表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性實驗平臺設(shè)計

陳 楹，阮 琳*，曾向君

(1.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510000)

現(xiàn)代電力電子器件正向著高頻、大功率和高集成化方向發(fā)展，其工作過程中所產(chǎn)生的損耗，會使其溫度升高，從而影響其可靠性[1]。采用有機絕緣工質(zhì)的表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，由于其自循環(huán)、功耗低、冷卻效率高等特點，可以很好地滿足電力電子設(shè)備的散熱需求[2]。

表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)利用液體汽化吸熱的原理來冷卻發(fā)熱部件，介質(zhì)的相變潛熱比單相流體的比熱大得多，冷卻效果更加顯著。表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)換熱效率高；結(jié)構(gòu)簡單，與發(fā)熱部件緊密貼合；無需外界驅(qū)動力，可靠性高。其在模塊化、集成化的電力電子模塊散熱領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊[3-5]。然而在實際應(yīng)用中，兩相流動自循環(huán)系統(tǒng)在運行過程中可能存在兩相流流動不穩(wěn)定性問題。兩相流流動不穩(wěn)定性會導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)流量的驟然減小或者劇烈波動，從而導(dǎo)致液盒底板各位置的溫度急劇升高或周期性變化，與液盒緊密貼合的發(fā)熱部件的溫度亦受其影響。除此之外，持續(xù)的流動振蕩會使部件可能遭受有害的機械振動，還會使部件的局部熱應(yīng)力產(chǎn)生周期性變化，這些都將導(dǎo)致部件的疲勞損壞。

文獻[6-7]以圓管為研究對象對兩相自然循環(huán)流動不穩(wěn)定性問題進行了機理性實驗研究。文獻[8]以水為工質(zhì)，在常壓下對細長回路的自然循環(huán)系統(tǒng)進行實驗研究，詳細分析了其運行特性和不穩(wěn)定性機理。文獻[9]在5 MW低溫核供熱堆熱工水力學(xué)模擬回路上研究了間歇流量振蕩的條件及機理。文獻[10]針對以水為工質(zhì)的矩形窄通道自然循環(huán)系統(tǒng)開展了流動不穩(wěn)定性實驗研究，對沸騰轉(zhuǎn)變階段的流動不穩(wěn)定性的機理進行了探討。

當(dāng)前對兩相流流動不穩(wěn)定性的研究大多是以圓管或者矩形窄通道為研究對象，且大多以水為工質(zhì)，鮮有針對使用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的研究。以表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，闡述了流動不穩(wěn)定性實驗平臺的結(jié)構(gòu)及原理，在此平臺上探究了表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中流量隨加熱功率變化的趨勢，并初步探究了系統(tǒng)壓力、液位高度、并聯(lián)支路數(shù)對系統(tǒng)的影響。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗回路和實驗裝置分別如圖1、圖2所示。主要包括測量儀表、聯(lián)箱、實驗段、冷凝器、水箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗參數(shù)的采集由FLUKE 2686A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)。測量儀表包括：T型熱電偶、溫度傳感器、壓力傳感器以及渦輪流量計。實驗平臺通過聯(lián)箱和堵頭的不同組合方式實現(xiàn)不同并聯(lián)支路數(shù)的實驗研究。實驗介質(zhì)采用的是實驗室數(shù)據(jù)庫中的ZXB-16。該介質(zhì)沸點適中、絕緣性好、安全環(huán)保，且對實驗回路無腐蝕。

圖1 實驗回路

圖2 實驗裝置

圖3 實驗段

實驗段結(jié)構(gòu)如圖3所示。實驗段由發(fā)熱銅塊、液盒、保溫層以及外殼組成。液盒由亞克力板、密封圈、鋁制主體構(gòu)成。亞克力板透明度極佳，用于可視化，觀察液盒內(nèi)部沸騰情況。鋁制主體的通道部分寬度W=130 mm(與加熱寬度一致)，深度H=26 mm，長度L=140 mm(與加熱長度一致)。保溫層采用聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.020～0.023 W/(m·K)，保溫效果良好，且易加工，使用溫度為-100～100 ℃[11]。外殼采用酚醛樹脂，起支撐實驗段的作用。

實驗段入口的體積流量由渦輪流量計測量，量程：0～120 L/h，精度為±1%。實驗回路中各點壓強用壓力傳感器測定，量程：0.05～0.1 MPa，精度為±0.2%。實驗回路中的各點溫度由溫度傳感器采集，量程：0～100 ℃，精度為±0.2%。實驗段采用給發(fā)熱銅塊通電的方式來實現(xiàn)加熱。實驗段的溫度由T型熱電偶測量，其側(cè)邊和底面的熱電偶的布置如圖4所示。底面和側(cè)面分別布置6個和4個熱電偶。

