超聲波對微細通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱影響

羅小平，喻 葭，王 文

超聲波對微細通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱影響

羅小平，喻 葭，王 文

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640）

為探究有無超聲波作用下微細通道內納米流體流動沸騰傳熱特性，該研究設計了一種可以放置超聲波換能器的微細通道試驗段，運用超聲波振蕩法制備了納米顆粒質量分數為0.1%、0.2%、0.3%的均勻穩定TiO2/R141b納米制冷劑。在設計系統壓力為152 kPa，有效熱流密度的范圍為10.8～22.7 kW/m2，超聲功率為50 W，超聲頻率為23 kHz，質量流率為121.1 kg/(m2·s)，入口溫度為35℃的工況下，在截面寬度為2 mm的矩形微細通道內進行流動沸騰試驗。研究結果表明：納米顆粒質量分數為0.2%時的傳熱系數較高，強化傳熱效果較好，超聲波作用下仍是質量分數為0.2%的納米流體強化傳熱效果較好，相對于無超聲情況下R141b平均飽和沸騰傳熱系數最大提高了89.9%。熱流密度對超聲波強化傳熱效果有很大影響，不同熱流密度下強化效果有明顯差距，聲場作用下納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數隨有效熱流密度的增大呈先增后降的趨勢。通過COMSOL軟件對通道內汽液界面的聲場進行了模擬，模擬結果表明超聲波在汽泡中的傳播較弱。對于質量分數為0.2%的納米制冷劑，進出口超聲作用下超聲強化因子最大為1.46。該研究結果可為通過施加超聲波提高微細通道換熱性能提供新思路。

超聲波；流動沸騰；微細通道；納米粒子；傳熱

0 引 言

在農業工程中，農業機械的散熱問題近年來被廣泛關注。微細通道具有尺寸小和換熱效率高等特點，故而在太陽能電池的散熱、農產品的干燥系統、LED光源系統的冷卻等方面有著重要的前景[1-3]。Bogojevic等[4]通過試驗對比了細通道和常規通道中的汽泡生長情況，發現細通道內和常規通道內的汽泡生長率不同，由于細通道的約束作用導致細通道內的汽泡具有獨特的運動狀態。超聲波強化傳熱作為一種有源強化方法早在20世紀60年代就受到學者的關注。Fand等[5]發現超聲波能夠強化自然對流傳熱。Bulliard-Sauret等[6]通過試驗研究了2 MHz超聲波對強制對流傳熱的影響，并推導出超聲波功率與傳熱系數之間的關系式。在超聲波功率為110 W、加熱功率為450 W的工況下，傳熱系數相對于無超聲工況下提高25%～90%。超聲聲流作用極大地改變了工質流動方向和湍流特性，由于聲流效應增強了流體的湍流，而流體的湍流增強會使得傳熱傳質增強。Legay等[7]設計了一種利用超聲波強化換熱的管式換熱器，分為外管和內管，熱流體和冷流體分別在內管和外管中流動。超聲波的聲流作用使得換熱管內管邊界上的流體產生擾動，內管周圍的流動區域熱阻在冷熱管發生熱交換時有所減小，從而傳熱系數有所增大。Liu等[8]認為在局部核態沸騰條件下，超聲聲流不僅可以增強流體的擾流作用，而且可以增強汽泡成核，提高汽泡產生的速率。由此可見，超聲聲流在核態沸騰段通過對汽泡產生作用力，從而影響汽泡的產生與脫離，起到了強化沸騰傳熱的效果。納米流體強化傳熱技術的提出要比超聲波強化技術晚了近20年，因而一經提出就受到大量關注。Saeed等[9]選取Al2O3-H2O納米流體在細通道中進行流動傳熱試驗，通過分析試驗數據，發現單相對流傳熱時納米流體的傳熱系數相對于純水有明顯的提高。當細通道直徑分別為1.5、1和0.5 mm時，納米流體強化傳熱分別提高24.9%、27.6%和31.1%。Ho等[10]在1 mm×1.5 mm的矩形細通道中進行流動沸騰試驗，Al2O3-H2O納米流體的濃度在0.5%～10%之間，試驗發現當納米流體濃度超過6%以后，納米流體的濃度對強化傳熱的效果開始減弱，試驗過程中納米流體傳熱系數最大提高72%。還有部分研究者研究了超聲波納米流體復合強化傳熱[11-12]。

