EHD強化微細槽道沸騰傳熱實驗研究

戴勇，羅小平，方振鑫

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州，510640）

EHD強化微細槽道沸騰傳熱實驗研究

戴勇，羅小平，方振鑫

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州，510640）

在橫截面為2 mm×2 mm的微細槽道內，以去離子水為工質，對EHD強化微細槽道飽和沸騰換熱進行實驗研究，得出不同的外加高壓電場作用下, 飽和沸騰段的熱流密度與平均壁面過熱度的關系曲線，分析外加電壓對飽和沸騰傳熱系數的影響。研究結果表明，外加高壓電場能在一定程度上強化微細槽道飽和沸騰傳熱，為探索EHD強化微細槽道飽和沸騰傳熱機理提供了一定的依據。

微細槽道；兩相流；沸騰傳熱；強化傳熱；EHD

強化傳熱技術是工程熱物理學科和能源利用工程中一個重要研究領域。目前，強化傳熱技術發展很快，EHD（Electro-hydrodynamics）強化傳熱是在流體中施加電場，以利用電場、流場和溫度場之間的相互耦合作用而達到強化傳熱的一種主動強化傳熱方法[1]。在流體中施加外電場對傳熱具有強化作用，施加電場進行強化傳熱相對于傳統的強化傳熱有許多優點，如：傳熱強化效果好，設備簡單，易于控制熱流和溫度，功耗低，應用廣，適用于航天器等特殊場合等[2?5]。因此，對EHD強化傳熱的研究逐漸受到重視。微細槽道通道內的流動沸騰換熱特性非常復雜[6?10]，表現出與常規大尺度通道內流動沸騰換熱不同的換熱規律。在引入電場后，由于電場作用與傳熱過程、介質流動過程及氣泡產生過程相互影響，使得對EHD強化微細槽道沸騰傳熱機理的分析更加困難[11?14]。目前，國內外對這方面的研究甚少，相關的文獻也很少。為此，本文作者對EHD強化微細槽道沸騰換熱進行研究。

1 實驗裝置及步驟

1.1 試驗系統

實驗裝置如圖1所示，它由恒溫水箱、熱水泵、過濾網、流量計、測試段、閘閥、測量儀器和其他一些附屬設備構成。水箱中的去離子水在熱水泵的驅動下分為2路：一路進入旁通回路，另一路流過過濾網，以便除去雜質。然后，流經玻璃轉子流量計，接著進入實驗段的矩形微槽中（微槽底部通過導熱硅脂把加熱片黏在一起）加熱，最后經過除泡器流回水箱。

本實驗段去離子水的流量為10 L/h，外加電場電壓的調節范圍為0～20 kV。實驗在常壓下進行，實驗段結構如圖2所示。本實驗設計的矩形流道共9條，每條長×寬×高為250 mm×2 mm×2 mm。矩形流道采用流道基板和底座一體的結構，底座的長×寬×高為350 mm×80 mm×35 mm。微流道基板和底座均為鋁材，它們之間通過導熱硅脂均勻黏接，以保證良好的導熱性能。槽道蓋板為隔熱性能較好的有機玻璃蓋板。實驗段的9條矩形微槽中放入9根長250 mm、寬2 mm、高4 mm的PVC條，并與槽道底部緊密黏結，防止沸騰傳熱實驗中槽道底部漏液。PVC條絕緣且絕熱，在PVC條上鋪上合適的墊片然后放上長250 mm、寬30 mm、高5 mm的鋁板，用于連接電極的正極，負極則連接于鋁質底座，中間通過PVC條絕緣，以保證EHD強化微細槽道沸騰換熱實驗能夠順利進行。加熱片通過導熱硅脂貼在底座底部來施加均勻熱通量，實驗段底座兩側和進出口敷設絕熱材料以減少熱量散失，調壓器連接加熱片以改變熱流密度。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental equipments

