潛熱型功能熱流體在微小管道內(nèi)的換熱特性

劉東，何蔚然，鐘小龍，胥海倫

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

研究開發(fā)

潛熱型功能熱流體在微小管道內(nèi)的換熱特性

劉東，何蔚然，鐘小龍，胥海倫

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

針對現(xiàn)代電子器件的散熱需求，采用潛熱型功能熱流體為工作介質(zhì)進行實驗，并搭建流動換熱實驗臺，研究5%、10%和15%質(zhì)量分數(shù)下潛熱型功能熱流體與去離子水在微小圓形管道內(nèi)的換熱特性，結(jié)果表明，在雷諾數(shù)Re為300～1000范圍內(nèi)，潛熱型功能熱流體均表現(xiàn)出比水更好的冷卻性能及更低的壁面溫度，在實驗測試范圍內(nèi)，相變引起的壁面溫度降低率最大可達26.8%；潛熱型功能熱流體平均Nu隨著流動Re數(shù)的增加而增加，并通過對實驗數(shù)據(jù)分析，擬合了平均Nu數(shù)與流動Re數(shù)、質(zhì)量濃度和流體Pr數(shù)的經(jīng)驗公式，最大偏差不超過7.5%，可以較好反應(yīng)潛熱型功能熱流體的換熱特性；潛熱型功能熱流體沿著管道長度方向的強化換熱比與潛熱型功能熱流體濃度及流動Re數(shù)有關(guān)，存在強化換熱的最佳長度。

潛熱型功能熱流體；相變；懸浮液；傳熱

隨著電子元件微型化的發(fā)展，單位面積上晶體管數(shù)量越來越多，散熱問題也越來越嚴重［1-3］。微小結(jié)構(gòu)冷卻技術(shù)由于其大比表面積的特點，在相同的體積下可以帶走大量的熱量而被廣泛應(yīng)用。從強化換熱方式而言，一是增加對流換熱系數(shù)，二是增加傳熱溫差，如果在微小結(jié)構(gòu)中增加傳熱介質(zhì)表觀比熱容，這樣就可以增加傳熱溫差，從而提高換熱效率達到更好的冷卻效果。潛熱型功能熱流體是在單相傳熱流體中加入相變微膠囊而構(gòu)成的一種多相流體。與普通單相傳熱流體相比，由于其存在相變過程，在其相變段可大大增加傳熱介質(zhì)的表觀比熱容，理論上分析可以強化換熱，因此受到研究者的關(guān)注［4］。

GOEL等［5］對相變微膠囊懸浮液在長300mm、管徑3.14mm圓管內(nèi)流動換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與蒸餾水相比，相變微膠囊懸浮液可以使圓管壁面溫度降低近 50%。INABA等［6］對相變微膠囊懸浮液在長5850mm、管徑15mm圓管內(nèi)換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果表明，與單相流體相比，相變微膠囊懸浮液的局部努謝爾數(shù)Nu更大，相同雷諾數(shù) Re下平均對流換熱系數(shù)是單相流體的2～2.8倍。MULLIGAN等［7］對相變微膠囊懸浮液在長910mm、管徑6.1mm圓管內(nèi)流動換熱特性進行實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相變微膠囊懸浮液能夠使系統(tǒng)的壁面溫度降低，提高換熱流體的有效比熱和對流換熱系數(shù)。郝英立等［8］對相變微膠囊懸浮液在長736.6mm、管徑6.78mm圓管內(nèi)換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與單相流體相比，相變微膠囊顆粒的加入能夠使流體與壁面之間的換熱大大增強，且流體強化對流換熱的效果主要集中在融化段并隨相變微膠囊懸浮液濃度的增加而增強。王利等［9］對相變微膠囊懸浮液在長 3.4m、管徑5.11mm圓管內(nèi)流動換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果表明，相同雷諾數(shù) Re下，相變微膠囊懸浮液修正努謝爾數(shù)Nu是水的3.0倍。魯進利等［10］對相變微膠囊懸浮液在長800mm、管徑2mm圓管內(nèi)的換熱特性進行了實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與單相流體相比，相變微膠囊懸浮液可以大大強化換熱，當單相流體的流動狀態(tài)為層流時，低濃度的相變微膠囊懸浮液Nu數(shù)是單相流體的2～4倍。