綜上分析，目前超聲波強化傳熱的研究多在大空間傳熱，在微細通道內沸騰傳熱的研究較少，在微細尺寸通道條件下面臨超聲波裝置引入的問題。超聲波對汽泡的產生和脫離均有較大的影響，但已有的研究只是針對超聲強化單相對流傳熱，因此研究超聲波作用下微細通道內的飽和流動沸騰很有必要。本文設計了一種可以放置超聲波換能器的微細通道試驗段，采用“兩步法”配置TiO2-R141b納米制冷劑，并加入Span80作為表面活性劑增加納米制冷劑穩定性，研究超聲波對納米制冷劑在微細通道內強化傳熱特性，分析強化傳熱機理。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗系統

微細通道散熱技術可以很好地改善農業機械的散熱問題，而通過施加超聲場可以強化微細通道的傳熱效率，本文設計可置入超聲波換能器的試驗段，探究超聲場強化微細通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱。試驗系統如圖1a所示，整個試驗系統包括注液與循環模塊、工質加熱與冷卻模塊、試驗段模塊以及數據采集模塊。工質制冷劑由注液裝置注入，經磁力泵流入管路循環系統，經過預熱水箱的預熱，由純液相流入試驗段，經過受熱，以汽液兩相流從試驗段出口流出。經過冷卻水箱冷凝后流回儲液罐，完成整個系統的循環。

本次試驗使用的試驗段經過特殊設計從而滿足超聲波微細通道流動沸騰傳熱試驗要求。試驗段結構如圖1b所示，從上到下依次為鋁制蓋板、墊圈、可視化玻璃、微細通道熱沉、換能器組件、基座等。在基座上設有進出口測溫孔，以及側壁的4對測溫孔，4對測溫孔與工質入口的距離分別為84、128、172、216 mm，測溫采用WRNK-191K型熱電偶，用于測量壁面溫度沿流動方向的分布情況，上下4對熱電偶結合，用于推算微細通道內的有效熱流密度。換能器組件包括固定板和超聲波振子，超聲波換能器固定板安裝在進出口的腔體中，固定板與振子的安裝可調為2個角度，分別為45°和70°，試驗前經測試，角度為70°時強化傳熱效果更好，故本試驗把固定板與斜板的角度調為70°。

圖1 試驗平臺示意圖

本次試驗中使用的微細通道熱沉總共由14條并行細通道組成，總長度為220 mm，寬度為160 mm，便于超聲裝置引入以及試驗所需參數的測量。圖1c為微細通道截面示意圖。

為研究超聲波對微細通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱的影響，納米制冷劑不同壓力下飽和溫度不同，本文設計系統壓力為152 kPa。為使微細通道內飽和沸騰段以泡狀流為主，入口溫度統一設定為35 ℃。經測試選擇適宜的試驗條件，在質量流率為121.1 kg/(m2·s)，超聲功率為50 W，頻率為23 kHz工況下，在微細通道中進行流動沸騰試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 納米制冷劑配制

本試驗納米制冷劑的配制選用R141b純制冷劑和TiO2納米顆粒，其中納米顆粒的粒徑大小為25 nm，純度為99.8%，性質穩定。為制備出性能良好穩定的納米制冷劑，本試驗采用兩步法[13]。

由于本次試驗選用TiO2納米顆粒，文獻[14-15]證實了Span80作為TiO2納米顆粒的表面活性劑具有較好的分散效果，因此選擇Span80作為分散劑。本課題組對微細通道內納米制冷劑的流動沸騰進行了大量研究[16-18]，當納米流體質量分數低于0.1%時，對強化傳熱的效果不明顯，而當納米流體質量分數太高時，顆粒容易在壁面上沉積。在本試驗中也對質量分數超過0.3%的試驗工況進行了探索，如質量分數0.35%、0.4%等，強化傳熱效果都比0.3%的差。因此，配置質量分數分別為0.1%、0.2%和0.3%的納米制冷劑，添加的表面活性劑的質量分數均為0.5%。納米流體的制備過程如下：1）用量筒量取滿足系統運行所需要的R141b的量，分別計算3種質量分數納米流體所需的納米顆粒質量并倒入盛有R141b的容器中。2）計算所需表面活性劑Span80的質量并用天平稱取倒入容器中。3）密封容器并進行搖晃，得到初步的TiO2/Span80/R141b混合溶液，再將容器放置在超聲波振蕩儀中，經過超聲波振蕩60 min，得到不同納米顆粒質量分數的均勻穩定的納米制冷劑。

