新型噴嘴R404a閃蒸瞬態噴霧冷卻傳熱特性

周致富，陳斌，白飛龍，王銳，王國祥,

（1西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2Akron大學機械工程系，Akron Ohio 44325-3903）

引言

葡萄酒色斑 PWS是一種先天性的真皮內血管畸形，新生兒的發病概率一般為0.3%～0.5%。隨著年齡的增加，顏色會逐漸加深，厚度也會逐漸增加，甚至會出現結疤[1-2]。PWS大多數發生在患者面部或者頸部等人體暴露部位，會給患者的容貌帶來極大的損害，影響患者的生活質量。激光療法具有見效快、負作用少等優點，已經成為治療 PWS的首選方法。通過選擇特定波長的激光（臨床上主要選用585和595 nm脈沖染料激光），血管內的血紅蛋白選擇性地吸收激光能量使得畸形血管熱致消融[3]。但是，表皮內黑色素對這一波段的激光也有較強的吸收，不僅導致激光治療過程中表皮容易被熱損傷、限制了激光能量的提高，而且降低了到達真皮內病變血管的激光能量，使得治療效率低、療效差。

Nelson等[4-5]提出了以制冷劑 R134a為工質的瞬態噴霧冷卻（cryogen spray cooling, CSC），在激光作用皮膚之前，通過在皮膚表面噴射一定時間的制冷劑（通常為數十毫秒），可以將表皮溫度從室溫迅速降低至-30℃左右，能夠減小激光對表皮的熱損傷，提高治療激光能量。同時，制冷劑噴霧冷卻作用時間非常短，不會對深層的病變血管溫度造成較大影響，具有空間選擇性冷卻的特點，能夠一定程度改善治療效果[6]。然而，由于R134a沸點較高（大氣壓下為-26.07℃），同時目前臨床上噴霧均采用直管型噴嘴，液態制冷劑未經充分膨脹蒸發就沖擊在皮膚表面，導致表面溫度不夠低，提供的冷量有限，仍然不足以抵消激光對表皮的熱損傷，尤其是對黑色素含量較高的黃色人種[7]。大量臨床研究發現，即使輔以制冷劑（R134a）瞬態噴霧冷卻的激光療法，PWS的完全治愈率仍然很低（不到20%）[8]。Dai等[9]對3種對人體無毒和對臭氧無破壞的制冷劑瞬態噴霧冷卻研究發現，R404a相比于R134a具有更強的冷卻能力，有望進一步改善膚色較深的皮膚病患者的治療效果。Zhou等[10]對R404a閃蒸噴霧與傳熱特性進一步研究發現，R404a具有更強的蒸發性，能夠產生更低的液滴溫度，冷卻具有更好的空間選擇性。

在直管型噴嘴中引入膨脹腔，可使得制冷劑在經噴嘴出口噴出前，首先經過膨脹腔，在其內部由于壓力突降和空間變大，使得部分液體發生一次閃蒸破碎，釋放過熱度，經歷一次降溫。因此，為進一步提高噴霧冷卻能力，本文在前期研究基礎上[10-16]，設計了不同長徑比膨脹腔新型噴嘴，采用薄膜熱電偶表面快速測溫技術測量表面瞬態溫度和杜哈梅爾方法計算表面熱通量，對比研究了使用直管噴嘴和膨脹腔型噴嘴時R404a閃蒸瞬態噴霧的冷卻表面傳熱特性，并應用高速攝像儀觀測了膨脹腔內流動形態，探討了兩種不同噴嘴閃蒸霧化機理的差異。

1 實驗系統與數據處理方法

制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻實驗系統示于圖 1，制冷劑R404a（Dupont, USA）灌裝在儲液容器內，其壓力由高壓氮氣瓶與減壓閥控制，溫度由包圍在儲液容器周圍的油浴調節。安裝在電動平移臺上的電磁閥（B2021SBTTO24DVC by Gems, USA）與噴嘴緊密連接，開關時間小于5 ms，可以精確實現噴霧時間為幾十毫秒的瞬態噴霧。冷卻基體為環氧樹脂，其熱物性與人體皮膚相似，具體可參見文獻[17-18]。通過磁控濺射技術在環氧樹脂表面噴涂厚度為 2 μm的薄膜熱電偶，其動態反應時間約為1 μs，測溫誤差為±2℃[14]。薄膜熱電偶測溫結點位于制冷劑噴霧冷卻表面中心位置。噴嘴出口與冷卻基體表面距離由電動平移臺（WN105TA300M by Beijing Winner Optics Instruments Co., China）控制，位置調節精度8 μm。噴霧時間與溫度采集均由采集與控制系統中的M-6251型板卡（NI，USA）完成，溫度采樣率為 10000。應用高速攝像儀（Phantom V1210 by York, USA）采用背光法對膨脹腔內氣液流動形態進行高速觀察，拍攝速度為每秒10000幀，曝光時間為 20 μs。