圖2 實驗段簡圖Fig.2 Diagram of test section

打開水泵，啟動數據采集程序，調整工作完畢后，開始連續采集水溫、壁溫。實驗段經過流體加熱，溫度開始上升，直到進出口溫度與微槽壁面溫度一致，這時將調壓器調到一定的電壓，在開始加熱實驗段進行沸騰傳熱實驗。首先做無外加電壓作用下的飽和沸騰實驗，關閉靜電發生裝置，調節玻璃磚子流量計到指定刻度，保持不變，由小到大改變調壓器電壓來調節熱流密度。在每一個加熱流密度下，觀察采集程序中的壁溫和水溫。當加熱片傳給實驗段的熱量等于流體在微槽道中受迫流動帶走的熱量時，達到熱平衡狀態，壁溫和水溫都保持穩定，此時記錄足夠的有效數據。然后開啟靜電發生裝置，依次調節電壓為4，8，12，16和20 kV，每調節1次外加電壓都重復無電場實驗的操作步驟。

1.2 測量與數據采集

實驗中需測量的參數有實驗段進出口溫度、底座壁面溫度、電加熱功率和工質流量。蓋板兩邊開有直徑為8 mm的小孔，用于安裝Pt1000熱電阻來測量進出口溫度；沿流動方向開有上、下對應的6～8對直徑為6 mm的小孔，孔深為30 mm，用于安裝Pt100熱電阻測量底座的壁面溫度，測量范圍均為0～150 ℃，精度為0.1%；流量的測量選用LZB?15玻璃轉子流量計，可測微小流量，介質溫度為0～120 ℃，公稱壓力為0.4～0.9 MPa，量程為0～100 L/h，測量誤差在1%以內；接觸調壓器用來調節鋁座底部加熱片的電壓，從而改變微槽道底部熱流密度，型號為TDGC2?3KVA，額定輸入電壓為220 V，輸出電壓為0～250 V，最小刻度為5 V。實驗中的溫度通過采集系統進行采集輸入到PC機，并采用專門編成的軟件對穩態和動態數據進行采集、計算和顯示等操作，實現實驗工況的實時監測。采集卡是研華科技出品的16位ISA總線數據采集卡，型號為PCL?818L。

2 實驗結果及分析

2.1 過熱度與熱流密度關系

矩形槽道單元如圖3所示，其中，tf為水的飽和沸騰溫度；tw為槽道地面溫度。槽道上方通過有機玻璃蓋板密封，實驗中忽略通過有機玻璃傳遞的少許熱量，故可假設槽道蓋板絕熱。則熱流密度q可以由式（1）得到：

式中：λ為鋁的導熱系數[15]，約為228 W/（m·K）；微槽道底部的溫度tw,up和tw,dn通過熱電阻測量；δ為微槽道底部2個測溫點的距離。

圖3 矩形微槽道單元截面簡圖Fig.3 Two-dimensional micro-channel heat sink unit cell

在實驗中，去離子水進入微細槽道后，被不斷加熱，槽道壁溫以及槽內水溫不斷升高。經過一系列的變化，在某一點處主流液體整體達到飽和沸騰狀態，此點稱為S點，S點由下式確定：

式中：M為質量流量，kg/s；wch為槽道寬度；n為槽道數，n=8；Cp為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ts和tin分別為去離子水飽和沸騰溫度和入口溫度，℃；Zs為S點距離槽道入口處的距離。本實驗中取M= 2.66×10?3kg/s；Cp=4.22 kJ/（kg·℃）；ts=100 ℃；Wch=2 mm。

由于本實驗段鋁座底部加熱片的加熱功率很大，流體進口溫度的改變對式（1）計算熱流密度的影響可以忽略。實驗中通過改變加熱功率得出9種不同的熱流密度，對于每種熱流密度可視其為常數，所以，由式（2）可知：在實驗過程中能夠對不同的熱流密度采用改變去離子水入口溫度tin的方法,以使Zs保持在150 mm附近。9組不同的q與tin如表1所示。

圖4所示為不同外加電場電壓下作用下，飽和沸騰段的熱流密度q與平均壁面過熱度?ts（飽和沸騰段內5個測溫點處壁面過熱度的平均值）的實驗關系曲線。由圖4可知：當外加電場電壓一定時，隨著q的增加，?ts逐漸增大；當q一定時，隨著電場電壓的增加，?ts逐漸減小，說明傳熱系數增大，沸騰傳熱得到了強化；當?ts一定時，隨著外加電場電壓的升高，熱流密度也逐漸增大，說明傳遞的熱量不斷增加。本實驗中熱流密度為147.9 kW/m2，無外加電場電壓時，?ts約為4.5 ℃；當外加電場電壓分別為4，8，12，16和20 kV時，?ts依次約為3.8，3.2，2.8，2.5和2.2 ℃。