1.2.2 熱損失預試驗

試驗段除可視化窗口以外均包裹上保溫棉以減少熱損失，但是仍有部分熱量以自然對流等方式散失。,本文采用單相熱平衡試驗來進行熱損失的計算[19-20]：通過調節主回路控制閥的開度控制進入系統的流量大小，調節變壓器從而改變輸出功率，通過可視化窗口確保工質在流出試驗段時仍為全液相。在系統達到平衡后采集數據，并計算試驗段的熱損失

式中為熱損失率；為質量流率，kg/s；為加熱板的功率，kW；f表示工質吸收的熱量，kW；p,l表示操作壓力下工質定壓比熱容，kJ/(kg·K)；in表示入口工質的溫度，℃；out表示出口工質的溫度，℃；為熱流密度，kW/m3；為加熱板的面積，m2。

單相熱平衡試驗發現，不同熱流密度下熱損失率的范圍在0.08～0.27之間。當熱流密度增大時，工質的傳熱效率會隨著熱流密度的增加而升高，熱損失率減小，超過了一定的熱流密度4.8 kW/m2時，熱損失率在平均值0.18附近波動，試驗工況下絕大部分熱流密度超過了此值，故本文的流動沸騰過程中熱損失率取0.18。有眾多學者[21-22]采用此方法評估系統的熱損失率，被證實是可靠的。

1.2.3 試驗數據處理

1）有效熱流密度

本試驗采用加熱板加熱，為了保證試驗結果的準確性，計算有效熱流密度需要將試驗段的熱損失考慮進來，有效熱流密度為

式中eff為有效熱流密度，kW/m2。

2）質量流率

試驗中通過渦輪流量計測量流經試驗段的體積流量，經流量積算儀讀出體積流量值，則質量流量為

流經單根通道的質量流率

式中表示體積流量，L/h；為工質的密度，kg/m3；表示單根通道的質量流率，kg/(m2·s)；表示細通道數目；ch表示單個通道的寬度，m；ch表示單個通道的高度，m。

3）工質溫度

由熱平衡推得通道過冷區的長度sub[23]為

飽和沸騰段的長度

為了不影響微細通道內的結構，工質的溫度無法直接測量，故通過以下公式插值計算

式中sub表示過冷區域的長度，m；sat表示系統壓力下工質的飽和溫度，K；in表示試驗段工質入口溫度，K；表示通道的長度，m；sat表示飽和沸騰區域的長度，m；表示溫度測點與入口測溫孔的距離，m；t表示細通道熱沉的寬度，m。

4）傳熱系數

由于微細通道底面與基座底面加工精度較高，壁面溫度分布均勻，固忽略壁面沿流動方向的熱傳遞，將模型簡化為一維穩態導熱。根據文獻[24]的計算方法，將微細通道簡化為肋片模型，可以得到測溫點的局部傳熱系數

其中

式中h表示第對測點處的局部傳熱系數，W/(m2·k)；w,n和f,n分別表示第對測點處通道底面和測點處溫度，K；表示肋片效率；表示肋片系數；表示上測溫點與通道底部的距離，m；w表示相鄰兩根細通道的間距，m。

5）超聲強化因子

為了直觀的體現出超聲波作用下對微細通道飽和沸騰區流動沸騰傳熱的強化效果，引入超聲波強化因子（Ultrasound Enhancement Factor，UEF）

式中h和分別表示有無超聲波作用時的平均飽和沸騰傳熱系數，W/(m2·K)。

6）誤差分析

在試驗數據采集時存在著儀器直接測量誤差，本次試驗采用精度為0.5%的渦輪流量計，精度為0.2%的MIK-ST500溫度變送器和WRNK-191熱電偶，精度為0.5%的HC-HVG4壓力傳感器。在數據處理過程中存在著傳遞誤差，計算誤差可以根據誤差傳遞原理[25]得到，從而計算得到相對不確定度。

本文主要物理量的相對不確定度如表1所示。

表1 主要物理量的誤差

1.2.4數值模型

為探究在本文試驗工況下，聲場對微細通道的強化傳熱機理，使用COMSOL軟件對微細通道內汽液界面聲場的分布進行模擬。假設汽泡脫離前為球形[26]，只考慮汽泡對聲壓分布的影響，不考慮汽泡受到的其他作用力。超聲波在通道內沿流動方向傳播，取一個含汽泡的截面作為計算模型，寬度為2 mm，長度為6 mm。通道出入口設置一定壓力數值[27]，網格劃分采用COMSOL自帶的物理場控制網格并極細化處理，計算模型與網格劃分如圖2。

