用陣列噴嘴噴霧冷卻較大面積熱源的情況下,利用傾斜噴射可以產(chǎn)生網(wǎng)狀推動力,從而消除存在于熱源表面任意位置的滯流區(qū)。如圖2所示。但是傾斜噴射會使熱源表面存在溫度梯度,造成這種溫度不均勻性的原因是:熱源表面的不同位置與噴嘴出口的距離均不同,甚至差別很大,這直接導(dǎo)致霧滴擊打加熱表面不同位置的角度和速度都不同,而且熱源表面的橢圓形區(qū)域上霧滴密度的差別很大,這也直接決定了熱源溫度的不均勻性。
圖2 陣列噴嘴傾斜噴射圖
近年來,國內(nèi)外學(xué)者主要研究了噴霧傾斜角對加熱表面臨界熱流密度(CHF)和換熱特性的影響,認(rèn)為傾斜噴霧冷卻是通過連續(xù)不斷的排走加熱面殘余液體來增大表面熱流密度。
Shedd和 Pautsch[18]以 FC-72為制冷劑,在70×70 mm2的MCM表面上研究了陣列噴嘴噴霧對熱流密度的影響,實驗表明由于相鄰噴嘴之間的相互交叉影響,會在加熱表面形成很多滯留區(qū),使得陣列式噴嘴噴霧不能有效利用噴霧流體達到最高熱流密度。但是他們由此確定了傾斜噴霧的重要性,認(rèn)為傾斜噴射可以幫助排出殘余液體減緩熱流密度的降低,以此彌補陣列噴嘴噴霧的缺點。此外,他們還認(rèn)為傾斜噴射可以產(chǎn)生獨立定向的熱流量。
Li和Schwarzkopf 等人[14]用PF-5060作為冷卻介質(zhì),在保持單個壓力旋轉(zhuǎn)噴嘴噴射到直徑為1.4cm的熱源表面的前提下,研究了傾斜噴霧時噴霧傾角在 0°~60°之間變化時對噴霧冷卻性能的影響,實驗表明當(dāng)噴霧傾角在0°~40°變化時,CHF隨著噴霧傾角的增大而略微增大,其數(shù)值接近63 W/cm2,相對增量約為2.73%。而當(dāng)噴霧傾角大于 40°時,系統(tǒng)換熱能力急劇下降。他們認(rèn)為導(dǎo)致該結(jié)果的原因是:噴霧傾角增大,導(dǎo)致噴霧損失增大,霧滴的動量通量減小。
同年,Silk[12-13]也以 PF-5060為冷卻工質(zhì),在保持2×2噴嘴陣列距離加熱表面高度為17mm的前提下,研究了噴嘴傾角分別為0°、15°、30°和 45°時對系統(tǒng)換熱性能的影響,實驗結(jié)果表明傾角為30°時系統(tǒng)的臨界熱流密度最大,他指出其可能的原因是傾斜噴射消除了噴霧過程中加熱表面形成的滯流區(qū)。此外,Hsieh等人[16]以水為工質(zhì),采用孔徑分別為0.21 mm和0.38 mm的兩個Delavan WDB實心噴嘴噴射到硅加熱表面,研究了不同噴霧傾角對系統(tǒng)CHF的影響。實驗得到與Silk一致的結(jié)論。此后陳東芳[19]等人結(jié)合強化表面進行了相應(yīng)研究,實驗結(jié)果也與Silk的結(jié)論基本吻合。
Visaria和 Muadwar[20-21]以 PF-5052為冷卻工質(zhì),在面積為1×1cm2在熱源表面研究了傾角為0°、10°、25°、40°和55°時對熱源表面換熱性能的影響,并且始終保持熱源表面的噴霧橢圓區(qū)域內(nèi)切于熱源表面,最終實驗結(jié)果表明噴霧傾角的變化對液滴沸騰曲線基本無影響,但 CHF隨著噴射傾角的增大而降低,這與Li等人得出的結(jié)論恰好相反。
Mudawar和 Estes[15]等人針對圓形噴嘴對方形熱源噴霧冷卻的情況,試圖尋找噴嘴與加熱表面間的最佳距離。通過實驗,他們認(rèn)為霧滴體積通量是影響噴霧冷卻系統(tǒng)換熱性能的主要因素,而不是平均速率。因為在噴霧過程中,大多霧滴都會在不同的時間點重復(fù)沖擊熱源表面上同一位置。而霧滴的平均速率并不能反映單位時間內(nèi)沖擊到單位熱源面積的霧滴數(shù)目,而且對于多噴嘴噴霧的情況,不同的噴嘴可能產(chǎn)生相同的霧滴速率,但卻產(chǎn)生不同的換熱效果。在此基礎(chǔ)上得出結(jié)論:如果噴霧特性(如噴霧流量)一定,CHF的最大值出現(xiàn)在噴霧區(qū)域正好內(nèi)切于熱源邊緣時,其原因是:這種情況下的噴霧充分利用了噴嘴噴出的所有霧滴,使盡可能大的熱源表面接收到霧滴。
