可變背壓下連續噴霧和脈沖噴霧實驗研究

杜康，史波

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

噴霧冷卻是指液態工質經噴嘴霧化成細小液滴之后噴射到加熱表面，通過單相或兩相換熱機制帶走熱量的冷卻技術[1]。伴隨著大功率微電子芯片及固體激光技術等在航空航天等領域的應用，相應的高熱流密度的散熱問題顯得越來越重要[2]。噴霧冷卻作為高熱流密度冷卻技術其熱流密度可以達到100～1 000 W/cm2。噴霧冷卻以其散熱能力高、工質需求量小、熱表面溫度梯度較小及被冷卻壁面沒有接觸熱阻等優點在空間高熱流密度元器件散熱方面具有廣闊的應用前景[3]。由于霧化后的微小液滴具有極大的表面能，噴射到高溫壁面后霧滴極容易產生汽化(相變)。由于冷卻工質具有較大氣化潛熱，故噴霧冷卻常常能產生極高的換熱系數。間歇式噴霧冷卻是在傳統式噴霧冷卻的基礎上通過兩種形式實現：一種是使用模糊邏輯控制噴射時間和噴射頻率；另一種是進行閉環反饋控制，溫度傳感器將實時表面溫度輸入到控制器中，控制器相應地開啟或關閉噴霧器，實現間歇式噴霧冷卻。間歇式噴霧冷卻相比傳統式噴霧冷卻最大的優點就是工質能夠充分利用，讓工質有足夠的時間發生相變，解決噴霧過程中因液膜厚度過大和蒸汽與液滴的逆向運動導致換熱效率降低的問題，減少工質不必要的浪費，可以實現更好的換熱效果。

國內外學者對于噴霧冷卻換熱性能的研究手段基本以實驗為主，同時運用數值模擬作進一步分析。影響噴霧冷卻的各參數之間具有高度的耦合性，研究熱點主要是表面熱流密度、表面材料狀況、冷卻工質、系統壓力、體積流量、噴射角度和高度、噴嘴數目等因素對傳熱性能的影響[4]。

錢春潮等[5]建立了以R134a為冷卻工質的封閉式噴霧冷卻系統，研究了工質過冷度、質量流量和熱流密度對換熱性能的影響。結果表明，改變過冷度的影響并不明顯；系統存在一個臨界質量流量值，當質量流量小于臨界值時，熱源表面溫度隨流量的增大而降低，當質量流量大于臨界值時，熱源表面溫度隨流量的增大而升高；存在一個熱流密度使液滴的蒸發量等于補充量，在此熱流密度下，熱源表面換熱系數能達到最大。黃龍等[6]建立了以蒸餾水為工質的開放式噴霧冷卻系統，研究了工質體積流量、槽道寬度、槽道高度對噴霧冷卻系統換熱性能的影響。結果表明，減小槽底寬度對噴霧冷卻效果有一定的促進作用，推導了微槽表面噴霧冷卻強化換熱機理，得出反映槽道尺寸對換熱影響的微槽群表面無量綱準則方程。陳東芳等[7]借助高速攝影儀對不同流量下、換熱表面與水平面成不同角度時,換熱表面上冷卻工質的分布以及沸騰換熱的特點進行了可視化實驗研究。研究表明，隨著流量的增加,熱流密度明顯增大。換熱表面水平向下時,換熱效果最低。MARCOS A等[8]設計的系統壓力范圍1.5～100 kPa，研究表明，與常壓噴霧冷卻相比，在系統壓力降低的情況下，采用水噴霧冷卻可以顯著降低表面溫度；在1.5 kPa的壓力、380 W/cm2的熱流密度下，用11 ℃的液體可將表面溫度冷卻到54 ℃,而在常壓下約為120 ℃。測量的傳熱系數約為100 000 W/(m2·K)。工質飽和溫度降低后，在電子設備的極限工作溫度下就可實現沸騰換熱，這對噴霧冷卻在電子設備散熱上的應用具有重要意義。