圖2 微細通道內汽液界面模型與網格劃分

2 試驗結果與分析

2.1 有無超聲作用下不同質量分數納米流體傳熱

納米流體的質量分數對強化傳熱有著重要的影響，不同質量分數的納米流體有著不同的傳熱效果[28]。試驗配制了質量分數分別為0.1%、0.2%和0.3%的3種TiO2/R141b納米流體，對比有無超聲波作用下3種質量分數納米流體與純制冷劑R141b的飽和沸騰傳熱特性。

如圖3所示，無超聲作用時3種不同質量分數的納米流體平均飽和沸騰傳熱系數相對于R141b都有很大的提升，納米流體平均飽和沸騰傳熱系數隨有效熱流密度（10.8～22.7 kW/m2）的增大而提高。隨著有效熱流密度的增大，汽泡的生成、成長、合并和破裂，會引起汽泡周圍的納米流體擾動，進而加劇納米顆粒之間，納米顆粒與壁面之間相互作用及碰撞，進而強化傳熱[29]。有效熱流密度在15.2 kW/m2以內時，其中質量分數為0.2%的納米流體強化效果優于其他2種質量分數的納米流體。在有效熱流密度為10.83 kW/m2時，3種不同質量分數納米流體相對于純制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數分別提高28.9%、33.3%和32.1%。當納米顆粒質量分數在小于0.2%時，若增加工質中納米顆粒TiO2的質量分數，能夠提高微細通道壁面的表面能和流體工質導熱率，傳熱壁面熱阻增加不明顯，其作用主要體現在強化傳熱上；而當納米顆粒質量分數達到0.2%后，進一步提高納米顆粒的濃度，TiO2納米顆粒在微細通道壁面的沉積會使微細通道傳熱壁面的熱阻增大，從而造成傳熱效率的降低。這意味著流體工質中納米顆粒在強化傳熱的同時，也會增大了傳熱壁面的熱阻，納米流體強化傳熱存在最優濃度[30]。有效熱流密度大于19.8 kW/m2后，3種質量分數的納米流體平均飽和沸騰傳熱系數較為接近。進口施加超聲波作用后，如圖3所示，3種不同質量分數納米流體相對于無超聲作用下R141b平均飽和沸騰傳熱系數分別最大提高了45.0%、63.1%和48.6%。進出口同時施加超聲波作用下，3種不同質量分數納米流體相對于無超聲作用下R141b平均飽和沸騰傳熱系數分別最大提高了85.7%、89.9%和81.1%，超聲波的強化傳熱效果顯著。由圖3b，3c可見，施加超聲波后仍然是質量分數為0.2%的納米制冷劑有較好的傳熱效果。

以納米制冷劑質量分數為0.2%為例，討論不同超聲波作用方式下平均飽和沸騰傳熱系數隨有效熱流密度的變化。在有效熱流密度小于15.2 kW/m2之前，有超聲波作用下的納米制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數隨著有效熱流密度的增大而緩慢上升，之后開始下降。有效熱流密度為12.24 kW/m2時，施加進口超聲波相對于無超聲時平均飽和沸騰傳熱系數提高了17.8%，進口和出口同時超聲波作用下對傳熱系數的提高愈加明顯，平均飽和沸騰傳熱系數提高了41.1%。當有效熱流密度為15.219.8 kW/m2時，超聲波作用下的納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數隨著有效熱流密度的提高而下降。有效熱流密度為16.8 kW/m2時，納米制冷劑在進口超聲波作用下相比于無超聲波作用時平均飽和沸騰傳熱系數提高了14.5%，在進出口同時作用超聲波下的平均飽和沸騰傳熱系數只提高了27.6%。

在有效熱流密度提高到一定值之后（eff>19.8 kW/m2），納米制冷劑在超聲波作用下的傳熱系數與無超聲作用下的傳熱系數差別很小。在有效熱流密度為22.62 kW/m2時納米制冷劑在進出口超聲波同時作用時的平均飽和沸騰傳熱系數僅提升6.6%。此時超聲波起到的強化傳熱效果微弱。