根據(jù)上述CHF最優(yōu)高度準(zhǔn)則,王亞青等人[22-23]以水為冷卻工質(zhì),研究了噴霧傾角為0°、14°、28°、42°和49°時對系統(tǒng)換熱特性的影響,實驗結(jié)果表明隨著傾斜噴角的增大,表面熱流密度和噴霧利用率都有所提高。張震[24]以相同的工質(zhì),結(jié)合強化表面研究了噴霧傾角為0°、15°和45°的換熱情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴射傾角為 0°時系統(tǒng)換熱性能最好,傾角為15°和45°次之。
基于先前學(xué)者的研究,郭永獻[17]通過實驗在“CHF準(zhǔn)則”的基礎(chǔ)上進一步研究了傾斜噴射在方形熱源表面上的應(yīng)用,提出了“H準(zhǔn)則”,認(rèn)為當(dāng)噴霧形成的外推薄膜的外沿正好與熱源邊沿相切時,系統(tǒng)換熱性能最好。CHF準(zhǔn)則確定了最優(yōu)高度,而H準(zhǔn)則確定了最優(yōu)換熱系數(shù)。
上述各種對噴霧傾角的研究所得結(jié)論并不一致,原因之一可能是因為他們研究的前提條件互不相同,如Li等人[14]和Silk等人[15]在研究過程中始終保持噴嘴與熱源的高度不變。但前者的噴霧覆蓋面積始終大于熱源表面積,而后者并未保證熱源表面始終處于噴霧范圍內(nèi)。Mudawar等人[21]的研究則是以“CHF最優(yōu)高度準(zhǔn)則”為前提。表1列舉了幾種最典型的關(guān)于噴霧傾角的實驗。
表1 幾種典型的傾斜噴霧實驗
目前傾斜噴射按噴嘴和熱源形狀可歸為以下幾類模型:圓形噴嘴對方形熱源、圓形噴嘴對圓形熱源、方形噴嘴對圓形熱源以及方形噴嘴對方形熱源。結(jié)合郭永獻[17]和Visaria[19-20]等人的實驗數(shù)據(jù),在滿足 CHF準(zhǔn)則的前提下,圓形噴嘴對圓形熱源表面的傾斜噴射效果最佳。針對該模型,郭永獻[12]和張鵬[25]通過仿真模擬確定了其噴霧邊界的軌跡方程。
在滿足傾斜噴射覆蓋面積與熱源表面相切的情況下,由機械制圖知識[26]]可知,用圓形噴嘴噴射熱源所得到的噴霧軌跡為橢圓形。且該橢圓的長軸即為熱源的直徑。設(shè)熱源表面直徑為 d,則橢圓形噴霧區(qū)域的長軸a=d,將短軸設(shè)為b,由文獻[17]有:
式中:
a——噴霧傾角,°;
θ——噴霧錐角,°;
根據(jù)文獻[21],θ和α之間必須滿足以下關(guān)系:
該式不但保證了在傾斜噴射過程中噴嘴始終處于熱源表面上方,而且為噴嘴的選擇提供了參考。為了能使噴射傾角盡可能大,傾斜噴射的效果盡可能明顯,則選擇的噴霧錐角θ不能太大,一般為60°左右。
根據(jù)“H原則”,若噴嘴在噴射傾角變化過程中始終保持其在熱源表面形成的橢圓形沖擊區(qū)域與圓形熱源表面相切,則由幾何關(guān)系可知,噴嘴軌跡是一個圓,并且熱源直徑是該圓的弦,如圖3所示。
圖3 圓形噴嘴對圓形熱源噴嘴軌跡圖
根據(jù)幾何關(guān)系,可推導(dǎo)出噴嘴所在的圓的軌跡方程是:
該方程確立了“H準(zhǔn)則”下噴嘴運動的路徑,給傾斜噴射的實驗研究提供了理論參考。但是對于保持高度不變改變噴射傾角的實驗該式并不適用。
噴嘴的運動軌跡確定后,接下來考慮噴射傾角α在熱源表面對應(yīng)的直接沖擊區(qū)域,文獻[10]和[18]中根據(jù)α的不同給出了相應(yīng)的軌跡方程。
1)當(dāng) α=0時,噴嘴垂直噴射于熱源表面,很明顯,其噴霧邊界是封閉的圓,噴霧邊界如圖4所示。設(shè)噴嘴距離熱源的高度為H,噴嘴錐角的半角為θ/2,則其邊界方程如下。
圖4 圓形噴嘴垂直噴射噴霧軌跡圖
圖5 噴霧傾角在0°~90°變化時噴霧軌跡圖
設(shè)其長軸長為2A,短軸長2B,噴霧高度為H,引入中間變量C,令:
則根據(jù)橢圓的定義,可推導(dǎo)出其邊界方程如下。
圖6 圓形噴嘴傾角為90°-θ/2時噴霧軌跡圖
設(shè)該拋物線的焦準(zhǔn)距為P,噴嘴距熱源的高度仍為H,由圖知:根據(jù)拋物線定義可推導(dǎo)出其邊界方程為:
式中:
在噴霧高度一定的情況下,隨著噴射傾角α的增大,噴霧軌跡由圓形變?yōu)闄E圓形,最后變?yōu)閽佄锞€形,其直接沖擊面積逐漸減小,但液膜掠過熱源表面的面積逐漸增大,如圖7所示。如果液膜沖擊熱源表面的總面積增大,則會增強系統(tǒng)換熱性能。
圖7 傾斜噴射的沖擊區(qū)域與掠過區(qū)域
