噴霧冷卻沸騰傳熱強化試驗

張 偉, 張亞東, 楊 韜, 楊 勇

(1.中國石油大學(華東)新能源學院,山東青島 266580;2.中國石化勝利石油管理局有限公司新能源開發中心，山東東營 257000)

在冶金工業、機械加工、石油化工等領域,移除廢熱是非常重要的工藝環節[1-2]。噴霧冷卻技術因其良好的傳熱性能,更高的冷卻介質利用率等優點,在這些領域中有廣闊的應用前景[3-6]。相較于無沸騰傳熱,噴霧冷卻沸騰傳熱有更高的傳熱能力,一直以來都是研究的關注點,已經開展了工質流量、霧化壓力、液滴速度、強化表面結構等方面的研究[7-10]。Cebo rudnicka等[7]研究了熱表面材料對噴霧冷卻臨界熱流密度的影響,結果表明導熱系數較高的黃銅具有較高的熱流密度。Wang等[8]研究得出沸騰傳熱過程中,傳熱系數隨加熱功率先增大后減小。當達到臨界熱流密度時,傳熱系數迅速下降,如果加熱功率減小,傳熱特性恢復,說明在達到臨界熱流密度后,傳熱被惡化。楊強等[9]研究發現,多孔結構表面為傳熱過程提供了潛在的有效汽化核心,相同工況下,多孔表面的換熱性能遠高于光滑表面。Zhang等[10]在不同微結構表面噴霧冷卻試驗表明,有強化結構的表面無沸騰區和沸騰區傳熱均比光滑表面強,且特征尺寸越小的強化表面傳熱速率越高。噴霧冷卻沸騰傳熱機制包括熱表面與薄液膜間對流換熱、氣液相界面蒸發換熱、沸騰傳熱等[11-15]。Bostanci等[12]認為微結構表面使沸騰換熱增強,主要是因為表面積增加和微結構表面提供了更多的成核位置。張偉等[13]認為當噴霧流量較小時,熱表面有較多汽泡聚集,不利于液膜與熱表面的換熱;隨著流量的增大,噴霧液滴的沖擊增強,能夠加強換熱。Selvam等[14]認為液滴刺穿氣泡潤濕待冷卻表面后,會出現瞬態傳熱與液膜重生成是傳熱性能提升的關鍵。Rini等[15]則認為液滴的沖擊加劇了汽泡的脫離,從而使汽泡數目大大增加,促進了液膜的沸騰傳熱。綜上所述,對于強化噴霧冷卻沸騰傳熱試驗,目前更多的焦點匯聚到了表面結構優化方面[3-9],由于改變表面的微結構成本較高,且越精細的微結構表面越容易出現結垢、堵塞等情況,這對于實際應用是極為不利的。另外,有關噴霧冷卻傳熱機制的文獻,幾乎沒有學者直接從機制的分析角度提出每個傳熱區的強化措施[16]。基于此,筆者對光滑表面噴霧冷卻沸騰傳熱進行試驗,得出影響沸騰傳熱的關鍵因素,并設計制作一種新型噴嘴,對噴霧冷卻沸騰傳熱的進一步強化進行探究。

1 試驗系統與數據處理方法

1.1 試驗系統

噴霧冷卻試驗裝置如圖1所示。整個試驗系統由噴霧系統、模擬熱源、數據采集系統組成。噴霧系統:冷水箱中的工質被泵送至流量計,經壓力傳感器后,由噴嘴霧化,噴灑在熱表面上,完成傳熱后匯入下方的集水槽流入廢水箱;流量可通過調節水泵功率來控制;所用的噴嘴型號為FN4.0-416,此噴嘴的優點是較小的霧化壓力就能達到較大的噴霧流量,且霧化效果良好。模擬熱源:導熱性能良好的紫銅塊(導熱系數為389 W/(m·K))模擬發熱元件,與工質傳熱的是銅塊上表面,銅塊與不銹鋼外殼間的縫隙填充玻璃棉(導熱系數為0.035 W/(m·K))保溫材料,以保證傳熱過程的一維性;銅塊的結構如圖1(b)所示(單位:mm),其中ti指不同的測溫點,每層4個測溫點的位置從圓心向外逐漸改變(測溫點位置處半徑分別為0、2、4和6 mm),可用來測量銅塊徑向溫度分布;銅塊的內部布置9根電加熱棒,變壓器調節電壓改變加熱棒功率,從而調節熱表面溫度。數據采集系統:采用安捷倫34972A型數據采集器,通過LAN端口連接至PC機實時記錄數據并保存,負責采集12組K型熱電偶的測溫數據和1組測壓數據。

