泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)池沸騰換熱特性的影響

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

沸騰換熱具有比單相流換熱更高的熱流密度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，在制冷空調(diào)系統(tǒng)換熱器中具有重要應(yīng)用。泡沫金屬具有金屬材料的高導(dǎo)熱率特點(diǎn)，因其高孔隙率和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)而具有超大比表面積[1]，能夠有效提高傳熱面積[2-3]、減小邊界層熱阻[4]、增加發(fā)泡點(diǎn)[5]，有望成為強(qiáng)化沸騰換熱的重要材料。為了將泡沫金屬應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)換熱器，應(yīng)明確泡沫金屬結(jié)構(gòu)變化對(duì)制冷劑池沸騰換熱的影響規(guī)律。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫金屬表面池沸騰換熱研究包括電子冷卻液[6-7]、水[8-14]及制冷工質(zhì)[15-18]。針對(duì)電子冷卻液的研究結(jié)果表明，低孔隙率和高孔密度有助于強(qiáng)化泡沫金屬中的池沸騰換熱[6]，但在高孔密度泡沫金屬中，隨著厚度減小，沸騰換熱先惡化后加強(qiáng)[7]。針對(duì)水在開孔泡沫金屬中的池沸騰傳熱研究結(jié)果顯示，泡沫金屬可以降低沸騰起始過熱度，增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，但在泡沫金屬厚度達(dá)到30 mm時(shí)，由于氣泡逸出受限，沸騰換熱弱于平表面[8]。目前已有研究開發(fā)了水[12-14]和含油制冷劑[15-18]在泡沫金屬表面沸騰換熱的關(guān)聯(lián)式。由于水的蒸發(fā)溫度較高，不適用于制冷空調(diào)系統(tǒng)，而已有的制冷劑池沸騰換熱關(guān)聯(lián)式[17]針對(duì)的是制冷劑中含油量的影響，對(duì)泡沫金屬結(jié)構(gòu)的影響分析較少，有待于進(jìn)一步開展泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)換熱特性的影響研究。

本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的泡沫金屬加熱表面制冷劑池沸騰特性進(jìn)行研究，明確泡沫金屬孔密度、孔隙率及厚度參數(shù)的影響，并開發(fā)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括密封容器、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 泡沫金屬池沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)密封容器為不銹鋼箱體。箱體側(cè)面開有視窗用于照明并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；頂部焊接有冷凝盤管，內(nèi)通冷凝水用于冷凝制冷劑，維持容器內(nèi)壓力；容器內(nèi)懸掛一支熱電偶，用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的溫度Tf，頂部安裝一臺(tái)壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)容器內(nèi)壓力；容器頂部與底部分別安裝一閥門，用于充注與排空制冷劑。

加熱系統(tǒng)位于容器底部，包括主加熱系統(tǒng)與輔助加熱器。主加熱系統(tǒng)主體為一銅導(dǎo)熱塊，底部插入3根電加熱棒，連接至調(diào)壓電源，加熱功率在0～500 W范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。導(dǎo)熱塊上部導(dǎo)熱柱高度為40 mm，邊長(zhǎng)為25 mm，包裹在絕熱性良好的特氟龍材料中，熱量在其中可視為一維傳導(dǎo)。導(dǎo)熱柱內(nèi)布置5個(gè)熱電偶，熱電偶間距為5 mm,插入導(dǎo)熱柱的深度為12.5 mm，位置如圖1所示。導(dǎo)熱銅柱頂部加熱面通過錫焊方式焊接泡沫銅，與容器內(nèi)制冷劑接觸進(jìn)行池沸騰換熱。本文采用的制冷劑為R141b，原因在于R141b常壓下飽和溫度約為30 ℃，略高于室溫，可在常壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)于裝置的耐壓、密封和保冷性能要求較低。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、壓力傳感器、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)組成。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣件

本文的實(shí)驗(yàn)樣件是邊長(zhǎng)為25 mm的正方形泡沫銅塊，如圖2所示。為探究泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)池沸騰換熱的影響，樣件涵蓋不同的孔密度PPI (pores per inch，單位英寸長(zhǎng)度上的平均孔數(shù))、孔隙率ε(孔隙體積與泡沫金屬總體積之比)、厚度H(mm)及相應(yīng)比表面積asf(m2/m3)[19]，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 泡沫銅樣件

表1 泡沫銅樣件結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及誤差分析

池沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h按式(1)、式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：q為熱流密度，W/m2；Tw為導(dǎo)熱塊加熱頂面溫度，℃；Tf為制冷劑飽和溫度，℃；λ為銅導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；z為加熱面法向坐標(biāo)，m。

T和z之間的關(guān)系由導(dǎo)熱銅柱上測(cè)得溫度T1～T5與其對(duì)應(yīng)的z1～z5通過線性擬合得到，并以此推算出Tw的值。

(3)

(4)

式中：zw為導(dǎo)熱銅柱頂面高度，zw=0.04 m。

根據(jù)Moffat[20]方法可得到計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的相對(duì)誤差公式[14]：

(5)

其中，熱流密度與加熱面溫度計(jì)算誤差小于10%，熱電偶的誤差為0.1 ℃，最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在換熱溫差最小時(shí)為3.3 ℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的最大相對(duì)誤差為13.8%。