1 噴霧冷卻實驗系統

本實驗采用開式的實驗系統，具體原理如圖1所示。實驗過程中去離子水在可調溫度的恒溫水浴中由高壓隔膜泵抽出，經過過濾器流量計壓力表等在壓力旋流實心錐噴嘴中噴射到熱沉表面，通過可調節功率加熱器對紫銅銅柱進行加熱進而模擬熱沉表面，噴霧罐體中的負壓由真空泵提供。

1—恒溫水浴槽；2—隔膜泵；3—微量調節閥；4—壓力表；5—過濾器；6—渦輪流量計；7—數據采集系統；8—噴嘴；9—紫銅柱；10—廢液箱；11—加熱系統；12—干燥過濾器；13—真空泵。

噴霧系統由供液系統、儀表、噴霧腔室以及噴嘴等構成。供液系統中儲液裝置采用的是德國JULABO加熱制冷循環器，溫度范圍為-20 ℃～200 ℃，誤差為±0.01 ℃。泵采用的是DP-160隔膜高壓泵，最大壓力1.1 MPa，最大流量20 L/min。噴嘴是由某公司定制的壓力旋流實心錐噴嘴，霧化角度45°，總體厚度10 mm。噴霧腔室是由專門設計的可視化透明有機玻璃構成，水管、排液管、熱電偶等由底盤接入，實物圖如圖2所示。

圖2 噴霧腔實物圖

加熱系統由加熱棒、紫銅柱、可調變壓器、保溫隔熱材料等組成。加熱棒的最大功率為300 W，可以達到最高500 W/cm2的熱流密度，并且可以通過可調變壓器調節加熱功率，從而實現對熱流密度的控制。紫銅柱表面為導熱系數為386.4 W/(m·K)、熱沉表面積為1.13 cm2的圓形表面，周圍填充導熱系數為0.08 W/(m·K)的陶瓷纖維棉實現隔熱的效果。電磁閥采用的是常開型直動式二位三通電磁閥，選擇二位三通的目的是防止電磁閥關閉時對管路造成破壞。時間繼電器采用的是數顯可循環繼電器，最小量程是0.1 s。數據采集系統由熱電偶、Agilent 34970a數據采集器等構成。熱沉表面下布置了4層T型熱電偶，每一層間隔20 mm。由于陶瓷纖維棉的導熱系數遠遠小于紫銅的導熱系數，所以可以近似看作是一維導熱。而且由于純銅的強導熱系數，故可以把每一層熱電偶的溫度當做這一層的平均溫度。抽真空系統由真空泵、干燥器、壓力表等構成。

2 實驗數據處理及誤差分析

由于加熱時可視為一維導熱，故根據一維傅里葉導熱定律可得熱流密度

q=λΔT/Δx

(1)

式中：q為熱流密度，W/m2；λ為紫銅導熱系數，W/(m·K)；ΔT為相鄰測溫點上溫差的平均值，℃；Δx為相鄰測溫點之間的距離，m。因此熱沉表面的溫度可以通過一維傅里葉導熱定律反推得到：

(2)

式中：Tw為熱沉表面溫度；T1為熱沉表面下方20 mm處的熱電偶測溫值。對流換熱系數計算式如下：

(3)

式中：h為換熱系數，W/(m2·K)；Tspray為工質到達熱沉表面的溫度，℃。

本實驗產生的誤差有兩個：1)系統熱量流失引起的誤差；2)儀表精度引起的誤差。由于模擬熱源的紫銅柱熱容較大，故實驗達到熱平衡的時間較長，因此會浪費大量的工質，所以本實驗采用準穩態法進行研究，當熱沉表面溫度變化范圍為±1 ℃/5 min時，即認為處于穩態。此時得到的熱流密度和換熱系數則為對應的熱沉表面溫度下的熱流密度和換熱系數。

實驗中使用的T型熱電偶精度為±0.2 ℃，紫銅導熱系數為(396±5)W/(m·K)，根據誤差傳遞公式：

(4)