這些理論模型均是以 Visaria建立的軸線對稱模型為基礎(chǔ)提出的。與Visaria模型相比,該模型的建立使得噴霧面積有所增大,但對應(yīng)的傾斜噴射時霧滴的體積通量減小,也就是說霧滴密度在對應(yīng)區(qū)域內(nèi)有所降低;由于傾斜噴射時,熱源表面接收到的霧滴密度很不均勻,關(guān)于這方面的理論模型尚未建立,對于這兩種模型下噴霧冷卻的換熱效果還無法確定。因此在今后對傾斜式噴霧的研究中還需建立完善的理論模型,并開展相應(yīng)的實驗驗證,達到理論與實際的完美結(jié)合。
電子設(shè)備的發(fā)展趨于微小化、集成化,傳統(tǒng)的冷卻方式已經(jīng)無法滿足其散熱要求。噴霧冷卻具有換熱能力強、換熱均勻性好、冷卻介質(zhì)耗量低、工質(zhì)與熱表面溫差小等特點,是近年來冷卻技術(shù)研究的熱點。傾斜式噴霧冷卻由于結(jié)構(gòu)特征更適應(yīng)于小型化設(shè)備,作為微小設(shè)備冷卻系統(tǒng)更具有競爭力,為此對它的研究還需要進一步深入。
目前的研究主要集中在不同噴射傾角對系統(tǒng)換熱特性及熱流密度的影響,雖然已有的結(jié)論互異,但由于其實驗條件也互不相同,所以結(jié)果并不具有可比性,今后對傾斜噴霧的研究還應(yīng)立足于結(jié)構(gòu)最優(yōu)和效果最優(yōu),爭取在能達到最高臨界熱流密度的前提下,找出統(tǒng)一的噴霧條件。此外,傾斜噴霧實驗還可從另一方面著手,可結(jié)合強化表面或系統(tǒng)抽真空等進一步探討最佳噴射傾角。如果能通過實驗找到傾斜角度與其它影響因素的最佳契合點,將會在很大程度上提高傾斜噴霧效率。
[1] 司春強, 邵雙全, 田長青, 等. 潤滑油對噴霧冷卻性能影響[J]. 制冷技術(shù), 2012, 31(1): 42-45.
[2] 曾志. 高效的噴霧冷卻技術(shù)的實驗與數(shù)值研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.
[3] HE S, WU Y T, JIANG S, et al. Effect of nozzles on energy separation performance of vortex tube[J]. Journal of Chemical Industry and Engineer(China), 2005, 56(11): 2073-2076.
[4] PAN Z Q, DENG X H, ZHANG Y J. Heat transfer between liquid and gas in multistage-spraying rotating packed bed[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2005, 56(3): 430-434.
[5] CHOW L C, SEHEMBEY M S, PAIS M.R. High heat flux spray cooling[J]. Annual Review of Heat Transfer,1997(8): 291-318.[6] KIM J. Spray cooling heat transfer: The state of the art[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007, 28: 753-767.
[7] SHEDD T A. Next generation spray cooling: High heat flux management in compact spaces[J]. Heat Transfer Engineering, 2007, 28(2): 87-92.
[8] OLIPHANT K, WEBB B W, MCQUAY M Q. An Experimental Comparison of Liquid Jet Array and Spray Impingement Cooling in the Non-Boiling Regime[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 1998, 18: 1-10.