從以上的研究中發(fā)現(xiàn)，相變微膠囊的加入可以增強換熱，但是大多數(shù)研究針對宏觀尺度進行，而對于潛熱型功能熱流體在 2mm以下內(nèi)的流動換熱特性的研究很少，同時隨著管道尺度的減小，相變微膠囊顆粒在邊界層內(nèi)的數(shù)量也隨之增多，此時換熱特性和常規(guī)尺度不同。本文自行搭建實驗臺，對1mm圓管內(nèi)潛熱型功能熱流體的流動換熱特性進行實驗研究，并分析相變微膠囊濃度、Re數(shù)等對圓管換熱特性的影響。

1 實驗裝置和實驗方法

實驗系統(tǒng)如圖1所示，潛熱型功能熱流體在低溫恒溫槽1內(nèi)加熱到預(yù)定溫度，由機械隔膜泵2抽出，經(jīng)過脈動阻尼器3的緩沖以及流量調(diào)節(jié)閥4、8分流作用，使預(yù)定流量的潛熱型功能熱流體通過流量計5，進入實驗段6進行換熱，換熱后的流體通過一個敞開的帶有流量刻度線的燒杯7流回低溫恒溫槽，如此往復(fù)循環(huán)。進入實驗段的相變微膠囊懸浮液流量由主循環(huán)回路流量調(diào)節(jié)閥4和旁通回路流量調(diào)節(jié)閥8共同調(diào)節(jié)，并通過標定后的轉(zhuǎn)子流量計5測得。實驗時固定潛熱型功能熱流體實驗段入口溫度為37℃，壁面熱流密度固定為q=46.68kW/m2。

本實驗流動換熱通道采用的是長300mm、內(nèi)徑1mm的紫銅管制作而成，具體尺寸見表1。為了得到潛熱型功能熱流體對流換熱過程中管壁的壁面溫度，在銅管外表面每隔20mm焊接一個K形熱電偶（圖2），K形熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀11相連，由計算機輸出。實驗加熱采用電加熱方式，在實驗段外均勻纏繞加熱絲，通過調(diào)節(jié)加熱絲兩端的調(diào)壓器的輸入電壓來控制加熱功率。同時為了減少實驗過程中加熱段的熱量散失和更好固定加熱段，將紫銅管密封在四氟棒槽道內(nèi)形成實驗段（圖3）。

圖1 實驗系統(tǒng)流程圖

表1 紫銅管幾何參數(shù)

圖2 1mm圓管外裹加熱絲實物圖

圖3 1mm圓管實驗段實物圖

2 潛熱型功能熱流體熱物理性質(zhì)

配制潛熱型功能熱流體所用的相變微膠囊如圖4所示，其芯材為石蠟相變材料，壁材為密胺樹脂，其外觀為白色粉末，含有68%石蠟相變材料和32%密胺樹脂，平均粒徑約為8μm，為了測試其相變特性，對其進行了DSC熱分析，圖5為相變微膠囊DSC圖。從圖5中可知，相變微膠囊顆粒存在兩個相變區(qū)間，一個是相變溫度約為 37℃的相變區(qū)間，另一個是相變溫度約為50℃的相變區(qū)間，兩個區(qū)間相變焓約為100J/g，將該相變微膠囊粉末與蒸餾水按質(zhì)量分數(shù)配制成5%、10%和15%潛熱型功能熱流體，為了測試其分散性，采用高倍顯微鏡對潛熱型功能熱流體進行觀察，發(fā)現(xiàn)相變微膠囊在蒸餾水中具有很好的分散性（圖6）。