圖4 熱流密度與壁面過熱度的關系Fig.4 Relationship between heat flux and averaged wall superheat temperature

表1 9種不同的熱流密度q及相應的tinTable 1 9 kinds of different heat flux and their corresponding tin

2.2 EHD對沸騰傳熱系數的影響

飽和沸騰傳熱段的傳熱系數h理論計算公式為：h=q/?ts。熱流密度q與沸騰傳熱系數h的關系如圖5所示。由圖5可知：隨著熱流密度q的增加，傳熱系數逐漸增加；在相同的熱流密度下，外加電場電壓增加，傳熱系數增大，說明外加電場電壓越高，強化傳熱的效果越好。

在本實驗中當熱流密度為147.9 W/m2，無外加電場作用時傳熱系數h為32.9 kW/（m2·K），而當外加電場電壓分別為4，8，12，16和20 kV時，相應的沸騰傳熱系數都有所增大，依次分別為38.9，46.2，52.8，59.2和67.2 kW/（m2·K）。經比較可知：當外加電場電壓為20 kV時，沸騰傳熱系數約為無外加電場時的2倍。這表明微細槽道換熱器可以通過施加電場的途徑來實現強化傳熱的效果，有廣闊的應用前景。

圖5 熱流密度q與沸騰傳熱系數h的關系Fig.5 Relationship between heat flux and heat transfer coefficient

2.3 強化系數與電場電壓的關系

為了比較在相同熱流密度下，有外加電場作用與無外加電場作用下的換熱系數，定義強化系數α如下：

式中：hEHD為施加電場作用下的沸騰傳熱系數；h0為無外加電場時的沸騰傳熱系數。

強化系數α與電場電壓U的實驗關系如圖6所示。由圖6可知：在相同的熱流密度q下，隨著電場電壓的升高，α依次增大；在相同的電場電壓下，q越大，α越大，且隨著電壓的增加，當q為147.9 kW/m2，電場電壓為20 kV時，α為約為2。

圖6 強化系數α與電場電壓U的實驗關系Fig.6 Relationship between voltage and enhancement coefficient

2.4 沸騰傳熱系數誤差分析

由于實驗數據由數據采集卡采集并通過編程由計算機自動保存，所以，本文僅根據儀表情況按誤差傳遞理論來估算實驗結果在極端條件下的最大可能誤差。由h=q/?ts得h的相對誤差為：

Pt100熱電阻的精確度為0.1%，由于跟其連接的連接線以及保護裝置等都會影響測量精度，因而導致其最大誤差可能到達2%。加上數據采集以及電腦保存數據等過程的影響，最終可能使4%。

因此，由式（4）可得h的最大可能誤差約為：6.4%。

3 結論

（1） 外加電場作用能在一定程度上強化了微細槽道飽和沸騰傳熱。

（2） 在飽和沸騰區段內，當熱流密度一定時，平均壁面過熱度隨著電場電壓的增加而逐漸減小，傳熱系數隨著電場電壓的增加而逐漸增大，傳熱得到強化。

（3） 當電場電壓一定時，強化系數隨著熱流密度的增加而增大；當熱流密度一定時，強化系數隨著外加電場電壓的升高而逐漸增大，本實驗得出的最大強化系數約為2。

[1] 黃崗, 羅小平, 高貴良. 換熱器EHD強化空氣對流傳及其動力學分析[J]. 石油機械, 2008, 36（7）： 7?10.

HUANG Gang, LUO Xiao-ping, GAO Gui-liang. EHD enhanced air convection heat transfer for heat exchanger and its kinetic analysis[J]. China Petroleum Machinery, 2008, 36（7）： 7?10.

[2] 李瑞陽, 陳賚寶, 陳之航, 等. EHD強化傳熱機理分析[J]. 華東工業大學學報, 1996, 18（4）： 5?11.

LI Rui-yang, CHEN Lai-bao, CHEN Zhi-hang, et al. Mechanism analysis of EHD[J]. East China University of Technology, 1996, 18（4）： 5?11.

[3] 李瑞陽, 施伯紅, 郁鴻凌, 等. EHD強化水平管外沸騰傳熱的試驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2000, 21（1）： 97?98.

