壓力參數(shù)對噴霧冷卻換熱特性影響的研究

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

噴霧冷卻因其換熱能力強、工質(zhì)用量小、冷卻均勻等特點，成為電子冷卻領(lǐng)域最受歡迎的冷卻方式之一[1]。一個實際應(yīng)用是惠普公司 Vondran等[2]設(shè)計的利用噴嘴產(chǎn)生制冷劑噴霧的電子芯片冷卻裝置，裝置體積小，散熱能力卻比現(xiàn)有冷卻方式增強10～100倍，熱流量最高可達(dá)到4.5×103W/cm2。

目前大多數(shù)關(guān)于噴霧冷卻的研究還處于試驗階段。陳東芳[3]認(rèn)為增大進(jìn)口壓力和霧滴速度可以提高換熱系數(shù)，主要由于進(jìn)口壓力增加，霧化效果更好；根據(jù)沖量定理，即使單個霧滴質(zhì)量減小，但霧滴速度的增加也能夠增強液膜擾動，從而提高噴霧冷卻的換熱系數(shù)和臨界熱流密度（Critical Heat Flux，CHF）。Yan等[4]以R134a為冷卻工質(zhì)，用氣助霧化噴嘴進(jìn)行實驗研究。結(jié)果表明：在較低表面溫度情況下，隨著噴嘴進(jìn)口壓力增大，表面溫差降低，蒸發(fā)壓力對表面最大溫差影響不大。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)隨著噴霧壓力的增大，噴霧流量相應(yīng)增大，相同熱流密度條件下，換熱表面平均溫度降低，換熱效果增強。文獻(xiàn)[6]研究了流量、流速、入口壓力以及熱源平板厚度對噴霧參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)流量與入口壓力越大，平板厚度越薄，得到的噴霧熱流密度越大，而僅增大流速不能使熱流密度增大。文獻(xiàn)[7]假設(shè)可根據(jù)噴霧壓力預(yù)測單相區(qū)的平均換熱系數(shù)，以此建立了理論模型，并結(jié)合實驗說明噴霧壓力可用于預(yù)測單相區(qū)的平均換熱系數(shù)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CHF隨著噴霧壓力升高而增大[8]。

降低系統(tǒng)壓力可以降低噴霧工質(zhì)對應(yīng)的飽和溫度，使噴霧在較低表面溫度下即可進(jìn)行劇烈的沸騰換熱，充分利用噴霧冷卻高效散熱性。Marcos等[9]研究發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻在封閉低壓環(huán)境中能獲得比常壓下更低的表面溫度。文獻(xiàn)[10]利用R404A進(jìn)行噴霧實驗時發(fā)現(xiàn)，噴霧高度為5 mm時，1 kPa系統(tǒng)壓力下的熱流密度是10 kPa壓力下的1.9倍。劉炅輝等[11]以R22為冷卻工質(zhì)得到了類似的實驗結(jié)果。噴霧腔體壓力升高，CHF會先增大后減小，存在最優(yōu)值，而被冷卻表面溫度則不斷升高，并在后期利用冷卻工質(zhì)R134a[12]驗證了這一結(jié)論。Liu和程文龍等[12-14]還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力降低，換熱能力可以得到很大提升，且會降低溫度分布的不均勻性。他們以蒸餾水為噴霧工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)低壓下噴霧冷卻遠(yuǎn)高于常壓下的換熱性能。隨著熱流密度的增加，較低高度下低壓系統(tǒng)噴霧冷卻的散熱性能優(yōu)勢更加明顯。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時，熱流密度和對流換熱系數(shù)呈指數(shù)下降，而對應(yīng)的壁面溫度則呈指數(shù)上升。但作者未對低壓下表面溫度的波動進(jìn)行研究，也沒有排除系統(tǒng)壓力對工質(zhì)流量的影響。

盡管已有學(xué)者對不同噴霧參數(shù)對噴霧冷卻性能的影響進(jìn)行了探討，但對封閉式系統(tǒng)噴霧冷卻的研究還不夠深入。本文以蒸餾水為工質(zhì)，實驗研究進(jìn)口壓力和系統(tǒng)壓力對封閉式噴霧冷卻換熱特性的影響，并探討進(jìn)口水溫、噴霧高度、加熱功率等參數(shù)對噴霧換熱特性的影響以及表面溫度均勻性隨系統(tǒng)壓力的變化。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗原理

