微細(xì)通道納米制冷劑壓降波動特性研究

張 霖 羅小平

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

微細(xì)通道納米制冷劑壓降波動特性研究

張 霖 羅小平

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

為探究熱流密度、質(zhì)量通量和入口過冷度對微細(xì)通道流動沸騰壓降波動特性的影響，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b及純制冷劑R141b為工質(zhì)在水力直徑為1.33 mm的矩形微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行了流動沸騰實驗。結(jié)果表明：熱流密度從18.2 kW/m2增加到25.4 kW/m2時，工質(zhì)進(jìn)出口壓降波動更為劇烈；較大質(zhì)量通量和較高入口過冷度一定程度上可以使壓降波動更平緩；與純制冷劑相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b的壓降波動較為平緩，其壓降標(biāo)準(zhǔn)差最大降低了18%。

微細(xì)通道 納米制冷劑 流動沸騰 壓降波動

1 引 言

微通道換熱器是運(yùn)用在制冷、電子冷卻、生物工程等工程領(lǐng)域中的一種結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、高效的換熱器。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，55%的電子器件是使用過程中產(chǎn)生的熱量不能及時換熱掉[1]，導(dǎo)致溫度過高而燒壞。在相同工況條件下，使用微通道換熱器的空調(diào)系統(tǒng)的COP值相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)大約高出50%[2]。故將微尺度強(qiáng)化傳熱技術(shù)運(yùn)用到電子與制冷領(lǐng)域內(nèi)顯得尤為重要。

Tuo[3]通過高速攝像儀對微通道蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)中的流動沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)了在微通道內(nèi)流動沸騰過程中的周期性回流現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器的進(jìn)出口的壓降波動，并且壓降波動的幅度和頻率與熱流密度有顯著關(guān)系。 D.Bogojevic[4]等以去離子水為工質(zhì)，研究了矩形微通道內(nèi)流動沸騰的不穩(wěn)定特性。通過高速攝像儀對微通道內(nèi)流動沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了觀察，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)微通道內(nèi)出現(xiàn)回流現(xiàn)象時，進(jìn)口壓力波動為高幅低頻振蕩，出口壓力波動為低幅高頻振蕩，波動幅度和頻率與工質(zhì)入口過冷度、熱流密度、質(zhì)量通量有關(guān)。

在微細(xì)通道流動沸騰過程中，系統(tǒng)壓降的波動會對系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，會對儀器設(shè)備造成一定的損壞，研究表明，工質(zhì)中加入納米顆粒能對減小整套系統(tǒng)的壓降波動，但是關(guān)于熱流密度、質(zhì)量流量和入口過冷度對納米制冷劑的壓降不穩(wěn)定性的影響的研究較少。故本文主要分析熱流密度、質(zhì)量通量和入口過冷度對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b和純制冷劑R141b在水力直徑為1.33 mm的微細(xì)通道內(nèi)壓降波動的影響。

2 實驗設(shè)備與方法

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示。整套系統(tǒng)由實驗管路系統(tǒng)、實驗段和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗管路系統(tǒng)由磁力泵作為動力源，工質(zhì)一部分經(jīng)回流閥流回泵腔，另一部分由渦輪流量計進(jìn)入預(yù)熱水箱加熱到預(yù)定溫度，并由溫控儀保持恒溫，通過實驗段后經(jīng)冷卻水箱冷卻回流至泵腔。過濾網(wǎng)可除去較大粒徑固體雜質(zhì)防止堵塞槽道。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由安裝在實驗段上的測溫測壓傳感器組成，所測數(shù)據(jù)經(jīng)研華ADAM-6017數(shù)據(jù)采集模塊傳送到工控機(jī)里實時保存。

