矩形微通道內制冷劑流動沸騰傳熱特性及可視化研究

鄧 聰 羅小平 馮振飛,2 張瑞達

(1 華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640；2廣西大學化學化工學院 南寧 530004)

矩形微通道內制冷劑流動沸騰傳熱特性及可視化研究

鄧 聰1羅小平1馮振飛1,2張瑞達1

(1 華南理工大學機械與汽車工程學院 廣州 510640；2廣西大學化學化工學院 南寧 530004)

為了探究微通道內流動沸騰及傳熱現象的機理，以制冷劑R22為工質在矩形微通道內進行了流動沸騰及可視化實驗。結果表明，在核態沸騰下傳熱系數受質量流率的影響較小，卻隨著熱流密度的增加而快速增加；微通道的尺寸越小，傳熱效果越好，水力直徑為0.92 mm和1.33 mm微通道內的傳熱系數比2 mm微通道內的傳熱系數分別提高約25%、12%；根據實驗值與預測值的對比情況，在Oh H K等[15]和Yun R等[7]模型基礎上擬合得到新的傳熱系數預測關聯式，平均絕對誤差降至8.8%；通過可視化實驗發現，在臨界熱流密度下微通道內出現波浪式氣體層的現象。

流動沸騰；矩形微通道；經驗關系式；可視化

隨著設備熱負荷的增加，集成電路上芯片的熱通量從5×105W/m2增加至107W/m2，以至于常規大通道的傳熱設備已經不適用于電子芯片的傳熱過程[1-2]。在此背景下，提出了具備較高比表面積和換熱效率的微細尺寸通道換熱器，廣泛應用于航天、制冷和生物工程等領域中[3-5]。

近年來，國內外許多學者針對制冷劑在微通道內流動沸騰傳熱進行了大量的實驗研究。如Ravigumrajan T S等[6]研究了流體工質在尺寸為0.02～1.0 mm的微通道內的流動沸騰傳熱情況，發現傳熱系數受加熱表面過熱度、熱通量、質量流量的影響。Yun R等[7]以水為工質在內徑為2.98 mm內進行流動沸騰實驗，發現沸騰傳熱效果與熱流密度的大小緊密相連，并根據實驗數據得到傳熱系數預測關聯式。Kandlikar S G等[8-9]研究以R-134a在微通道內的流動沸騰傳熱特性，觀察到氣泡由于微通道尺寸限制形成了彈狀流，通過氣泡與壁面之間液膜的蒸發進行傳熱，目前微通道內的沸騰傳熱的本質機理仍沒有形成統一的理論。

本文在上述研究的基礎上，以制冷劑R22為工質在矩形微通道內進行了流動沸騰實驗，采用高速攝像儀進行可視化研究，探究了熱流密度、質量流率、微槽道尺寸對流動沸騰傳熱系數的影響，擬合得到符合本實驗條件的傳熱系數關聯式，通過可視化實驗觀察微通道內的流體流型隨熱流密度及臨界熱流密度(CHF)變化的情況。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗平臺

圖1所示為實驗系統示意圖。整個實驗系統包括制冷循環系統、輔助系統、數據采集系統三個部分。制冷循環系統以實驗段(微通道)所在的回路為主循環，另設一個常規蒸發器的旁路制冷系統，主要包括變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器和油氣分離器等組件，還設計了電氣和風冷輔助系統。數據采集系統采用溫度和壓力傳感器來采集實驗段進出口壓力、進出口溫度以及壁溫和流量，再通過數據采集卡將這些數據實時傳送到計算機上存儲與顯示。流體以及信號流向如箭頭所示。另外，系統中多處設置了視鏡，以方便觀察管道中流體的流動狀態，判斷系統是否正常運行。

1 PC工控機2高速攝像儀3強光源4實驗段5銅管視鏡6溫度壓力傳感器7調壓器8恒溫水浴槽9, 18節流閥10蒸發器11氣液分離器12變頻壓縮機13油分離器14冷凝器15儲液罐16干燥過濾器17微小流量計19數據采集卡圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

1.2 實驗段

實驗段主要由5部分組成：鋁制流動腔、嵌入式矩形槽道、墊片、石英玻璃和上蓋板。高速攝像儀透過石英玻璃對槽道內流體的流動進行拍攝，實驗段側壁有4對測溫孔，采用A級Pt100鉑電阻進行測溫，在實驗段底部設置加熱板，加熱板的加熱功率可通過調壓器控制。整個實驗段用保溫棉包裹，以減少熱量損失。圖2所示為實驗段截面示意圖，具體參數尺寸見表1。