2.2 微細通道內汽液界面聲壓分布

由于超聲波在液體工質和汽液兩相流工質中傳播的差異很大，可以通過數值計算模擬通道壁面上產生汽泡后通道內的聲壓分布情況，在通道內對一個汽泡進行分析。在汽泡體積較小尚未脫離前，聲壓的正負交替使得汽泡發生振蕩，在本試驗中，汽泡受到的合力方向朝著主流區斜向上，汽泡與微細通道加熱面的接觸線的收縮會使汽泡更容易從壁面脫離。

圖3 有無超聲波作用下納米制冷劑與R141b平均飽和沸騰傳熱系數對比

如圖4所示，通道內的聲壓分布在汽泡周圍發生了變化，在汽泡的兩側向中間聲壓逐漸衰減，且越靠近汽泡衰減越快，在汽泡內衰減到最小值。

圖4 通道內的聲壓云圖

由此可見超聲波在汽泡中的傳播較弱，當通道內存在汽泡時，汽泡會改變整個通道內的聲壓分布情況。結合聲壓分布情況，可以對上節中不同熱流密度情況下超聲波的強化傳熱效果做出解釋，超聲波的強化作用主要來自聲壓對汽泡的作用以及超聲空化作用，聲壓作用可以加快汽泡的產生同時也加速汽泡的脫離。隨著聲壓的增大，溫度分布趨于均勻，這是由于聲流的產生使得流體的混合更加均勻[31]。流體混合得越均勻，傳熱效果越好。在有效熱流密度小于15.2 kW/m2之前，通道內的汽相體積占比較小，超聲聲壓衰減較少，強化傳熱效果較好。在中等有效熱流密度下（eff>15.2 kW/m2），飽和沸騰段氣相體積分數增大，超聲波在汽泡中的傳播較弱，強化傳熱效果減弱。在有效熱流密度提高到一定值之后（eff>19.8 kW/m2），汽泡數量過多合并形成拉長狀的受限汽泡，此時超聲場的強化作用很弱，傳熱效果與無超聲情況接近。

2.3 超聲強化因子對比分析

根據式（10）得到試驗中不同有效熱流密度下2種超聲波作用方式的UEF值，如圖5。從圖5中可以得出施加超聲場后的超聲強化因子均不小于1，只有進口超聲作用下及進出口同時超聲作用下的超聲強化因子最大分別為1.26和1.46，說明聲場能夠強化微細通道內納米流體TiO2/R141b的沸騰傳熱。

圖5 不同超聲作用方式下超聲強化因子比較

進一步研究可以發現，當有效熱流密度較小時（eff<15.2 kW/m2），進出口同時超聲波作用下的超聲強化因子相對于只在進口作用超聲波有很大的提升，低熱流密度下，超聲波主要通過促進汽泡的產生來強化傳熱。超聲波通過正負壓交替對汽泡產生作用力，汽泡生長的同時受到振蕩作用，汽液界面的擾動作用會增強，超聲波激活了較多的汽化核心[32]。納米顆粒本身具有強化傳熱的作用，但是易團聚且容易沉積在通道表面。超聲波在含有納米顆粒的流體中作用會引起顆粒波動，起到防止團聚的作用[33]。只在進口施加超聲波時，超聲波促進汽泡的脫離，使汽泡的脫離直徑減小。而進出口同時作用時，聲波發生了疊加，使得聲壓幅值增大，超聲效應越明顯，對通道內汽泡產生較強的擾動效果，對微細通道內沸騰傳熱產生的影響越大，所以進出口同時施加超聲波的強化作用明顯高于只在入口施加超聲波。當熱流密度較大時（eff>20.99 kW/m2），2種超聲波作用方式下的強化傳熱因子較為接近，且都接近于1。這是因為在高熱流密度下飽和沸騰段內主要為拉長汽泡流，此時大汽泡的當量直徑大于通道的寬度尺寸，大汽泡會明顯弱化超聲的傳播。由聲壓云圖（圖4）可以看出，聲壓在汽泡附近衰減嚴重，而熱流密度較大時，此時飽和沸騰段氣相體積分數很大，微細通道內的流型主要為拉長汽泡流，流型變化導致傳熱一致。通過對超聲波作用下微細通道內納米制冷劑的流動沸騰傳熱特性的研究，可以通過施加超聲場提高微細通道換熱器的性能，為解決農業機械散熱問題提供新思路。