直管型噴嘴與膨脹型噴嘴均由耐低溫高純度石英玻璃制造，其結構如圖2所示，直管噴嘴標記為0#噴嘴，其長度為60 mm，內徑為1 mm，膨脹腔型系列噴嘴分別標記為1#～5#噴嘴，膨脹腔尺寸列于表1，與膨脹腔出口連接的細直管長度均為60 mm，內徑均為1 mm。

圖1 制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻實驗系統Fig.1 Schematic diagram of flashing spray cooling

表1 0#～5#噴嘴膨脹腔尺寸Table 1 Size of expansion-chamber nozzle (0#～5#)

圖2 噴嘴結構Fig.2 Schematic diagram of nozzles/mm

實驗中，儲液容器內壓力調整為1.6 MPa，溫度控制在30℃±1℃ （30℃時R404a對應飽和壓力約為1.42 MPa），儲液容器內壓力高于其飽和壓力，可以防止制冷劑液體流經管路時發生相變而產生氣泡。噴霧時間Δt均設置為50 ms，噴嘴出口與冷卻基體表面距離均為30 mm（臨床中制冷劑噴霧冷卻使用距離）。

由于薄膜熱電偶厚度非常薄（2 μm），且直接鍍在冷卻表面，因此可以認為測得的溫度即為冷卻表面溫度。故可以應用杜哈梅爾計算方法從測得的表面溫度數據計算得到熱通量等，計算公式如下所示，詳細解法可參考文獻[10,19]。

式中，ρ、λ、cp分別為環氧樹脂的密度、熱導率與比熱容，T與t分別為溫度和時間。

2 實驗結果

圖3為不同型號噴嘴制冷劑R404a閃蒸瞬態噴霧冷卻液滴沖擊環氧樹脂表面中心處溫度隨時間的動態變化。當電磁閥打開，高壓儲罐內R404a制冷劑液體快速從噴嘴噴出，在噴嘴膨脹腔內和噴嘴出口處壓力突降，變成極不穩定的過熱狀態，從而形成劇烈的閃蒸霧化釋放熱量。同時由于制冷劑介質的高揮發性，閃蒸噴霧形成的細小液滴在飛行過程中持續快速蒸發，而周圍對流換熱不足以提供蒸發所需的潛熱，因此需要從剩余液滴部分吸收潛熱，使得液滴溫度不斷降低直至最低溫度[11]。低溫液滴沖擊在環氧樹脂表面，導致表面溫度急劇下降至-40℃。之后開始在表面形成液膜，液滴開始沖擊在液膜表面并伴隨液膜蒸發，表面溫度繼續下降直至最低溫度。當噴霧結束并且表面形成的液膜完全蒸發后，表面溫度開始快速回升。從圖中可以得出，噴嘴結構與尺寸對表面溫度動態變化影響明顯。在相同噴霧工況下，膨脹型噴嘴噴霧冷卻達到的最低溫度都低于直管型噴嘴，低溫持續時間也更長。其中，1#噴嘴最低溫度略低于 0#噴嘴，2#、3#、4#與5#噴嘴最低溫度相近，比0#噴嘴最低溫度值低10℃左右，而2#噴嘴低溫持續時間最長。

圖3 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面溫度隨時間變化Fig.3 Variation of surface temperature with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

圖4為對應溫度下應用杜哈梅爾定理計算得到的環氧樹脂表面熱通量隨時間動態變化。與圖3相對應，當液滴沖擊表面時，熱通量快速上升至最大值，之后當表面形成液膜熱通量開始下降并維持在較低值附近，直至液膜完全蒸發熱通量變為 0。由上文中熱通量計算公式可以看出，在相同的熱物性下，表面瞬態熱通量大小取決于兩個因素，分別為溫度隨時間的變化率（dT/dτ）與積分時間（t-t0），即降溫時間長短。因此，從圖中不同噴嘴熱通量變化比較得出，膨脹腔型噴嘴（1#～5#噴嘴）熱通量最大值均高于直管型噴嘴（0#噴嘴），且有效冷卻時間（熱通量大于0）也均長于直管型噴嘴。其中，2#噴嘴熱通量最大值和有效冷卻時間均為最大，比0#噴嘴熱通量最大值與有效冷卻時間分別高約60%與260%。