運用文獻［5，11-13］的相關(guān)公式，得出潛熱型功能熱流體密度ρb、熱導(dǎo)率kb、黏度ub等物性參數(shù)，如表2所示。

圖4 相變微膠囊電鏡

圖5 相變微膠囊顆粒DSC圖

圖6 潛熱型功能熱流體顯微鏡圖

表2 潛熱型功能熱流體相關(guān)熱物性參數(shù)

3 數(shù)據(jù)處理及不確定度

3.1 數(shù)據(jù)處理

實驗流體與圓管管壁流動換熱過程中的換熱量可由式（1）獲得。

式中，Tin為實驗流體入口溫度，℃；Tout為實驗流體出口溫度，℃；cp為實驗流體比熱容，kJ/（kg·K）（對于相變微膠囊懸浮液取平均比熱容）；m為實驗流體質(zhì)量流量，kg/s。

圓管換熱的熱流密度可由式（2）獲得。

式中，q為熱流密度，W/m2；Aw為圓管內(nèi)表面積，m2；Di為圓管內(nèi)徑，m；L為圓管管長，m。

圓管內(nèi)壁溫度Tw，x由焊接在圓管外表面的熱電偶測得并通過傅里葉定律求出；根據(jù)流體進出口溫度，將流體沿管道流動方向考慮成線性變化；實驗流體與圓管管壁之間平均努謝爾數(shù)Num由局部努謝爾數(shù)Nux求平均值得到，因此，對流換熱系數(shù)、流體溫度、潛熱型功能熱流體表觀比熱容、局部努謝爾數(shù)Nux等可由式（3）～式（6）獲得。

式中，ΔTx為圓管內(nèi)壁溫度 Tw，x和流體溫度Tb，x的差，℃；kb為流體熱導(dǎo)率，W/（m·K）。為潛熱型功能熱流體在 Tin到 Tx之間平均比熱容；cp，b為相變微膠囊顆粒 DSC熱分析得出的潛熱型功能熱流體的比熱隨溫度變化的局部比熱容，kJ/（kg·K）。

為了表述潛熱型功能熱流體隨著流動方向的溫度變化，考慮入口溫度的波動對壁面溫度的影響，特定義量綱為1壁面溫度I，見式（7）。

為了更好表征不同濃度的潛熱型功能熱流體對壁面溫度降低的貢獻，取不同濃度潛熱型功能熱流體管段末端處的量綱為1壁面溫度I與該處去離子水量綱為1壁面溫度的差值，并以此差值與去離子量綱為1壁面溫度I的比值，并定義為相變壁面溫度降低率，見式（8）。

同時定義局部換熱強化比ηx表征潛熱型功能熱流體的強化換熱效果，見式（9）。

3.2 實驗不確定度

實驗中，標定后的熱電偶精度為±0.4℃，轉(zhuǎn)子流量計測量前用質(zhì)量稱重法進行標定，標定中所用電子秤精度為±1g，使用精度為0.02mm的游標卡尺進行長度測量，并根據(jù)誤差分析計算，結(jié)果見表3。

表3 實驗不確定度

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 量綱為1壁面溫度I沿流動方向分布規(guī)律

圖7分別為不同雷諾數(shù)條件下、不同濃度的潛熱型功能熱流體量綱為1壁面溫度I沿流動方向的分布規(guī)律。從圖7中可以看出，在Re數(shù)一定的情況下，壁面固定位置上量綱為1壁面溫度I隨著潛熱型功能熱流體濃度的增加而降低，這是由于隨著潛熱型功能熱流體濃度的增加，相變材料量增大，相變潛熱增加，使得流體在吸熱后溫度增加較小，在相同的熱流密度下，其壁面溫度增加也較??；同時隨著濃度增加，相變顆粒數(shù)量增加，擾動增強，也強化了流體內(nèi)部換熱。