1.3 數據處理

實驗段選用的6063-T5型鋁制基底，導熱系數高，熱平衡偏差小，且在通道飽和沸騰區域內，壁面溫度相對穩定，因而可以認為熱量傳遞的方向是一維穩態的，熱量沿著圖2所示的方向傳遞[10]。

表1 微通道橫截面尺寸表(mm)Tab.1 Geometrics parameters of the tested section (mm)

圖2 實驗段橫截面示意圖Fig.2 The specifications of microchannel’cross section

有效熱流密度：

(1)

壁面過熱度計算公式為：

(2)

q(Ww+Wch)=h(Tw-Ts)(Wch+2ηHch)

(3)

肋片效率η定義為：

(4)

式中：m為肋片參數，定義為：

(5)

本實驗所用制冷劑R22的物性參數均由REFPROP7.0軟件獲得[11]。

2 實驗結果與分析

2.1 傳熱特性

圖3所示為0.6 mm×2 mm的微通道內，流動沸騰傳熱系數在不同熱流密度下與質量流率的關系。圖4所示為在不同槽道尺寸下，流動沸騰傳熱系數隨熱流密度的變化規律。由圖3可知，不同熱流密度條件下，質量流率從201.31 kg/(m2·s)增加到632.95 kg/(m2·s)，傳熱系數緩慢增長，但增幅在5%以內，這與文獻[12]提出的觀點相吻合，在核態沸騰下質量流率對傳熱系數的影響較小。

圖4中，0.6 mm×2 mm、1 mm×2 mm、2 mm×2 mm三種微通道的水力直徑分別為0.92 mm、1.33 mm和2 mm。在相同的水力直徑下，兩相沸騰傳熱系數隨著熱流密度的增大而增大。當熱流密度從6.9 kW/m2增加到30.6 kW/m2時，0.92 mm、1.33 mm、2 mm微通道的傳熱系數增幅分別達到92.9%、84.3%、104.4%，傳熱系數隨著熱流密度的增加而快速增加。這是因為隨著熱流密度的增加，壁面過熱度增加，氣泡的生長速度加快，吸收更多的熱量，兩相沸騰傳熱效果得到強化。

圖3 不同熱流密度下質量流率G對傳熱系數的影響Fig.3 Influence of mass flow rate on heat transfer coefficient under different heat flux

圖4 不同槽道尺寸下傳熱系數隨熱流密度的變化曲線Fig.4 Relationship between heat transfer coefficient and heat flux in different microhannel

在相同的熱流密度和質量流率下，比較三種微通道尺寸的傳熱系數發現，與2 mm槽道的傳熱系數相比，水力直徑為0.92 mm和1.33 mm槽道的傳熱系數值分別提高25%、12%。這與Choi K I等[13]的研究結果類似，是由于受到微通道尺寸限制，氣泡的脫離直徑變小，氣泡形成的周期縮短，同時頻率增加，液體受到的擾動加劇，在較低的熱流密度下進入旺盛的沸騰工況，沸騰傳熱效果得到強化。

2.2 沸騰傳熱關聯式的擬合

由于兩相流動沸騰傳熱過程相當復雜，影響因素很多，不同學者對各項因素對傳熱系數的影響機理尚未達成一致結論。將本實驗得到的傳熱系數值與一些學者推導的預測模型進行對比，結果如表2所示。

表2 模型預測值與實驗值的偏差Tab.2 The deviations between the calculation value with correlations and experimental value

(6)

從表2可知，Lazarek G M等[14]模型的預測效果相對最差，MAE為40.9%。Yun R等[7]模型的預測值與實驗值最為吻合，MAE為29.4%，這是因為與另外兩個模型相比，Yun R等[7]模型考慮了微通道尺寸等因素。為了進一步提高預測模型的準確度，本文在Oh H K等[15]和Yun R等[7]模型的思想基礎上，考慮氣泡的生長速率等因素，引入雅各比數Ja等無量綱參數，進行多元非線性擬合：

(7)

(8)

其中：Bo=q/Ghfg

(9)

(10)

Wel=G2Dh/ρlσ

(11)

將實驗數據代入進行擬合，可得到下式：

(12)

將本文各工況點實驗值與擬合得到的關聯式預測值進行對比，結果如圖5所示。預測效果與Yun R等[7]模型相比有顯著提升，平均絕對誤差MAE降為8.18%，84.1%的實驗值位于模型預測值的±15%內。

圖5 實驗值與關聯式預測值對比Fig.5 Comparison between the experimental and predicted result using the new correlation

3 可視化研究

圖6所示為0.6 mm×2 mm槽道在蒸發壓力為744 kPa下，隨著熱流密度變化微通道內出現的主要流型，此時高速攝影相機的采集頻率為1136 fps。1 mm×2 mm槽道和2 mm×2 mm槽道內出現的流型基本相似。