2 結(jié)果討論

2.1 泡沫銅孔密度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖3所示為孔隙率為0.95、厚度為4 mm、不同孔密度的泡沫銅加熱面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度的變化。由圖3可知，泡沫銅對(duì)加熱面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均有大幅強(qiáng)化作用，增幅在200%～350%之間。隨著孔密度由5 PPI增至40 PPI，最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升了26.4%。高孔密度能夠強(qiáng)化泡沫銅內(nèi)池沸騰換熱，因?yàn)楦呖酌芏鹊呐菽~具有更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和比表面積，能夠提供更多的氣泡成核點(diǎn)與傳熱面積，有利于沸騰換熱的進(jìn)行。

圖3 泡沫銅孔密度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

2.2 泡沫銅厚度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖4所示為孔密度為20 PPI、孔隙率為0.95、不同厚度的泡沫銅表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化。由圖4可知，隨著厚度增大，泡沫金屬內(nèi)制冷劑池沸騰換熱先增強(qiáng)后減弱。6 mm的泡沫銅池沸騰換熱時(shí)最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比4 mm的泡沫銅提高13.9%，而8 mm的泡沫銅最大池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相對(duì)4 mm泡沫銅下降13.9%，相對(duì)6 mm泡沫銅下降24.4%。原因是當(dāng)泡沫銅厚度較小時(shí)，增加厚度可以增加換熱面積與氣泡成核點(diǎn)，強(qiáng)化沸騰換熱；但隨著厚度增大，泡沫銅內(nèi)導(dǎo)熱熱阻增大，上層泡沫銅溫度較低，與制冷劑之間沒有足夠的換熱溫差，無(wú)法有效進(jìn)行沸騰換熱，同時(shí)增加的泡沫銅會(huì)阻礙下層泡沫銅表面形成的沸騰氣泡逸出，使氣泡在泡沫銅下層滯留，阻礙沸騰換熱。

圖4 泡沫銅厚度對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

2.3 泡沫銅孔隙率對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖5所示為孔密度為20 PPI、厚度為4 mm、不同孔隙率的泡沫銅表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化?？紫堵蕿?.90泡沫銅的換熱面上制冷劑最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比孔隙率為0.95的泡沫銅加熱面高13.2%。原因是孔隙率為0.90的泡沫銅纖維直徑更大，能夠更好地傳遞來(lái)自加熱面的熱量，同時(shí)孔隙率仍然較大，制冷劑沸騰產(chǎn)生的氣泡逸出時(shí)受到的阻力相對(duì)0.95孔隙率的泡沫銅并沒有大幅提高，因此可以得到更高的換熱效率。

圖5 泡沫銅孔隙率對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

3 關(guān)聯(lián)式開發(fā)

目前已有的泡沫金屬加熱表面池沸騰關(guān)聯(lián)式，對(duì)于R141b在泡沫銅內(nèi)的池沸騰特性均不能較好地預(yù)測(cè)，因此本文基于經(jīng)典的Rohsenow[21]關(guān)聯(lián)式，綜合了泡沫金屬孔密度、孔隙率和厚度的影響，開發(fā)新的沸騰換熱關(guān)聯(lián)式。定義泡沫金屬對(duì)銅表面池沸騰換熱的影響因子為EFmf，則可將制冷劑在泡沫金屬加熱表面的池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)href,mf表示為制冷劑在銅平表面池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)href，base與EFmf的乘積：

href,mf=href,baseEFmf

(6)

(7)

(8)

式中：ΔT為加熱表面與制冷劑的傳熱溫差，K；r為制冷劑的汽化潛熱，J/kg；cpl為制冷劑的比定壓熱容，J/(kg·K)；ηl為制冷劑的動(dòng)力黏度，Pa·s；σ為制冷劑的表面張力，N/m；Prl為制冷劑的普朗特?cái)?shù)；ρl、ρv為制冷劑的液態(tài)、氣態(tài)密度，kg/m3；s、Cwl為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與加熱面特性、制冷劑物性有關(guān)，s取1.7；通過平表面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得Cwl=0.006 4。

由圖3～圖5可知，EFmf隨著泡沫金屬的孔密度、孔隙率與厚度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，參考含油制冷劑沸騰換熱模型[15-16]，將EFmf表示為：

(9)

式中：Abase為加熱銅柱頂面面積，m2；Awetted為潤(rùn)濕表面面積，m2，由加熱銅柱頂面面積與泡沫金屬表面面積相加得到：

Awetted=Abase+asfV

(10)

式中：V為泡沫銅體積，m3。通過數(shù)據(jù)擬合，得到a～e的值分別為-0.007 5、1.04、0.013、-0.20、0.12，聯(lián)立式(6)～式(10)即得新的關(guān)聯(lián)式。圖6所示為關(guān)聯(lián)式的誤差分布，關(guān)聯(lián)式與95%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在±30%以內(nèi)，平均誤差為12.2%。

圖6 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式誤差分布

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)的泡沫金屬加熱表面制冷劑池沸騰特性，得出如下結(jié)論：

1)高孔密度泡沫金屬具有更好的強(qiáng)化池沸騰換熱的能力，40 PPI泡沫銅比5 PPI的泡沫銅最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升了26.4%；

2)泡沫金屬?gòu)?qiáng)化池沸騰換熱的能力隨厚度的增大先增強(qiáng)后減弱；

3)適當(dāng)減小孔隙率可提高泡沫金屬?gòu)?qiáng)化沸騰換熱的能力，孔隙率為0.90泡沫銅比孔隙率為0.95的泡沫銅最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高13.2%；

4)開發(fā)的預(yù)測(cè)制冷劑在泡沫金屬加熱表面池沸騰換熱關(guān)聯(lián)式，預(yù)測(cè)值與95%實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在30%以內(nèi)，平均誤差為12.2%。