圖1 試驗系統與銅塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system and copper block

1.2 數據處理方法

表征噴霧冷卻傳熱強弱的主要參數是熱流密度qw,在理想隔熱狀態下,發熱元件產生的熱量(按熱流密度q計量)與噴霧冷卻帶走的熱量(按熱流密度qw計量)相等。試驗中通過測得熱表面下不同位置處溫度,計算出熱流密度qw,并可由熱流密度反推出熱表面溫度tw。

由傅里葉導熱定律可知,熱流密度可由任意兩層測點測得的溫度計算得出,計算公式為

(1)

通過上、中、下三層測溫數據,分別計算出相鄰兩層的熱流密度,整體熱流密度取平均值。確定加熱銅塊內的熱流密度后,由傅里葉定律可進一步反推得到熱表面的平均溫度,由于最上層測溫點距離熱表面最近,計算熱表面溫度時,取最上層測溫點的平均溫度為基準溫度,計算公式為

(2)

式中,tw為熱表面溫度,℃;t*為計算熱表面溫度所選定的基準層平均溫度,℃;δ*為溫度基準層與熱表面間的垂直距離,m。

1.3 誤差分析

每個溫度測點的偏差為±0.2 ℃,結合式(1)、(2)以及誤差傳遞計算公式,可得熱表面熱流密度與表面溫度的誤差計算公式:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σti和σtj分別為編號i、j的熱電偶測溫偏差，℃;σq上和σq下分別為上兩層和下兩層溫度計算的熱流密度偏差，W/cm2;σqw為平均熱流密度偏差,W/cm2;σtw為表面溫度偏差,℃。

代入試驗數據后,計算得出熱流密度與表面溫度的偏差分別為±1.29%與±0.31%。

2 試驗結果與傳熱機制分析

2.1 單噴嘴噴霧冷卻試驗結果

在光滑表面上,保持單噴嘴高度6 mm不變(此時噴霧底圓較好地覆蓋熱表面),研究噴霧流量與噴霧冷卻熱流密度之間的關系,試驗結果如圖2所示。從圖2中可知,噴霧流量對噴霧冷卻沸騰傳熱影響較大,在平均過熱度5～20 K間(簡稱過熱度),流量70 mL/min的熱流密度比50 mL/min的提升了16%～30%,并且低過熱度的強化更明顯。為使分析直觀方便,結合試驗圖片及MATLAB灰度云圖(圖3),討論噴霧流量、過熱度對傳熱的影響規律。

圖2 不同流量熱流密度曲線Fig.2 Heat flux curve at different flow rates

圖3 相同過熱度(20 K)不同流量試驗圖片Fig.3 Test pictures of same superheat (20 K) at different flow rates