3 結 論

本文制備了3種不同質量分數的納米流體，探究了超聲波和TiO2/R141b納米制冷劑協同作用下的流動沸騰傳熱特性，對比了有無超聲波作用下納米流體的傳熱系數，得出以下結論：

1）超聲波能夠強化微細通道流動沸騰傳熱，進出口同時超聲波作用下0.1%、0.2%和0.3%3種不同質量分數納米流體相對于無超聲作用下純制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數分別最大提高了85.7%、89.9%和81.1%。有無超聲波作用下均是納米流體質量分數為0.2%時，強化傳熱效果最好。

2）不同熱流密度下超聲波對納米制冷劑的強化傳熱效果有差異：在有效熱流密度小于15.2 kW/m2時，進出口超聲波同時作用下納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數隨熱流密度增大而增大，與無超聲相同工況相比最大提高了41.1%；當有效熱流密度在15.2～19.8 kW/m2時，超聲波作用下的納米制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數隨著有效熱流密度的增大而減小，超聲波的強化傳熱效果開始減弱；在有效熱流密度大于19.8 kW/m2后，有無超聲波作用下的傳熱系數接近，超聲波起到的強化作用微弱。

3）只有進口超聲作用下的超聲強化因子最大為1.26，進出口同時超聲作用下的超聲強化因子最大為1.46。進出口同時超聲波作用下的強化傳熱效果比只有進口超聲波作用好。

[1] 閆素英，李洪陽，史志國，等. 太陽能電池冷卻用微通道散熱器內納米流體換熱特性[J]. 農業工程學報，2016，32(13)：212-217.

Yan Suying, Li Hongyang, Shi Zhiguo, et al.Heat transfer characteristics of nanofluids in microchannel radiators for solar cell cooling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 212-217. (in Chinese with English abstract)

[2] 李偉釗，盛偉，張振濤，等. 熱管聯合多級串聯熱泵玉米干燥系統性能試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(4)：278-284. Li Weizhao, Sheng Wei, Zhang Zhentao, et al. Experiment on performance of corn drying system with combination of heat pipe and multi-stage series heat pump equipment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 278-284. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉曉英，焦學磊，徐志剛，等. 可調 LED 光源系統設計及其對菠菜生長的影響[J]. 農業工程學報，2012，28(1)：208-212. Liu Xiaoying, Jiao Xuelei, Xu Zhigang, et al. Design on LED flexible light system and its effect on growth of spinach[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 208-212. (in Chinese with English abstract)

[4] Bogojevic D, Sefiance K, Duursama G, et al. Bubble dynamics and flow boiling instabilities in microchannel[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2013, 58(1/2):663-675.

[5] Fand R M, Kaye J. Acoustic streaming near a heated cylinder[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 1960, 32(5): 579-584.

[6] Bulliard Sauret O, Ferrouillat S, Vignal L, et al. Heat transfer enhancement using 2 MHz ultrasound[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2017, 39: 262-271.

[7] Legay M, Simony B, Boldo P, et al. Improvement of heat transfer by means of ultrasound: Application to a double-tube heat exchanger[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2012, 19(6): 1194-1200.

[8] Liu F C, Chen S W, Lee J D. Feasibility Study of Heat Transfer enhancement by ultrasonic vibration under subcooled pool condition[J]. Heat Transfer Engineering, 2018, 39(7/8): 654-662.

[9] Saeed M, Kim M H. Heat transfer enhancement using nanofluids (Al2O3-H2O) in mini-channel heatsinks[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2018, 120(25): 671-682.

[10] Ho C J, Chen W C. An experimental study on thermal performance of Al2O3/water nanofluid in a minichannel heat sink[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 516-522.

[11] 李長達. 超聲波對池沸騰換熱影響的試驗研究[D]. 北京：華北電力大學，2016.

Li Zhangda. Experimental Study on the Effect of Ultrasonic on Pool Boiling Heat Transfer[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[12] Amiri D A, Sajjadi H, Izadi M, et al. The simultaneous effects of nanoparticles and ultrasonic vibration on inlet turbulent flow: An experimental study[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 146(2019): 268-277.

[13] Hwang Y, Lee J K, Jeong Y M, et al. Production and dispersion stability of nanoparticles in nanofluids[J]. Powder Technology, 2008, 186(2): 145-153.

[14] 宋哲，高濂，李強. 納米TiO2顆粒在制冷工質中的分散[J]. 物理學報，1997，45(7)：1239-1243.