[9] VONDRAN G, MAKRIS K, FRAGOPOULOS D. Thermal performance of Ink jet-assisted spray cooling in a closed system[C]// In 13th IEEE International Society Conference, 2012.
[10] 馬國強, 陶樂仁. 太陽能噴射式制冷系統(tǒng)的實驗研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(6):1-4.
[11] 蘇風(fēng)民, 馬鴻斌. 噴嘴孔徑對納米流體強化氨水泡狀吸收過程的影響[J]. 制冷技術(shù). 2014, 34(3): 49-52.
[12] SILK E A, KIM J, KIGER K. Effect of Spray Cooling Trajectory on Heat Flux for A Straight Finned Enhanced Surface [C]. HT2005: 743-751.
[13] SILK E A. Investigation of enhanced surface spray cooling[D]. Maryland: University of Maryland, 2006.
[14] LI B Q, CADER T, SCHWARZKOPF J. et al. Spray Angle Effect during Spray Cooling of Microelectronics: Experimental Measurements and Comparison with Inverse Calculations[J]. Applied Thermal Engineering,2006, 26: 1788-1795.
[15] MUDAWAR I, ESTES K A. Optimization and Predicting CHF in Spray Cooling of a Square Surface [J]. Journal of Heat Transfer, 1996, 118: 672-680.
[16] HSIEH C C. Two-phase Transport Phenomena in Microfluidic Devices[D]. Pittsburgh: Carnegie Mellon University, 2003.
[17] 郭永獻. 噴霧液膜流動理論及電子器件噴霧冷卻實驗研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2009.
[18] PAUTSCH A G, SHEDD T A. Spray Impingement Cooling With Single and Multiple Nozzle Arrays Part I: Heat Transfer Data Using FC-72[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48: 3167-3175.
[19] 陳東芳. 微槽群表面的噴霧冷卻研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)院工程物理研究所, 2010.
[20] VISARIA M, MUDAWAR I. Theoretical and Experimental Study of the Effects of Spray Inclination on Two-Phase Spray Cooling and Critical Heat Flux[J]. International Journal of Heat And Mass Transfer, 2008,51(8): 2398-2410.
[21] VISARIA M, MUDAWAR I. A Systematic Approach to Predicting Critical Heat Flux for Inclined Sprays[J]. Journal of Electronic Packaging, 2007, 129: 452-459.
[22] WANG Y Q, LIU M H. Experimental Study on the Effects of Spray Inclination on Water Spray Cooling Performance in Non-boiling Regime[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34: 933-942.
[23] 王亞青, 劉明侯, 劉東,等. 傾斜噴射時噴霧冷卻無沸騰區(qū)換熱特性[J]. 化工學(xué)報, 2009, 60(8):1912-1919.
[24] ZHANG Z, LI J. Experimental investigation of spray cooling on flat and enhanced surface[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 51:102-111.
[25] ZHANG P, RUAN L. Theoretical Study of the Effect of Spray Inclination on Spraying Cooling for Large-scale Electronic Equipment[J]. IERI Procedia, 2013, 4: 118-125.
[26] 孫根正, 王永平. 工程制圖基礎(chǔ)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2006.
Research Progress on Inclined Spray Cooling
LI Li-rong*, LIU Ni, HUANG Qian-wei
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Spray cooling is characterized by high heat exchange capability, small temperature difference between working fluid and heated surface, low coolant mass flux, low working fluid consumption, without boiling hysteresis and contact thermal resistance between working fluid and heated surface. In recent years, its application prospect has gotten widely attention in the field of electronic cooling. However, there is a lack of a uniform theory of spraying cooling for industry applications. The principle and characteristic of inclined spraying cooling were introduced, and the significant achievements in recent years on the effect of spray inclination angels to heat transfer were reviewed. The investigation results on inclined spraying cooling were summarized based on time sequence, including the spray nozzle movement orbits, the boundary curvilinear equation of the spraying action area with different spray inclination angles and the ways to further improve the heat transfer efficient. In addition, the difference of the existing experimental conclusions was analyzed emphatically and the available conclusions on the inclination angles were given. The advances in the applications of spray inclination were described briefly, and the key problems that have not been solved were discussed.
Inclined spray; Spray inclination angles; Heat transfer performance; Critical heat flux; Movement orbits
10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.204
*李麗榮(1990-),女,在讀研究生,碩士。研究方向:微噴冷卻技術(shù)。聯(lián)系地址:上海市楊浦區(qū)軍工路516號,郵編:200093。
聯(lián)系電話:18301932868。E-mail:llr_320@163.com。