圖8給出了相變壁面溫度降低率隨著雷諾數(shù)的變化關(guān)系。從圖8中可知，相同Re數(shù)情況下，隨著潛熱型功能熱流體質(zhì)量濃度的增加，壁面溫度降低率增大。而在相同的濃度下，壁面溫度降低率隨著 Re數(shù)的變化不是很明顯。說明潛熱型功能熱流體的濃度是影響壁面溫度的主要因素。從傳熱學分析，隨著潛熱型功能熱流體濃度的增加，其相變材料占比增大，在相同的加熱功率下，流體自身溫度較無相變材料的去離子水升高低，這樣在相同的換熱條件下，壁面溫度自然降低。而 Re數(shù)決定流體的流動狀態(tài)，相同濃度下，在實驗范圍內(nèi)，流體處于層流狀態(tài)，流動狀態(tài)沒有發(fā)生改變，因此其壁面溫度降低率受Re數(shù)影響不大。

4.2 潛熱型功能熱流體換熱特性

從以上分析可以知道，潛熱型功能熱流體濃度增加可以使壁面溫度降低，而強化換熱量是以 Nu數(shù)為表征的，圖 9給出了不同濃度下管道換熱平均Nu數(shù)隨著Re數(shù)的變化關(guān)系。從圖9中可以看出，Nu數(shù)隨著 Re數(shù)的增加而增加，不同濃度的潛熱型功能熱流體對換熱的影響不一致，當 Re數(shù)較小時，Nu數(shù)隨著濃度的增加而降低，當Re數(shù)較大時則相反。從潛熱型功能熱流體的熱物理性質(zhì)可以知道，隨著濃度的增加，潛熱型功能熱流體的導(dǎo)熱系數(shù)降低，同時潛熱量增加。在Re數(shù)較小時，潛熱型功能熱流體在管段內(nèi)充分換熱，潛熱量完全釋放，因此在管段換熱的全過程中，導(dǎo)熱熱阻起決定性作用，因此，Nu數(shù)隨著濃度的增加而降低。但是當Re數(shù)較大時，相變潛熱在換熱中發(fā)揮了較大的作用，因此濃度越高，換熱效果越好。

圖7 量綱為1壁面溫度I流動方向分布規(guī)律

考慮流體Re數(shù)、流體Pr數(shù)和質(zhì)量濃度的影響，將實驗數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗公式如式（10）。

式中，c為相變微膠囊懸浮液質(zhì)量濃度。

圖10為實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式對比圖。從圖10中可以看出，經(jīng)驗公式（10）和實驗數(shù)據(jù)最大偏差為7.5%，因此該擬合公式可以很好地表述潛熱型功能熱流體在微小圓管內(nèi)的流動換熱特性。

圖8 壁面溫度降低率D隨雷諾數(shù)Re變化關(guān)系圖

圖9 平均Nu數(shù)隨著Re數(shù)的變化關(guān)系圖

圖10 擬合公式計算Nu數(shù)與實際對比

4.3 局部換熱強化比ηx隨流動長度的變化關(guān)系

圖11為局部換熱強化比ηx沿流動方向分布規(guī)律，從圖中可以看出在實驗 Re范圍內(nèi)，存在換熱強化特性相反的兩個區(qū)域，在流動開始端，換熱強化比大于零（即換熱效果比水好的區(qū)域），在流出端，換熱強化比小于零（即換熱效果比水差區(qū)域），說明潛熱型功能熱流體濃度不同時存在最佳的管道長度。當潛熱型功能熱流體在流入管道時，其溫度低于相變溫度，與管壁之間對流換熱、吸收熱量，并達到融化溫度時開始相變，此時由于相變的存在，管段前部分表現(xiàn)出比水更好的換熱效果，隨著換熱的進行，潛熱型功能熱流體完全相變后無法表現(xiàn)其強化換熱特性，同時由于潛熱型功能熱流體比水傳熱系數(shù)低，因此在對流換熱中，其效果較水差，因此在設(shè)計潛熱型功能熱流體為工質(zhì)的換熱器時應(yīng)充分考慮管道長度的因素。