通過計算得到熱流密度的誤差為±4.55%，熱沉表面溫度誤差為±3.66%，對流換熱系數誤差為±5.34%。

3 實驗結果及分析

3.1 噴霧流量對換熱特性的影響

確定合理的噴霧流量能夠在滿足散熱要求的情況下節省工質，從而減少飛行器上制冷劑的攜帶量，所以具有重要意義。具體實驗步驟如下：首先，將噴嘴高度調至最優值(即噴出的水霧正好完全覆蓋熱沉表面)，開啟噴霧冷卻系統，入口溫度保持在一定的溫度，系統壓力為環境壓力，通過流量控制閥維持流量在某一值；然后依次調節熱流密度為100 W/cm2、150 W/cm2、200 W/cm2，待每個測點溫度基本穩定并在5 min內變化都<1 ℃時，記錄此刻的準穩態數據，并通過公式計算熱流密度、表面溫度、換熱系數等物理量；然后改變噴霧流量，重復上述步驟，依次獲得不同噴霧流量下噴霧冷卻的準穩態數據。

圖3和圖4分別為換熱系數和換熱表面溫度隨噴霧流量的變化曲線。從圖3和圖4中可以看出，當噴霧流量在8 L/h～17 L/h范圍內，在加熱功率不變的情況下，換熱系數隨著噴霧流量的增大而升高，表面溫度隨著噴霧流量的增大而降低，當熱流密度為200 W/cm2時，流量為17 L/h的換熱系數比8 L/h的提高了60%，表面溫度降低了35%。由此可見，噴霧流量的變化對冷卻效果影響很大。出現上述現象的主要原因如下：噴霧流量增大后，由噴嘴噴射到表面參與換熱的霧滴數也就越多，而且噴嘴壓力越大，其霧化效果越好，噴射出的液滴速度增加，霧滴打擊換熱表面的強度增大，對表面液膜的沖刷和擾動作用增強，從而增強了噴霧冷卻的換熱效果。故在本節實驗涉及的流量范圍內，噴霧流量增大能夠顯著提高換熱系數，降低換熱表面溫度，增強噴霧冷卻的換熱效果。

圖3 換熱系數隨噴霧流量變化曲線

圖4 換熱表面溫度隨噴霧流量變化曲線

3.2 噴霧溫度對換熱特性的影響

本實驗在噴嘴入口處布置一個熱電偶，通過熱電偶測溫并對低溫恒溫槽噴嘴入口的水溫進行溫控。目的是研究噴霧溫度對冷卻效果的影響，尋找最優的噴霧溫度。

圖5為換熱表面溫度隨入口溫度的變化曲線。可以看出，在加熱功率一定的條件下，表面溫度隨著入口水溫的升高而升高，但是在25 ℃時表面溫度并沒有隨著入口溫度的升高而升高，反而出現一個最低點，即在25 ℃時換熱系數增大，表面溫度卻降低，是需要的最優入口溫度。由圖6看出，加熱功率一定的條件下，換熱系數隨著入口溫度的升高而增大，且在低熱流密度時的增大速率大于高熱流密度時的速率，即隨著熱流密度的增加，入口水溫對于換熱系數的影響逐漸減小。

圖5 換熱表面溫度隨入口溫度變化曲線

圖6 換熱系數隨噴霧溫度變化曲線

3.3 低壓環境對換熱特性的影響

對于水工質來說,在一個大氣壓的常壓條件下,需要表面溫度達到100 ℃以上才能使得噴霧冷卻工作在兩相區。然而,大部分電子元器件的額定工作溫度在80 ℃以下,這就限制了噴霧冷卻的應用，因為在常壓條件下是在單相區內工作。而噴霧冷卻在單相區的換熱能力遠遠小于在兩相區的換熱能力，因此需要降低工質的沸點,這樣既可以保持表面溫度低于80 ℃,又能使噴霧冷卻工作在兩相區。要降低工質的沸點,最有效的方式就是降低環境壓力。