本文設(shè)計并搭建了一套可視化循環(huán)式噴霧冷卻實驗系統(tǒng)，如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由噴霧系統(tǒng)、模擬加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。在實驗過程中，微型隔膜泵將液體噴霧工質(zhì)從儲液罐中抽出，經(jīng)過過濾器除去液體中的固體顆粒防止堵塞噴嘴，高壓液體進(jìn)入壓力緩沖器，最后經(jīng)流量計從噴嘴噴射到加熱表面進(jìn)行冷卻，液體工質(zhì)經(jīng)過冷凝流入儲液器，完成整個噴霧冷卻循環(huán)。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

模擬熱源被設(shè)計成上下兩部分，分別為直徑16 mm銅柱體與80 mm銅基座（內(nèi)嵌入加熱棒），以確保銅柱體軸向的一維導(dǎo)熱性。為精確測量銅柱體的軸向和徑向溫度分布，在銅柱的三層截面上鉆孔，內(nèi)置13個K型熱電偶(測量溫度≤300 ℃時，精度±1.2 ℃)，具體分布如圖2所示。為減小導(dǎo)熱熱阻，裝配時先在熱電偶探頭上涂一層導(dǎo)熱硅脂，再將熱電偶置于孔內(nèi)，并用耐高溫膠帶繞銅柱纏緊，以防熱電偶位置發(fā)生移動。

圖2 熱電偶孔分布圖Fig.2 The distribution diagram of thermocouples

1.2 噴霧性能評價參數(shù)

熱流密度：通過銅基座導(dǎo)熱的試驗，銅柱體在豎直方向視為一維導(dǎo)熱，將每層熱電偶測量的溫度值加權(quán)平均后作為該層平均溫度。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律可推導(dǎo)銅柱軸向熱流密度。

式中：λ表示紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)；δ表示相鄰兩層熱電偶的豎直距離；Tk1、Tk2、Tk3分別表示試驗銅柱至上而下每一層熱電偶所測溫度的平均值。

換熱表面平均壁面溫度：由銅柱軸向平均熱流密度和第一層熱電偶所測得的平均溫度推導(dǎo)而來。

式中：Tw表示換熱表面的平均溫度；Δδ表示第一層熱電偶至換熱壁面的豎直距離。

對流換熱系數(shù)：用于衡量噴霧冷卻換熱的性能。

式中：Tin表示噴嘴進(jìn)口處的工質(zhì)溫度。

溫度不均勻性：噴霧冷卻表面存在溫度不均勻性，本文利用表面五點溫度之間的最大差值ΔT來定義換熱表面溫度分布非均勻大小。

實驗系統(tǒng)存在兩種誤差：一是數(shù)據(jù)采集誤差，二是系統(tǒng)誤差。實驗所用K型熱電偶的精度為1級，其最大不確定度δT=±1.2 ℃；對熱電偶校核計算得出13只熱電偶溫差的最大不確定度δT=±0.9 ℃；紫銅導(dǎo)熱系數(shù)是λ=4.01 W/(m·℃)，不確定度為Δλ=±0.05 W/(m·℃)。熱電偶孔的位置由加工工藝確定，不確定度δΔx=±0.1 mm。噴嘴入口處的溫度由Pt100溫度傳感器測得，精度為1級，不確定度為δTf=±0.15 ℃。因此，計算得出：

熱流密度的最大誤差為

換熱表面的壁面溫度的最大誤差為

換熱系數(shù)的最大誤差為

總之，上述各影響因素會導(dǎo)致實驗結(jié)果存在一定偏差，但滿足實驗精度的要求，對噴霧冷卻換熱表面溫度的總體變化趨勢不產(chǎn)生影響。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 進(jìn)口壓力對噴霧冷卻換熱特性的影響

在一定加熱功率、不同進(jìn)口水溫以及不同噴霧進(jìn)口壓力下的換熱特性曲線如圖3和圖4所示。當(dāng)進(jìn)口溫度一定時，隨著噴霧進(jìn)口壓力增大，壁面平均溫度降低，同時噴霧冷卻換熱系數(shù)提高。如進(jìn)口水溫為 26 ℃時，進(jìn)口壓力從 340 kPa增大到 520 kPa，壁面平均溫度從96.7 ℃降至90.4 ℃，對應(yīng)的換熱系數(shù)從 0.98 W/(cm2·℃)升高至 1.18 W/(cm2·℃)，換熱能力提高了20.4%。而進(jìn)口壓力一定時，較高的進(jìn)口水溫顯示出較強的換熱能力，但對應(yīng)的表面平均溫度也較高。從實驗結(jié)果可看出進(jìn)口壓力對換熱特性的影響較大。

圖3 不同進(jìn)口水溫下噴霧壓力與表面溫度的關(guān)系Fig.3 Surface temperature as a function of spray pressure at different inlet water temperatures