當熱流密度為q=6.9 kW/m2時，主流體未達到飽和溫度，仍以氣泡沸騰方式傳熱。隨著熱流密度的增加，流動沸騰充分發展，加熱壁面上氣泡的生長速度增快，氣泡脫離的直徑也增大，容易聚合形成大氣泡和彈狀流，如圖6(b)所示。

在圖6(c)中，熱流密度為q=18.1 kW/m2時，槽道內液體快速蒸發，氣體的流量進一步增加，子彈狀的氣泡破裂與液體重新混合，氣液兩相在流道中所占截面比例相當，氣相與液相相互攪拌，難以形成明顯的截面。

熱流密度q=24.5 kW/m2時，含氣量進一步增加，形成環狀流，如圖6(d)所示。氣流位于微通道中間，液相以環狀液態薄膜的形式存在于矩形微通道周圍，傳熱方式為液膜蒸發。當熱流密度增加到q=30.6 kW/m2時，觀察到的流型主要為環狀流以及局部干涸、再潤濕現象，并且在微通道底部出現了波浪式氣體層現象，此時的熱流密度為該工況下的臨界熱流密度(CHF)。在CHF下，傳熱系數已達到最大值，并有惡化的趨勢，壓力波動較大。這與文獻[16-17]研究中觀察到的現象基本一致。

圖7所示為微通道出現CHF情況下，氣液兩相與壁面接觸的示意圖。在圖7(a)的下部，流型為環狀流；在圖7(a)的上部，側壁面過熱度過大，側壁面上的液膜被迅速蒸發變薄，直至消失，此時側壁面發生干涸。圖7(b)為微通道底部的干涸點示意圖。隨著微通道底部過熱度的增加，壁面蒸發速率加快，微通道底部的液膜不斷減薄，同時作用在氣泡上的剪切力沿著流動方向不斷增加，使得連續的液膜被分離開并夾帶在氣體層內，這樣就產生了波浪式氣體層的現象。

(a)泡狀流 q=6.9 kW/m2，G=253 kg/(m2·s) (b)彈狀流q=12.2 kW/m2，G=253 kg/(m2·s) (c)攪拌流q=18.1 kW/m2，G=253 kg/(m2·s) (d)環狀流q=24.5 kW/m2，G=253 kg/(m2·s) (e)局部干涸q=30.6 kW/m2，G=253 kg/(m2·s)圖6 0.6 mm×2 mm槽道內典型流型圖Fig.6 Experimental flow pattern in 0.6 mm×2 mm microchannel

a槽道側面干涸點形成 b槽道底部干涸點形成圖7 0.6 mm×2 mm槽道內局部干涸現象圖Fig.7 Phenomenon of local dryout in 0.6 mm×2 mm microchannel

4 結論

采用制冷劑R22為實驗工質，在水力直徑分別為0.92 mm、1.33 mm、2 mm的微通道內，熱流密度和質量流率分別在6.9～30.6 kW/m2、201.31～632.95 kg/(m2·s)范圍內變化時，進行兩相流動沸騰實驗以及可視化研究，得到以下結論：

1)在核態沸騰下，傳熱系數受質量流率影響較小，卻隨著熱流密度的增加而快速增加；在相同的熱流密度和質量流率下，與2 mm槽道相比，0.92 mm和1.33 mm槽道的沸騰傳熱系數分別提高25%和12%。

2)將實驗獲得的傳熱數據與已有的模型進行對比，均存在較大的誤差，結合本實驗數據，引入雅各比數Ja，在Oh H K等[15]和Yun R等[7]模型的思想基礎上，擬合得到的關聯式能很好預測本實驗各工況下的傳熱系數，MAE為8.18%。

3)隨著熱流密度的升高，在微通道內出現泡狀流、彈狀流、攪拌流、環狀流等流型。在臨界熱流密度系下，微通道內出現干涸現象，微通道底部有波浪式氣體層現象。

[1] 過增元. 國際傳熱研究前沿-微細尺度傳熱[J]. 力學進展, 2000, 30(1): 1-6. (Guo Zengyuan. Frontier of heat transfer-microscale heat transfer[J]. Advance in Mechanics, 2000, 30(1): 1-6.)

[2] 張鵬, 付鑫, 王如竹. 微通道內流動沸騰的研究進展[J]. 制冷學報, 2009, 30(2): 1-7. (Zhang Peng, Fu Xin, Wang Ruzhu. Review on flow boiling in micro-channels[J]. Journal of Refrigeration, 2009, 30(2): 1-7.)