圖1 實驗系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of system process

實驗段如圖2所示。槽道是加工精度較高的電火花線切割加工的鋁基矩形微通道。槽道主體底部設(shè)有加熱板對其進(jìn)行加熱，兩者之間通過導(dǎo)熱硅脂連接，確保槽道受熱均勻，通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱功率。為保證實驗準(zhǔn)確性，用保溫棉對整個實驗段外側(cè)進(jìn)行包裹。實驗段參數(shù)如表1所示，L、W、H分別表示槽道整體長度、寬度、高度，Wch、Hch分別表示單個槽道寬、高，Ww表示槽道間距。

圖2 實驗段結(jié)構(gòu)圖1.透明有機(jī)玻璃;2.密封墊;3.進(jìn)口測壓孔;4.底座;5.工質(zhì)入口 6.加熱板;7.進(jìn)口測溫孔;8.壁面測溫孔;9.出口測溫孔;10.矩形槽道;11.工質(zhì)出口;12. 出口測壓孔;13.密封墊;14.鋁制蓋。Fig.2 Schematic diagram of tset section

mm

2.2 納米制冷劑的配置

本實驗所用工質(zhì)納米制冷劑采用分散法[5]制取。先將Al2O3納米顆粒與基液R141b按照0.8%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比，在容器內(nèi)進(jìn)行混合，再加入少量Span-80分散劑混合攪拌，形成納米粒子懸浮液，再用超聲波振蕩儀振蕩一定時間，形成均一穩(wěn)定的納米制冷劑溶液。本實驗配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)處理

水力直徑Dh計算式：

(1)

工質(zhì)流速平均流速u計算式：

(2)

式中:V為工質(zhì)的體積流量，m3/h；Sch=WchHch為單個微通道的流通面積，m2；N為微通道條數(shù)，本實驗N取18。

質(zhì)量通量G計算式為G=ρLμ，kg/(m2·s)；ρL為工質(zhì)液態(tài)密度，kg/m3。

因加熱板傳給工質(zhì)的熱量有一定損失，故定義平均有效熱流密度，利用傅里葉定理計算：

(3)

式中：ΔTi為每對測溫孔處上下的溫度差，ΔTi=[T2-T1,T4-T3,T6-T5,T8-T7],℃；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，實驗槽道材質(zhì)為鋁，取k=201 W/(m·℃)，δ為上下測溫孔的距離，取20 mm。

入口過冷度ΔTsub=Tsat-Tin，Tsat為操作壓力下工質(zhì)的飽和溫度，℃；Tin為工質(zhì)入口溫度。

總壓降Δptot為進(jìn)出口壓力傳感器所測壓力值的差。

流動沸騰過程中進(jìn)出口局部壓力的波動特性一般用進(jìn)出口壓降的波動特性來表征。壓降的波動幅度與頻率直接影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致系統(tǒng)中動力源負(fù)荷也會產(chǎn)生波動。本實驗研究質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b和純制冷劑R141b的壓降波動特性，且與熱流密度、質(zhì)量通量和入口過冷度的影響。

對于實驗中所測的進(jìn)出口壓力波動信號的處理，先將其差值壓降波動認(rèn)為是隨時間變化的一組離散序列數(shù)據(jù)，接著運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中的兩個特征參數(shù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差對壓降波動信號進(jìn)行定量表征，以便于好分析壓降波動信號的特性。

均值為：

(4)

式中：N為樣本數(shù)量；ΔPi為第i個樣本值。

均值反映了壓降波動信號變化的中心趨勢，代表在一定時間區(qū)域內(nèi)，壓降信號的平均水平，由于微通道流動沸騰過程中的壓降值是一直在波動的，為了確定某種特定工況下壓降波動信號在一定區(qū)域內(nèi)的值，故可以定義均值來對壓降波動信號進(jìn)行表征。

標(biāo)準(zhǔn)差為：

(5)

標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)了離散序列在均值上下的離散程度，即壓降波動信號與壓降均值的離散程度，文章主要是研究壓降波動特性，故可以將標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量壓降波動特性的一項重要指標(biāo)。