圖4 不同進(jìn)口水溫下?lián)Q熱系數(shù)與噴霧壓力的關(guān)系Fig.4 Heat transfer coefficient as a function of spray pressure at different inlet water temperatures

隨著噴嘴進(jìn)口壓力增大，液滴的出口速度和液滴數(shù)密度增大，而液滴的粒徑減小，有利于穿透液膜，增強對液膜的擾動。液滴在換熱壁面上的徑向速度分量變大，從而使液膜在加熱表面上的排除速度加快，即液膜在壁面上的沖刷作用增強，換熱作用得到強化。實驗觀察高清攝像機對液體表面的拍攝情況，發(fā)現(xiàn)提高噴霧進(jìn)口壓力后，有大量的小液滴從壁面飛濺出，主要是由于液滴速度增大，韋伯?dāng)?shù)和雷諾數(shù)增大，當(dāng)液滴的 Sommerfled數(shù)K高于57.7時[15]，噴霧液滴通過液膜后會飛濺出大量的小液滴，加快了液膜的排除速度，從而使噴霧冷卻換熱能力得到增強。較低進(jìn)口壓力下(340 kPa)壁面溫度接近 100 ℃，液膜離開換熱表面之前已達(dá)到飽和狀態(tài)，因此進(jìn)口水溫的影響較小。隨著進(jìn)口壓力的增大(520 kPa)，液膜離開換熱表面之前未達(dá)到飽和狀態(tài)，此時換熱機理主要為液膜與壁面之間的強迫對流換熱，液膜與壁面之間的溫差對換熱的影響較大。液膜在相同的受熱時間內(nèi)，工質(zhì)進(jìn)口溫度較低時換熱能力更強，從而使得表面平均溫度更低。

2.2 系統(tǒng)壓力對噴霧冷卻換熱特性的影響

為研究系統(tǒng)壓力對噴霧冷卻的換熱影響，本節(jié)進(jìn)行了兩組實驗。第一組設(shè)定加熱功率300 W，保持其他噴霧參數(shù)不變，研究系統(tǒng)壓力對換熱性能的影響。第二組加熱功率從低到高進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究真空和常壓環(huán)境下噴霧高度對換熱特性的影響。具體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)壓力對換熱影響的實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of system pressure on heat transfer

圖5表示Case1中表面平均溫度及熱流密度隨腔體壓力變化的趨勢。從圖中可以看出，隨著系統(tǒng)壓力從常壓(101 kPa)降至5 kPa，表面溫度呈指數(shù)下降趨勢，從107.5 ℃降到74.8 ℃，降幅達(dá)32.7 ℃。而熱流密度呈指數(shù)上升趨勢，從118.3 W·cm–2升至143.6 W·cm–2，漲幅達(dá)21.4%。主要是由于系統(tǒng)壓力降低使蒸餾水的飽和溫度相應(yīng)變低，換熱提前進(jìn)入兩相區(qū)。實驗中，當(dāng)常壓下達(dá)到熱平衡后開始對腔體抽真空，最低降至5 kPa，對應(yīng)蒸餾水的沸點從100 ℃降低到42 ℃，意味著較低的表面溫度即可使噴霧冷卻進(jìn)行劇烈的沸騰換熱，換熱能力得到大幅提升。其次，噴嘴進(jìn)口壓力保持不變，噴霧腔體內(nèi)壓力減小，噴霧進(jìn)出口壓差增大，工質(zhì)流量逐漸增大，霧滴速率及霧滴密度相應(yīng)增大，噴霧冷卻換熱性能也將隨之增大。另外，降低系統(tǒng)壓力也可以有效地減弱甚至避免銅柱表面被空氣中的氧氣氧化，使壁面和噴霧蒸餾水之間可以進(jìn)行高效換熱。

圖5 定加熱功率時換熱系數(shù)和表面溫度隨系統(tǒng)壓力的變化Fig.5 Effect of system pressure on heat transfer coefficient and surface temperature at constant heating power

圖6 常壓與低壓環(huán)境下的熱流密度曲線Fig.6 Heat flux curves in atmospheric and low pressure environment

圖7 常壓與低壓環(huán)境下的換熱系數(shù)曲線Fig.7 Heat transfer coefficient curves in atmospheric and low pressure environment