[3] Tran T N, Wambsganss M W, France D M. Small circular-and rectangular-channel boiling with two refrigerants[J]. International Journal of Multiphase Flow, 1996, 22(3): 485-498.

[4] Garimella S V. Advances in mesoscale thermal management technologies for micro-electronics[J]. Microelectronics Journal, 2006, 37(11): 1165-1185.

[5] Wu P, Little W A. Measurement of the heat transfer characteristics of gas flow in fine channel heat exchangers used for microminiature refrigerators[J]. Cryogenics, 1984, 24(8): 415-420.

[6] Ravigururajan T S. Impact of channel geometry on two-phase flow heat transfer characteristics of refrigerants in microchannel heat exchangers[J]. Journal of Heat Transfer, 1980, 120(2): 485-491.

[7] Yun R, Heo J H, Kim Y, et al. Evaporative heat transfer and pressure drop of R410A in microchannels[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(1): 92-100.

[8] Kandlikar S G, Bapat A V. Evaluation of jet impingement, spray and microchannel chip cooling options for high heat flux removal[J]. Heat Transfer Engineering, 2007, 28(11): 911-923.

[9] Kandlikar S G. Heat transfer mechanisms during flow boiling in microchannels[J]. Journal of Heat Transfer, 2004, 126(1): 8-16.

[10] Stefan S B, Eckhard A G, Suresh V G. Refrigerant flow boiling heat transfer in parallel microchannels as a function of local vapor quality[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51(19/20): 4775-4787.

[11] Hettiarachchi H D M，Golubovic M, Worek W M, et al. Optimum design criteria for an organic Rankine cycle using low-temperature geothermal heat sources[J]. Energy, 2007, 32(9): 1698-1706.

[12] Lee H J, Lee S Y. Heat transfer correlation for boiling flows in small rectangular horizontal channels with low aspect ratios[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2001, 27(12): 2043-2062.

[13] Choi K I, Oh J T, Saito K, et al. Comparison of heat transfer coefficient during evaporation of natural refrigerants and R-1234yf in horizontal small tube[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 41: 210-218.

[14] Lazarek G M, Black S H. Evaporative heat transfer pressure drop and critical heat flux in a small vertical tube with R-113[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1982, 25(7): 945-960.

[15] Oh H K, Son C H. Condensation heat transfer characteristics of R-22, R-134a and R-410A in a single circular microtube[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, 35(4): 706-716.

[16] Thorncroft G E, Klausner J F, Mei R. An experimental investigation of bubble growth and detachment in vertical upflow and downflow boiling[J]. Heat Mass Transfer, 1998, 41(23): 3857-3871.

[17] Konishi C, Mudawar I, Hasan M M. Investigation of localized dryout versus CHF in saturated flow boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 67: 131-146.

About the corresponding author

Deng Cong, male, master candidate, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, +86 15622105202, E-mail: davidcong78@vip.qq.com. Research fields: microscale heat transfer. The author takes on project supported by the National Science Foundation of China: Two-phase Boiling Heat Transfer under the Enhancement of Electric Field and Nanofluid based on Microchannels with Low Surface Energy.

Research on Boiling Heat Transfer Characteristics and Visualization ofRefrigerant in Rectangular Microchannels

Deng Cong1Luo Xiaoping1Feng Zhenfei1,2Zhang Ruida1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou, 510640, China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning, 530004, China)

To investigate the characteristics of flow boiling and heat transfer in microchannels, experiments was carried in rectangular microchannels using refrigerant R22 as working fluid, and visualization experiment was performed using high speed camera. The results show that: heat transfer coefficient is barely influenced by the mass flow rate, but it increases rapidly along with the increment of the heat flux. The smaller the size of microchannels, the better heat transfer effects. Under the same condition of heat flux and mass flow rate, the values of heat transfer coefficient in 0.92 mm and 1.33 mm microchannels increase by 25% and 12% respectively compared to that of 2 mm. A new correlation based on the models of Oh H K et al[15]and Yun R et al[7]is shown to provide very good predictions, evidenced by an overall MAE of 8.8%. Wavy vapor layer was observed under the critical heat flux in visualization experiment.

flow boiling; rectangular microchannels; empiric correlation; visual

國家自然科學基金(21276090)項目資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.21276090).)

2015年5月18日

0253- 4339(2015) 06- 0001- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.001

TB61+2;TK124

A

鄧聰，男，碩士研究生，華南理工大學機械與汽車工程學院，15622105202，E-mail: davidcong78@vip.qq.com。研究方向：微尺度傳熱研究。現在進行的研究項目有：國家自然科學基金項目——基于低表面能處理的微細通道電場強化納米流體相變傳熱。