圖4 熱電偶布置

1.2 實驗方法

實驗通過對比不同系統(tǒng)壓力、不同液位、不同并聯(lián)支路數(shù)的實驗結(jié)果來分析這三者對流動不穩(wěn)定性的影響。采用步進式加熱法，每次增加10～50 W，每次調(diào)節(jié)后，靜置系統(tǒng)一段時間，待其平衡后，觀察實驗現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)，若系統(tǒng)不能平衡到某一穩(wěn)態(tài)，而是發(fā)生流量漂移或是流量、溫度等參數(shù)的自持振蕩，則說明系統(tǒng)發(fā)生了流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，觀察實驗現(xiàn)象，記下該工況下的數(shù)據(jù)。多支路實驗在進行過程中，同步增加各支路加熱功率。

(1)斷開兩側(cè)的支路，在支路2(2號實驗段)上進行單支路實驗。

(2)斷開中間支路，在支路1、支路3(1號、3號實驗段)上進行雙支路實驗。

(3)接上3個支路(1號、2號、3號實驗段)，進行三支路實驗。

1.3 實驗工況

實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況

2 實驗現(xiàn)象

2.1 流量變化

在自然循環(huán)回路中，實驗段受熱，液盒中部分工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，在實驗段中形成了氣液混合物，回液管中的工質(zhì)依舊為單相液體。氣液混合物的密度小于單相液體的密度，二者密度差產(chǎn)生的驅(qū)動力，使得工質(zhì)在回路中循環(huán)流動。

在單支路實驗中，隨著加熱功率的不斷增加，流量變化如圖5所示。實驗結(jié)果表明，對于曲線的上升階段，在較小的加熱功率條件下，隨著加熱功率的增加，系統(tǒng)自然循環(huán)流量逐漸增加，這是由于隨著加熱功率的增加，實驗段熱平衡干度增大，實驗段內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生的氣泡引起空泡份額的不斷增大，從而導(dǎo)致實驗段氣液混合物的密度明顯減小，同時回液管中流體密度幾乎不變，二者的密度差顯著增加，在浮升力的作用下，循環(huán)流量不斷增大。隨著加熱功率的繼續(xù)增大，空泡份額的增大速度變得相對緩慢，空泡份額的增加，一方面增大了系統(tǒng)的浮升力，另一方面會導(dǎo)致兩相流動的阻力增加，當(dāng)浮升力和流動阻力的差值達到了最大值時，系統(tǒng)循環(huán)流量達到最大值。當(dāng)空泡份額的增加對兩相流動阻力增加的貢獻大于對浮升力的貢獻時，自然循環(huán)流量就會隨著加熱功率的增大而減小。

圖5 單支路流量

2.2 實驗中出現(xiàn)的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象

在實驗過程中出現(xiàn)了間歇泉、低頻流量振蕩以及管間脈動三種流動不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2.1 間歇泉流動不穩(wěn)定現(xiàn)象

圖6 間歇泉流動不穩(wěn)定性

在單支路實驗中，在圖5的起始階段(0～6 000 s)，隨著加熱功率的增大，自然循環(huán)系統(tǒng)首先會出現(xiàn)間歇泉流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖6所示。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象常出現(xiàn)于自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動階段。啟動階段，加熱功率較小時，實驗段內(nèi)流體不斷吸收熱量，當(dāng)加熱壁面溫度高于實驗段內(nèi)流體飽和溫度時，壁面附近開始產(chǎn)生少量氣泡，此時實驗段內(nèi)兩相流體與下降段內(nèi)流體的密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動力較小，不足以克服自循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的阻力，實驗段內(nèi)流體處于蓄熱狀態(tài)，隨著熱量的持續(xù)輸入，實驗段內(nèi)氣泡明顯增加，氣泡進入上升管中，以“噴泉”的方式涌出液面，與此同時，下降段的冷流體進入實驗段內(nèi)，形成波動。氣泡涌出后，系統(tǒng)的驅(qū)動力又不足以克服阻力，繼續(xù)以上過程，形成間歇泉。

繼續(xù)增大加熱功率，系統(tǒng)將趨于穩(wěn)定，此時有大量的氣泡產(chǎn)生，系統(tǒng)的驅(qū)動力已足以克服阻力，形成較為穩(wěn)定的自循環(huán)。