3.2 熱流密度對壓降波動的影響

圖3反映了在質(zhì)量通量為185 kg/(m2·s)、入口過冷度為8 ℃,熱流密度分別為18.2 kW/m2和25.4 kW/m2工況下，純制冷劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑在微通道內(nèi)的流動沸騰壓降波動情況。如圖3(a)與圖3(b)，在相同工況下，納米制冷劑的壓降波動標(biāo)準(zhǔn)差為0.36 kPa，比納米制冷劑為工質(zhì)時大8%；圖3(c)與圖3(d)中，相比與圖(a)與圖(b)，其熱流密度明顯更高，此時純制冷劑的波動標(biāo)準(zhǔn)差比納米制冷劑制冷劑高20%。

對比可知：熱流密度增大，壓降波動劇烈[6]，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。其主要原因為：當(dāng)質(zhì)量通量和入口過冷度相同時，熱流密度增大，氣化核心點密度增大，相應(yīng)產(chǎn)生的氣泡增多，大量小氣泡逐漸匯集成大氣泡，故使得壓降波動更劇烈。

圖3 兩種熱流密度下納米制冷劑與純制冷劑的壓降波動對比Fig.3 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of heat flux

3.3 質(zhì)量通量對壓降波動的影響

圖4反映了熱流密度為18.2 kW/m2和入口過冷度為8 ℃時，質(zhì)量通量分別為277 kg/(m2·s)和462 kg/(m2·s)工況下，純制冷劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑在微通道內(nèi)的壓降波動情況。質(zhì)量通量為277 kg/(m2·s)時，納米制冷劑的壓降波動與純納米制冷劑相比降低了6%；質(zhì)量通量為462 kg/(m2·s)時，兩者相差7%。

圖4 兩種質(zhì)量通量下納米制冷劑與純制冷劑壓降波動對比Fig.4 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of mass flux

對比可知：當(dāng)熱流密度和入口過冷度一定時，質(zhì)量通量較大時，壓降波動更平緩[7]，但影響較小。其主要原因為：質(zhì)量通量的增加使得工質(zhì)流速增大，通道內(nèi)產(chǎn)生的小氣泡會很快流過通道，減小了匯集成大氣泡的概率，對壓力波動影響較小。隨著質(zhì)量通量的持續(xù)增加，通道內(nèi)沸騰的程度也會一定程度的趨于平緩，壓降呈現(xiàn)小振幅的波動。

3.4 入口過冷度對壓降波動的影響

圖5反映了質(zhì)量通量為185 kg/m2·s和熱流密度為18.2 kW/m2時，入口過冷度分別為6 ℃和12 ℃的工況下，純制冷劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑在微通道內(nèi)的壓降波動情況。入口過冷度為12 ℃時，納米制冷劑的壓降波動標(biāo)準(zhǔn)差比純制冷劑低18%；入口過冷度為6 ℃時，兩者差異為8%。

圖5 兩種過冷度下納米制冷劑與純制冷劑壓降波動對比Fig.5 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of inlet subcooling

對比可知：當(dāng)熱流密度和質(zhì)量通量一定時，入口過冷度較大時，壓降波動較為平緩，其主要原因為：過冷度越大，產(chǎn)生氣泡所需能量越多，沸騰起始點位置后移，產(chǎn)生氣泡的位置也后移，氣泡運(yùn)動時間較短，匯集成大氣泡數(shù)量較少，壓降波動也會較為平緩。

綜合圖3到圖5的壓降波動情況可以發(fā)現(xiàn)納米制冷劑為工質(zhì)時，壓降的波動比純制冷劑更為平緩，壓降的波動標(biāo)準(zhǔn)差降低了6%—18%。這說明納米顆粒的加入一定程度上抑制流動沸騰的不穩(wěn)定性，使得壓降波動更為平緩[8-9]。

4 結(jié) 論

對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b和純制冷劑R141b為工質(zhì)的流動沸騰過程中進(jìn)出口壓降波動特性進(jìn)行了分析，分析了熱流密度、質(zhì)量通量和入口過冷度對進(jìn)出口壓降波動的影響，并引入均值、標(biāo)準(zhǔn)差來對壓降波動情況進(jìn)行了定量評估。得出以下結(jié)論：