圖7為換熱系數隨腔內壓力變化曲線，圖8為表面溫度隨腔內壓力變化曲線。由圖7可以得出，隨著腔內壓力的逐漸減小，換熱系數隨之增大，且增長趨勢越來越大，當熱流密度為200 W/cm2、腔內壓力為40 kPa時，換熱系數可以達到3.0 W/(cm2·K)。換熱系數隨著熱流密度的升高而增大。由圖8可以看出，隨著腔內壓力的逐漸減小，熱沉表面溫度隨之降低，當熱流密度為100 W/cm2、腔內壓力為40 kPa時，表面溫度可以達到53 ℃。熱沉表面溫度隨著熱流密度的升高而增大。綜上可以看出，腔內壓力即噴霧的環境壓力對于換熱效果有一定的影響，腔內壓力的變化，使得噴霧冷卻能在更低的表面溫度下進入兩相區，從而利用工質水的潛熱來吸走大量的熱量。

圖7 換熱系數隨腔內壓力變化曲線

圖8 表面溫度隨腔內壓力變化曲線

3.4 常壓下間歇噴霧和連續噴霧的比較

在常壓下比較間歇噴霧和連續噴霧的冷卻效果，間歇噴霧的周期設置為1 000 ms，占空比設置為0.5。改變熱流密度，當實驗趨于穩態時，根據測量數據，計算出各熱流密度下間歇和連續噴霧的換熱系數和熱沉溫度，并用折線圖表示，如圖9和圖10所示。

圖9 間歇噴霧和連續噴霧的換熱系數圖

圖10 間歇噴霧和連續噴霧的熱沉溫度圖

由圖9和圖10可看出，常壓下熱流密度<200 W/cm2，水在熱沉表面處在無沸騰的區域，因此水的沸騰換熱即潛熱利用不足，而且由于脈沖噴霧的噴霧流量小于連續噴霧，利用前面實驗得到噴霧流量越大，換熱能力越強的結論，即可解釋在熱流密度<200 W/cm2時，脈沖噴霧的換熱系數小于連續噴霧；熱沉溫度高于連續噴霧。當熱流密度>200 W/cm2時，噴出的工質水在熱沉表面處在沸騰的區域，此時脈沖噴霧的效果是噴一下，在熱沉表面形成一定厚度的液膜；停一下，則這層液膜因沸騰逐漸變薄，熱阻減小，大大地利用了工質水的潛熱。

4 結語

本文基于開式的噴霧冷卻實驗系統，采用準穩態法，得到以下結論：

1)在一個大氣壓和室溫條件下，噴霧流量在8 L/h～17 L/h范圍內，換熱系數隨著流量的增加而增大，表面溫度隨著流量的增加而減小。當熱流密度為200 W/cm2時，流量為17 L/h的換熱系數比8 L/h提高了60%，表面溫度降低了35%。

2)在加熱功率和噴霧流量一定的條件下，噴霧水溫在15 ℃～45 ℃范圍內，表面溫度和換熱系數都隨著入口水溫的升高而升高，但是在25 ℃時表面溫度并沒有隨著入口溫度的升高而升高，反而出現一個最低點，即在25 ℃時換熱系數增大，表面溫度卻降低，是需要的最佳入口溫度。

3)噴霧腔內壓力在40～100 kPa范圍內時，換熱系數隨著腔內壓力逐漸減小而增大，表面溫度隨著腔內壓力逐漸減小而降低，當熱流密度為200 W/cm2時，系統壓力為40 kPa的換熱系數比100 kPa下的換熱系數提高了50%，表面溫度降低了23%。這是因為系統壓力的減小，使得噴霧冷卻在更低的表面溫度下進入兩相區，從而利用工質水的潛熱來吸走大量的熱量。

4)常壓下，在熱流密度<200 W/cm2時，脈沖噴霧的換熱系數小于連續噴霧，當熱流密度>200 W/cm2時，脈沖噴霧的換熱系數大于連續噴霧。