圖4 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面熱通量隨時間變化Fig.4 Variation of heat flux with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

圖5與為不同噴嘴噴霧冷卻表面傳熱系數隨時間動態變化。與圖3與圖4相對應，當液滴最初沖擊環氧樹脂表面，傳熱系數快速上升至最大值，然后當表面形成液膜。這時表面換熱由之前強制對流為主轉換為導熱為主，傳熱系數開始下降。類似地，1#～5#膨脹腔噴嘴傳熱系數最大值均比 0#直管噴嘴大，其中2#噴嘴傳熱系數最大值為最大。

圖6為不同噴嘴噴霧冷卻表面單位面積換熱量隨時間動態變化。可以看出，液膜完全蒸發前換熱量隨時間延長而不斷增加，但是在最初強制對流換熱階段增加速率最快。當液膜完全蒸發時，換熱量達到最大值。對比發現2#噴嘴能夠從冷卻基體帶走的熱量最大，冷卻效果最好，其次依次是3#、4#、5#與1#噴嘴，換熱量最小的為0#直管型噴嘴。

圖5 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻表面傳熱系數隨時間變化Fig.5 Variation of heat transfer coefficient with time of pulsedflashing spray cooling using different nozzles

圖6 不同噴嘴閃蒸噴霧冷卻單位面積換熱量隨時間變化Fig.6 Variation of heat removal per area with time of pulsed flashing spray cooling using different nozzles

3 討 論

從上述實驗結果可以看出，膨脹腔型噴嘴閃蒸瞬態噴霧冷卻產生的表面最低溫度低于無膨脹腔的直管噴嘴，最大熱通量、最大傳熱系數與最大換熱量以及有效冷卻時間均高于直管噴嘴。因而，相比目前激光皮膚臨床手術中制冷劑噴霧冷卻應用的直管噴嘴，膨脹腔型噴嘴在冷卻效果方面具有全面的優越性。這主要是因為膨脹腔型噴嘴閃蒸噴霧過程中，制冷劑液體在噴出之前首先在膨脹腔內經歷了一次閃蒸霧化，液體破碎并發生劇烈相變產生大量氣泡（如圖7所示4#噴嘴噴霧過程中膨脹腔內一次閃蒸霧化發生相變形成的大量氣泡）。膨脹腔內劇烈相變勢必導致液體在噴出之前溫度就已經經歷一次降溫過程，當一次閃蒸霧化后的兩相流體從噴嘴出口噴出后還會繼續發生二次閃蒸霧化與二次降溫。而直管型噴嘴只有當液體從噴嘴噴出后才經歷一次閃蒸霧化與一次降溫過程。

圖7 4#噴嘴閃蒸瞬態噴霧過程中膨脹腔內一次閃蒸霧化形成的氣泡Fig.7 Bubbles within expansion chamber during the first flashing breakup

此外，膨脹腔尺寸對此系列噴嘴噴霧冷卻效果具有重要影響，從表1膨脹腔尺寸與實驗結果分析可以得出，影響其冷卻效果最主要的因素是膨脹腔的長徑比，而非膨脹腔的體積大小。

4 結 論

本文搭建了制冷劑閃蒸瞬態噴霧冷卻實驗臺，設計了一系列不同尺寸的膨脹腔新型噴嘴，針對具有更低沸點的新型制冷劑 R404a，對比研究了膨脹腔新型噴嘴與傳統直管噴嘴閃蒸瞬態噴霧冷卻表面動態傳熱特性。發現相比直管噴嘴，膨脹腔型噴嘴在噴嘴內、外分別經歷一次閃蒸霧化與降溫過程，以及二次閃蒸霧化與降溫過程，因而具有更優越的動態冷卻效果。另外，對于膨脹腔新型噴嘴，膨脹腔長徑比是影響其噴霧冷卻效果重要因素，本文發現當長徑比為1：2時，冷卻效果最佳。

符號說明

cp——環氧樹脂比熱容，J·kg-1·K-1

D——膨脹腔內徑，mm

h——表面傳熱系數，kW·K-1·m-2

L——膨脹腔長度，mm

Q——單位面積換熱量，kJ·m-2

q——表面熱通量，kW·m-2

T——冷卻表面溫度，℃

t——時間，ms

Δt——噴霧時間，ms

z——噴霧距離，mm

V——膨脹腔體積，mm3

λ——環氧樹脂熱導率，W·m-1·K-1

ρ——環氧樹脂密度，kg·m-3

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