(1) 與純制冷劑141b為工質(zhì)相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的納米制冷劑Al2O3-R141b壓降波動較為平緩，標(biāo)準(zhǔn)差最大降低了18%。

(2)在質(zhì)量通量為185 kg/(m2·s)、入口過冷度為8 ℃,條件下，微通道內(nèi)工質(zhì)在流動沸騰時，熱流密度為25.4 kW/m2的壓降波動比18.2 kW/m2的壓降波動更為劇烈。

(3)實驗工況范圍內(nèi)，較高質(zhì)量通量和較高入口過冷度可以一定程度上使壓降波動更為平緩，但其影響效果較小。

1 劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2007,28(5):286-289.

Liu Yibing. Research on heat dissipation technique for electronic equipment[J]. Electronics Process Technology, 2007,28(5):286-289.

2 王清偉,劉 斌,董小勇,等.不同熱負(fù)荷下微通道冷凝器的運(yùn)行特性[J].低溫工程,2014(5):58-62.

Wang Qinwei, Liu Bin, Dong Xiaoyong,et al. Performance characteristics of microchannel condonser under differeent hea-t loads[J]. Cryogenics, 2014(5):58-62.

3 Hanfei Tuo, Pega Hrnjak. Visualization and measurement of periodic reverse flow and boiling fluctuations in a microchannel evaporator of an air-conditioning system[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2014, 71:639-652.

4 Bogojevic D, Sefiane K, Walton A J, et al. Two-phase flow instabilities in a silicon microchannels heat sink [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2009, 30:854-867.

5 洪歡喜,武衛(wèi)東,盛 偉.納米流體制備的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2008,27(12):1923-1928.

Hong Huanxi, Wu Weidong, Sheng Wei. Research progress of preparation of nanofluids[J]. Chemical Industry and Engin-eering Progress, 2008,27(12):1923-1928.

6 Wang Yuan, Khellil Sefiane, Wan Zhenguo. Analysis of two-phase pressure drop fluctuations during micro-channel flow boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,70:353-362.

7 Wang Guodong, Cheng Ping. An experimental study of flow boiling instability in a single microchannel[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer,2008, 35:1229-1234.

8 徐 立,李玉秀,徐進(jìn)良.微通道中納米流體流動沸騰換熱性能研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報,2011,25(8):559-564.

Xu Li, Liu Yuxiu, Xu Jinliang. Flow boiling heat transfer performance of nanofluids in a micrachannel[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2011,25(8):559-564.

9 Basu N, Warrier G R, Dhir V K. Onset of nucleate boiling and active nucleation site density during subcooled flow boiling [J]. Journal of Heat Transfer, 2002,124: 717-728.

Research on pressure drop fluctuation of nanorefrigerant in microchannels

Zhang Lin Luo Xiaopin

(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

To investigate the influence of heat flux，mass flux and inlet subcooling on pressure drop fluctuation of nanorefrigerant in microchannels, experiment have been conducted through the aluminum-based rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.33 mm,which used Al2O3-R141b nanorefrigerants with a partical of 0.8%(mass fraction) and pure refrigerant as the working fluids. The results show that the heat flux increases from 18.2 kW/m2to 25.4 kW/m2,the pressure drop fluctuation of working fluids are more turbulent;The bigger mass flux and higher inlet subcooling can make pressure drop fluctuation more gradual.Compared with pure refrigerant, the pressure drop fluctuation of Al2O3-R141b nanorefrigerants with a partical of 0.8%(mass fraction) is more gradual,its standard deviation is reduced by 18%.

microchannels; nanorefrigerant; flow boiling; pressure drop fluctuation

2016-03-23；

2016-06-01

國家自然科學(xué)基金項目(21276090)項目資助。

張 霖，男，22歲，碩士研究生。

TB657,TB663

A

1000-6516(2016)03-0051-06