圖11 局部換熱強化比ηx沿流動方向分布規(guī)律

為了更好地定義換熱強化轉(zhuǎn)化區(qū)域，表4列出了不同濃度潛熱型功能熱流體和 Re情況下?lián)Q熱轉(zhuǎn)折點的位置。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，當潛熱型功能熱流體濃度較低時，其轉(zhuǎn)折點位置隨著 Re的增加而提前；而潛熱型功能熱流體濃度較高時，其轉(zhuǎn)折點位置隨著 Re的增加而推后，這是由于潛熱型功能熱流體中相變微膠囊的擾動而導(dǎo)致的，低濃度下相變微膠囊數(shù)量較少，此時擾動較難，因此相變不容易發(fā)生，因此強化換熱段較長，而高濃度的潛熱型功能熱流體則剛好相反。

表4 不同濃度及Re數(shù)下潛熱型功能熱流體強化換熱轉(zhuǎn)折點位置

5 結(jié) 論

針對潛熱型功能熱流體在微圓管內(nèi)的流動換熱特性進行實驗研究，得到了以下結(jié)論。

（1）在雷諾數(shù)Re=300～1000范圍內(nèi)，濃度為5%、10%和15%潛熱型功能熱流體均表現(xiàn)出比水更好的冷卻性能，對應(yīng)著更低的壁面溫度，且隨濃度的增加壁面溫度降低的幅度增大。在實驗測試范圍內(nèi)，相變引起的壁面溫度降低率最大可達26.8%。

（2）潛熱型功能熱流體平均Nu隨著Re數(shù)的增加而增加，考慮流體 Re數(shù)、圓管長徑比和流體Pr數(shù)的影響，擬合相關(guān)實驗經(jīng)驗公式，最大誤差不超過7.5%。

（3）沿管道方向潛熱型功能熱流體強化換熱比與濃度及雷諾數(shù)有關(guān)，存在最佳的管道長度。

符 號 說 明

c —— 質(zhì)量分數(shù)，%

Di—— 管道內(nèi)徑，m

Do—— 管道外徑，m

f —— 流量，kg/s

hm—— 平均對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）

k —— 銅管熱導(dǎo)率，W/（m·K）

kb—— 流體熱導(dǎo)率，W/（m·K）

L —— 管段長度，m

Num—— 平均努謝爾數(shù)

Pr —— 普朗特數(shù)

Q —— 加熱功率，W

Re —— 雷諾數(shù)

ΔTm—— 壁面流體平均溫差，℃

ub—— 黏度，Pa·s

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The heat transfer characteristics of latent functionally thermal fluid in micro tube

LIU Dong，HE Weiran，ZHONG Xiaolong，XU Hailun
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

Due to its excellent heat transfer properties，the latent functionally thermal fluid shows a promise of application in high efficiency heat transfer area such as modern electronic devices cooling. To study the performance of the fluid，the heat transfer characteristics of 5%，10% and 15% mass concentration latent functionally thermal fluid as well as the deionized water was experimentally investigated in the present work. The results showed that the average Nu number increased with Re number，and by cooling with latent functionally thermal fluid，the temperature of the wall could be reduced by 26.8% compared with the deionized water for Re number ranging from 300—1000. To clearly demonstrate the relationship between the Nu number，Re number，mass concentration and Pr number，an experimental formula was further fitted based on the experimental data，the maximum relative error of 7.5%，acceptable for experiments. According to these results，a conclusion can be made that the heat enhancement ratio of the latent functionally thermal fluid on the length direction of the pipe is related to the mass concentration and Re number，moreover，there exists an optimum length，in which the heat transfer is most enhanced.

latent functionally thermal fluid；phase change；suspension；heat transfer

TK 124

A

1000-6613（2016）10-3042-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.005

2016-04-01；修改稿日期：2016-05-18。

國家自然科學基金項目（51306156）。

及聯(lián)系人：劉東（1984—），男，博士，副教授，主要從事高熱流密度器件冷卻的研究。E-mail dtld123@126.com。