2.2.2 低頻流量振蕩

在單支路實驗中，在流量隨加熱功率增大而減小的區(qū)間內(nèi)，發(fā)生了低頻流量振蕩。當(dāng)加熱功率超過一定值后，如圖5所示，從41 700 s開始，自然循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生低頻流量振蕩，流量開始劇烈振蕩，其流量變化過程如圖7所示。截取其中一段波形，流量與溫度的振蕩情況如圖8所示，低頻流量振蕩具有明顯的周期性，其脈動周期13～14 s，雖然流量振蕩劇烈，但溫度波動范圍在0.4 ℃以內(nèi)，這可能會對控溫精度要求較高的系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，但對本文的研究目標(biāo)幾乎無影響。

圖7 低頻流量振蕩的發(fā)生過程

圖8 低頻流量振蕩

2.2.3 管間脈動

在多支路實驗中，除了間歇泉流動不穩(wěn)定性和低頻流量振蕩，隨著加熱功率的增大，雙支路和三支路實驗過程中，還出現(xiàn)了管間脈動，即各支路的脈動基本等幅值，但有著相位差。以三支路為例，如圖9所示為三支路實驗中各支路加熱功率為 627 W 時的管間脈動現(xiàn)象，三支路各支路脈動周期為19～24 s，2號和3號實驗段流量脈動的相位相同，1號流量脈動與它們的相位相差180°。

2.3 系統(tǒng)壓力、液位、并聯(lián)支路數(shù)對系統(tǒng)的影響

相較于間歇泉流動不穩(wěn)定性，在加熱功率較高時存在的低頻流量振蕩和管間脈動對冷卻系統(tǒng)的可靠性影響較大。所以著重研究各參數(shù)對低頻流量振蕩和管間脈動的影響規(guī)律。

圖9 管間脈動

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可以表征一個數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大，數(shù)據(jù)點越分散，應(yīng)用于流量脈動曲線中，標(biāo)準(zhǔn)差越大即意味著流量振蕩越劇烈，本實驗中，可通過標(biāo)準(zhǔn)差對各工況進行分析，從而更清晰地判別低頻流量振蕩發(fā)生的工況。

(1)

如圖10所示為單支路實驗段在系統(tǒng)壓力為0、10 kPa時的入口流量標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差突然增大的點，就是發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的工況。0 kPa時，發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率為1 704 W。10 kPa時，發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率為1 752 W。

圖10 不同壓力下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

由圖10可知，系統(tǒng)壓力增加，發(fā)生流動不穩(wěn)定性的加熱功率也增加，系統(tǒng)壓力升高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如圖11所示為實驗段底面中心溫度曲線，雖然系統(tǒng)壓力的提高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時會導(dǎo)致壁面中心溫度的升高。在實際應(yīng)用中，液盒壁面的溫度越低越好，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要綜合考慮流動不穩(wěn)定性和壁面溫度。

圖11 不同壓力下底面中心溫度隨加熱功率的變化

圖12 不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化

圖13 不同液位下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

單支路在不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化趨勢如圖12所示。在實驗條件下，系統(tǒng)壓力變化對平均流量的最大值影響不大，在流量的上升段，隨著壓力升高，流量減小，這是因為系統(tǒng)壓力的增加，使得實驗段兩相流與下降段單相液體的密度差減小，系統(tǒng)浮升力隨之減小，流量也隨之減小。

如圖13所示，液位1.49 m時，發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率為1 704 W，液位1.16 m時，發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率為1 417 W，液位高的系統(tǒng)出現(xiàn)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率更大。由此可見，液位的升高，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖14 不同支路數(shù)下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

如圖14所示，流量標(biāo)準(zhǔn)差突增的點分別對應(yīng)發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的工況。多支路實驗中，各支路同時發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，且振幅、周期相近，可任意選取某一支路的參數(shù)進行研究。選取雙支路、三支路實驗中1號實驗段的流量標(biāo)準(zhǔn)差以及單支路的流量標(biāo)準(zhǔn)差進行比較，單支路發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象時的加熱功率為1 704 W，雙支路發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象時每個支路的加熱功率為708 W，三支路發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象時每個支路的加熱功率為512 W。由此可見，并聯(lián)支路數(shù)的增多會導(dǎo)致每個支路發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率下降。

3 結(jié)論

建立表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動不穩(wěn)定性實驗平臺，并進行初步實驗，得到以下結(jié)論。

(1)在表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中，存在間歇泉流動不穩(wěn)定性、低頻流量振蕩以及管間脈動。

(2)自然循環(huán)流量隨著加熱功率的增大，先增大后減小。

(3)系統(tǒng)壓力增加，發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率也增加，系統(tǒng)壓力升高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)液位高的系統(tǒng)出現(xiàn)流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率更大，液位升高，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定。并聯(lián)支路數(shù)的增多會導(dǎo)致每個支路發(fā)生流動不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率減小。

以上研究有助于探明流動不穩(wěn)定性影響因素，從而提高表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在電力電子設(shè)備上應(yīng)用的可靠性。