Song Zhe, Gao Lian, Li Qiang. Dispersion of nano TiO2particles in refrigerating medium[J] Journal of Physics, 1997, 45(7): 1239-1243. (in Chinese with English abstract)

[15] 姜未汀. 納米制冷劑的熱導率、穩定性及納米流體電導率的試驗與建模[D]. 上海：上海交通大學，2009.

Jiang Weiting.Experimental and Modeling of Thermal Conductivity, Stability and Nanofluid Conductivity of Nano-refrigerants[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[16] 馮振飛，羅小平，周建陽，等. 微通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱預測模型[J]. 農業機械學報，2016，47(8)：346-355.

Feng Zhenfei, Luo Xiaoping, Zhou Jianyang, et al. Prediction model for flow boiling heat transfer of nano-refrigerant in microchannels[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(8): 346-355.(in Chinese with English abstract)

[17] Zhou J, Luo X, Deng C, et al. Influence of nanoparticle concentrations on flow boiling heat transfer coefficients of Al2O3/R141b in micro heat exchanger by direct metal laser sintering[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2017,25(12):1714-1726.

[18] 羅小平，郭峰，王文，等. 換熱器微細通道納米流體沸騰混沌特征與強化傳熱的關系[J]. 農業工程學報，2018，34(3)：210-218.

Luo Xiaoping, Guo Feng, Wang Wen, et al. The relationship between boiling chaotic characteristics and enhanced heat transfer of nanofluids in micro-channels of heat exchangers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(3): 210-218.(in Chinese with English abstract)

[19] Deng D X, Xie Y L, Huang Q S, et al. On the flow boiling enhancement in interconnected reentrant microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 108(2017): 453-467.

[20] Yong T, Chen C, Zhang S W, et al. Effects of structural parameter on flow boiling performance of interconnected microchannel net[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 112(25): 164-173.

[21] Hetsroni G, Mosyak A, Pogrebnyak E, et al. Periodic boiling in parallel micro-channels at low vapor quality[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2006, 32(10/11): 1141-1159.

[22] Wang G D, Cheng P, Bergles A E. Effects of inlet/outlet configurations on flow boiling instability in parallel microchannels[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2008, 51(9/10): 2267-2281.

[23] Lee H, Park I, Mudawar I, et al. Micro-channel evaporator for space applications-1. Experimental pressure drop and heat transfer results for different orientations in earth gravity[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2014, 77(4): 1213-1230.

[24] Qu W L, 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 & Mass Transfer, 2003, 46(15): 2755-2771.

[25] Moffat R J. Describing the uncertainties in experimental results[J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 1988, 1(1): 3-17.

[26] 王文. 超聲波作用下細通道換熱器流動沸騰傳熱特性研究[D]. 廣州：華南理工大學，2019.

Wang Wen. Research on Flow Boiling Heat Transfer Characteristics of Thin Channel Heat Exchanger Under Ultrasonic Action[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[27] Yang X F, Liu Z H. Flow boiling heat transfer in the evaporator of a loop thermosyphon operating with CuO based aqueous nanofluid[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2012, 55(25/26): 7375-7384.

[28] 馮振飛. 電場作用下擾流螺旋線圈與納米流體強化細通道流動沸騰傳熱研究[D]. 廣州：華南理工大學，2018.

Feng Zhenfei. Study on Flow Boiling Heat Transfer Enhanced by Turbulent Spiral Coils and Nano-fluids Under the Electric Field[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2018.(in Chinese with English abstract)

[29] 鄧聰. 基于不同表面能微通道Al2O3/R141b納米制冷劑流動沸騰傳熱及動態特性研究[D]. 廣州：華南理工大學，2016.

Deng Cong. Flow Boiling Heat Transfer and Dynamic Characteristics of Al2O3/R141b Nano-refrigerants Based on Different Surface Energy Microchannels[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2016.(in Chinese with English abstract)

[30] Setareh M, Saffar avval M, Abdullah A. Heat transfer enhancement in an annulus under ultrasound field: A numerical and experimental study[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2020, 114(2020): 104560.

[31] Amiri D A, Sajjadi H, Izadi M, et al. The simultaneous effects of nanoparticles and ultrasonic vibration on inlet turbulent flow: An experimental study[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 146: 268-277.

[32] Wei Z S, Weavers L K. Combining COMSOL modeling with acoustic pressure maps to design sono-reactors[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2016, 31: 490-498.