LI Rui-yang, SHI Bo-hong, YU Hong-ling, et al. Experimental study of EHD enhanced boiling heat transfer in horizontal tube[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2000, 21（1）： 97?98.

[4] 董超, 李瑞陽, 郁鴻凌, 等. EHD強化傳熱研究中的重要問題：電場特性的影響規律[J]. 能源研究與信息, 2001, 17（1）： 36?44.

DONG Chao, LI Rui-yang, YU Hong-ling, et al. The important issues in EHD enhanced heat transfer study： The influences of the electric field characteristics[J]. Energy Research and Information, 2001, 17（1）： 36?44.

[5] 劉永啟, 李瑞陽, 王發剛, 等. 電極極性影響EHD強化沸騰傳熱的機理[J]. 化工學報, 2004, 55（1）： 160?162.

LIU Yong-qi, LI Rui-yang, WANG Fa-gang, et al. The effects of electrode polarity for the mechanism of EHD enhanced boiling heat transfer[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2004, 55（1）： 160?162.

[6] 龍恩深, 趙力. 水平窄空間沸騰換熱的數理模型研究[J]. 熱科學與技術, 2003, 2（4）： 324?329.

LONG En-shen, ZHAO Li. Mathematical model study of boiling heat transfer in ho rizontal narrow space[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2003, 2（4）： 324?329.

[7] 胡自成, 馬虎根. 微尺度通道內流動沸騰研究綜述[J]. 能源研究與信息, 2003, 19（3）： 125?132.

HU Zi-cheng, MA Hu-gen. The study overviews of flow boiling in micro-channels[J]. Energy Research and Information, 2003, 19（3）： 125?132.

[8] QU Wei-lin, Mudawar I. Flow boiling heat transfer in two-phase micro-channel heat sinks： I. Experimental investigation and assessment of correlation methods[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46（15）： 2755?2771.

[9] Goldstein R J, Ibele W E, Patankar S V, et al. Heat transfer： A review of 2003 literature[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49（3/4）： 451?534.

[10] Lee J, Mudawar I. Critical heat flux for subcooled flow boiling in micro-channel heat sinks[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52（13/14）： 3341?3352.

[11] Warrier G R, Dhir V K, Momoda L A. Heat transfer and pressure drop in narrow rectangular channels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 26（1）： 53?64.

[12] Honda H, Wei J J. Enhanced boiling heat transfer from electronic components by use of surface microstructures[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2004, 28（2/3）： 159?169.

[13] Karayiannis T G. EHD boiling heat transfer enhancement of R123 and R11 on a tube bundle[J]. Applied Thermal Engineering, 1998, 18（9/10）： 809?817.

[14] Sadek H, Robinson A J, Cotton J S, et al. Electro-hydrodynamic enhancement of in-tube convective condensation heat transfer[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49（9/10）： 1647?1657.

[15] 姚玉英. 化工原理[M]. 天津： 天津科學技術出版社, 2004： 1?15.

YAO Yu-ying. Principles of chemical engineering[M]. Tianjin： Tianjin Science and Technology Press, 2004： 1?15.

（編輯 趙俊）

EHD experimental research on boiling heat transfer in micro-channels

DAI Yong, LUO Xiao-ping, FANG Zhen-xin
（College of Mechanical and Automobile Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China）

Experiments were carried out to study electro-hydrodynamics （EHD） enhancement for saturated flow boiling heat transfer in micro-channels with cross-section of 2 mm×2 mm using deionized water as the working fluid. In the boiling section of the channels with different voltages, the relation between heat flux and averaged wall superheat temperature was studied. The influences of the electrified on the boiling heat transfer coefficient were analyzed as well. The results show that electric field with high voltage can enhance saturated boiling heat transfer in micro-channels, and it lays a foundation for exploring the mechanism of EHD enhancement for saturated boiling heat transfer in micro-channels.

micro channels; two phases flow; boiling heat transfer; heat transfer enhancement; EHD

TK124

A

1672?7207（2011）05?1316?05

2010?03?11；

2010?06?29

國家自然科學基金資助項目（20676039）

羅小平（1967?），男，江西南昌人，教授，從事微尺度相變傳熱機理研究；電話：13660846819；E-mail： mmxpluo@scut.edu.cn