圖6和圖7分別給出了Case2中熱流密度及換熱系數(shù)隨熱源表面溫度的變化。從圖中可以看出，同一噴霧高度低壓環(huán)境下的噴霧冷卻換熱性能遠(yuǎn)高于常壓下的換熱性能。從換熱曲線可明顯看出單相區(qū)到兩相區(qū)的轉(zhuǎn)變。如系統(tǒng)壓力為10 kPa，高度為12 mm時，表面溫度約為67 ℃時換熱開始進(jìn)入兩相區(qū)，而常壓(101 kPa)條件下表面溫度約93 ℃時噴霧冷卻才能進(jìn)行劇烈的核態(tài)沸騰換熱。實驗結(jié)果表明噴霧高度對低壓及常壓下的噴霧換熱性能均產(chǎn)生明顯的影響。

分析認(rèn)為，抽真空使得系統(tǒng)壓力降至10 kPa時，對應(yīng)蒸餾水的飽和溫度為45 ℃，噴霧到達(dá)換熱表面上更容易發(fā)生蒸發(fā)，沸騰換熱得以較快發(fā)生。降低噴霧高度提高了工質(zhì)有效流量，更多的工質(zhì)參與換熱，從而帶走更多的熱量。并且液滴速度和密度逐漸增加，對換熱表面的沖刷作用增強，強化了換熱，使單相區(qū)的強迫對流換熱增強，兩相區(qū)時液膜的擾動更加劇烈并有效補充因沸騰換熱而蒸發(fā)掉的水分，避免或減緩壁面干涸區(qū)的形成。因此，較低噴霧高度下的噴霧冷卻換熱具有更高的CHF，噴霧冷卻換熱性能較高，蒸餾水利用率極高。

2.3 系統(tǒng)壓力對溫度不均勻性的影響

圖8給出了加熱功率(250 W，熱流密度大約為108 W/cm2)一定時常壓和真空環(huán)境下?lián)Q熱表面的溫度分布。由圖可知，常壓和真空環(huán)境下表面溫度分布具有相同的特征，即表面中心處溫度最高，其次是表面邊緣處，表面中部區(qū)域的溫度最低。位置對稱點的溫度分布具有一定的對稱性，但不嚴(yán)格對稱。壓力從101 kPa下降為10 kPa時，表面最大溫差ΔT從12.8 ℃降低到5.7 ℃，真空環(huán)境下的溫度不均勻性較常壓下得到明顯改善。

圖8 表面不同半徑處溫度分布Fig.8 Temperature distribution on the surface

在噴霧冷卻單相區(qū)，換熱方式主要是液膜的強迫對流換熱，在表面中心區(qū)域，液膜流動緩慢且厚度大，換熱較差。中部區(qū)域由于直接受到液滴的沖擊作用，液滴速度和密度較大，沖刷作用強，液膜厚度小，換熱能力較強，因此表面溫度最低。而外圍區(qū)域液膜排出速度減小，厚度增加，液膜內(nèi)部擾動作用減弱，導(dǎo)致此區(qū)域壁面溫度較高。另外，由于霧化本身的不均勻性、熱電偶測量誤差及換熱時各種因素的綜合影響，使對稱點的溫度分布不具有嚴(yán)格意義上的對稱性。

系統(tǒng)壓力降低時，工質(zhì)沸點降低，噴霧更容易發(fā)生相變，換熱表面上噴霧的蒸發(fā)率得以提高，換熱能力大幅度提升，從而有效減小各表面溫度及表面最大溫差，相變換熱的強化在一定程度上減小了因液膜分布不均而導(dǎo)致的表面溫差。因此，降低系統(tǒng)壓力可以明顯改善換熱表面溫度的不均勻性。

3 結(jié)論

本文采用光滑表面，以蒸餾水為工質(zhì)研究了噴霧壓力和系統(tǒng)壓力對噴霧冷卻換熱特性的影響及真空度對換熱表面溫度不均勻性的影響，結(jié)論如下：

（1）在一定加熱功率下，研究了不同進(jìn)口水溫條件下，進(jìn)口壓力從340 kPa增加到520 kPa時對噴霧冷卻換熱系數(shù)與被冷卻表面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)提高噴霧進(jìn)口壓力能同時提高噴霧冷卻熱流密度和降低表面平均溫度，而提高入口水溫雖能提高噴霧冷卻熱流密度，但表面平均溫度也相應(yīng)升高。

（2）在有效流量一定時，試驗對比研究了系統(tǒng)壓力為常壓（101 kPa）與部分真空（5 kPa和10 kPa）條件下，噴霧冷卻表面溫度、熱流密度、換熱系數(shù)的變化。結(jié)果表明噴霧高度會影響噴霧冷卻換熱性能，低壓環(huán)境下的噴霧冷卻換熱性能比常壓下的換熱性能明顯提高，且表面溫度不均勻性也得到有效的改善。

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