[33] 周定偉，劉登瀛，胡學功，等. 聲空化場下水平圓管沸騰換熱的試驗研究[J]. 工程熱物理學報，2002，34(20)：179-181.

Zhou Dingwei, Liu Dengying, Hu Xuegong, et al. Experimental study on boiling heat transfer of horizontal tubes under acoustic cavitation field[J]. Journal of Engineering Thermophysics. 2002, 34(20): 179-181.(in Chinese with English abstract)

Effects of ultrasonic wave on flow and boiling heat transfer of nano-refrigerant in microchannels

Luo Xiaoping, Yu Jia, Wang Wen

(,,510640,)

An ultrasonic vibration field can be used to enhance the heat transfer efficiency in microchannels. This study aims to investigate the flow-boiling heat transfer characteristics of nanofluids in the microchannels with or without ultrasonic wave. A microchannel test was designed for the section that can be placed in an ultrasonic transducer. An ultrasonic vibration method was selected to prepare the uniform and stable TiO2/R141b nano-refrigerant with the mass fraction of 0.1%, 0.2% and 0.3%. The flow-boiling parameters of nanofluid were measured in the microchannels under ultrasonic wave. A flow boiling experiment was performed on a rectangular microchannel with a cross-sectional width of 2 mm, where the design system pressure of 152 kPa, the effective heat flux density ranged from 10.8 to 22.7 kW/m2, the ultrasonic power of 50 W, ultrasonic frequency of 23 kHz, mass flow rate of 121.1 kg/(m2·s), and inlet temperature of 35 ℃.Different enhancement effects of heat transfer can be achieved under the nanofluids with different mass fractions. The reason is that the nanoparticles can be used to enhance heat transfer, while increase the thermal resistance avoided by heat transfer, and thereby the increase of thermal resistance can reduce the heat transfer efficiency. The results show that the heat transfer coefficient reached the highest, when the mass fraction of nanoparticles was 0.2%, where the heat transfer enhancement effect can be the best. The nanofluid with a mass fraction of 0.2% under the action of ultrasound indicated the optimal enhancement effect of heat transfer, compared with the case of no ultrasound, where the average saturation boiling heat transfer coefficient of R141b increased by 89.9%. The heat flux posed a great influence on the enhanced heat transfer effect of ultrasonic. There was a significant difference in the enhancement effect under different heat fluxes. The average saturated boiling heat transfer coefficient of nano-refrigerant under the action of sound field increased first and then decreased, with the increase of effective heat flux density. The sound field of vapor-liquid interface in the microchannel was also simulated by COMSOL software. The simulation results show that the propagation of ultrasonic waves in the bubble was weak. When the effective heat flux density below 15.2 kW/m2, the ultrasonic wave can enhance the heat transfer via the increase in the breakaway frequency of the bubble, whereas, the average saturated boiling heat transfer coefficient increased, as the effective heat flux density increased. After the effective heat flux density was 15.2 kW/m2, the strengthening effect of ultrasound began to weaken, due to the increase of bubbles in the microchannel. When the effective heat flow density reached 19.8 kW/m2, the change of flow pattern can lead to an uniform heat transfer, due mainly to the elongation of bubble flow in the microchannel. In the nano-refrigerant with a mass fraction of 0.2%, the enhanced heat transfer effect increased successively for the imported ultrasonic wave, and the ultrasonic wave of the inlet and outlet. When the ultrasonic wave was applied to the inlet, the average saturated boiling heat transfer coefficient increased by 26%, whereas, increased by 46% under the action of ultrasonic import and export. The findings can provide new ideas to improve the heat transfer performance of microchannels when applying ultrasonic waves.

ultrasonic; flow boiling;microchannels; nanoparticles; heat transfer

羅小平，喻葭，王文. 超聲波對微細通道內納米制冷劑流動沸騰傳熱影響[J]. 農業工程學報，2020，36(19)：50-57.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006 http://www.tcsae.org

Luo Xiaoping, Yu Jia, Wang Wen. Effects of ultrasonic wave on flow and boiling heat transfer of nano-refrigerant in microchannels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 50-57. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006 http://www.tcsae.org

2020-05-23

2020-09-12

國家自然科學基金（21776096）；廣東省自然科學基金（2019A1515011053）

羅小平，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為微通道相變傳熱。Email：mmxpluo@scut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006

TK124

A

1002-6819(2020)-19-0050-08