從圖3中可以看出,在噴霧冷卻沸騰傳熱過程中,熱表面上的液膜分布極不均勻,中心區域液體很少,甚至呈干涸現象,稱為干涸區;由中心干涸區域向外,液體略微增多,液膜相對較薄,有蒸汽流產生,為薄液膜蒸發區;熱表面邊緣處液體最多,液膜相比內部略厚,有大量汽泡產生,呈現劇烈的沸騰狀態,為核態沸騰區。3個區域傳熱中核態沸騰是最強的傳熱方式,所以熱表面上液膜的分布不均狀況對傳熱是不利的。產生這種現象的原因可能是試驗中使用的壓力旋流噴嘴霧化液滴分布不均勻[17],中心區液滴數通量小,剛打到熱表面就被蒸發,甚至在空中就已經被汽化;邊緣液滴數通量大,噴霧量大于汽化量,形成液膜。隨著流量增大,霧化錐角亦隨之增大,更多的液滴直接灑向熱表面的邊緣,中心干涸區逐漸增大,邊緣核態沸騰區略微減小;同時,增大流量,噴霧工質對熱表面的沖刷變強。在低過熱度時,熱表面還只能產生少量汽泡,核態沸騰弱、干涸區小,強制對流傳熱占較大比重[18],大流量強沖刷強化傳熱明顯,所以過熱度為5 K時,流量由50 mL/min增至70 mL/min,熱流密度提升了30%。在高過熱度時隨著流量增大,削弱傳熱的干涸區隨之變大;但大流量強沖擊作用使得核態沸騰區產生的汽泡更容易被擊破,加快了下一個汽泡的產生,相當于增加了汽泡數目,所以過熱度為20 K時,增大流量仍然使傳熱提升了16%。

單噴嘴噴霧冷卻試驗表明,噴霧冷卻沸騰傳熱過程中,表面中心干涸區域對傳熱不利;另外,噴霧液滴的強烈沖擊加劇了熱表面汽泡的脫離和破裂,能強化噴霧沸騰傳熱。

2.2 噴霧冷卻傳熱強化試驗及機制

2.2.1 單噴嘴

“那一年，我才三歲時，聽得說來了一個癩頭和尚，說要化我去出家，我父固是不從。他又說：“既舍不得他，只怕他的病一生也不能好的。若要好時，除非從此以后，總不許見哭聲，除父母之外，凡有外姓親友之人，一概不見，方可平安了此一世”。

噴霧冷卻過程大致可分為3個區域(圖4),即噴霧射流區(Ⅰ)、沖擊液膜流動區(Ⅱ)和自由液膜流動區(Ⅲ)[19]。噴霧射流區是噴嘴產生霧滴,在空氣中到達熱表面區域,該區域幾乎不參與傳熱;沖擊液膜流動區和自由液膜流動區是主要的傳熱區域。降低噴嘴高度會使噴霧射流區整體下移,也就可以改變熱表面的液膜分布特性。

圖4 噴霧冷卻區域劃分Fig.4 Spray cooling area division

為了研究液膜分布對噴霧冷卻沸騰傳熱影響規律,保持流量50 mL/min不變,變化4組單噴嘴高度,試驗結果如圖5所示。噴嘴高度對噴霧冷卻沸騰傳熱性能有較大影響,噴嘴高度由8 mm降低至6 mm,熱流密度提高了4%～11%,由6 mm降低至4 mm,熱流密度提高了4%～13%,并且過熱度越高效果越明顯。

結合試驗圖片(圖6),討論噴嘴高度對傳熱的影響規律。從圖6可以看出,噴嘴高度為4 mm時,熱表面中心無干涸區,液膜核態沸騰的區域最大,因此其熱流密度最大;高度為6 mm時,熱表面邊緣液膜較厚,呈核態沸騰狀態,而中心出現了干涸區,傳熱性能有所減弱;高度為8 mm時,熱表面干涸區面積最大,幾乎看不到核態沸騰,因此其傳熱性能最差。雖然降低單噴嘴高度可以顯著增加核態沸騰區的面積從而強化傳熱,但高度并非越低越好。當單噴嘴高度降低至2 mm時,熱表面的邊緣無液滴沖擊,汽泡不能及時破裂排出,在較高過熱度時,有些汽泡合并成汽膜,把液膜頂起較高高度直接接觸到噴嘴,試驗無法進行下去,熱流密度是4個高度中最小的。

圖5 不同高度熱流密度曲線Fig.5 Heat flux curve at different heights

圖6 相同過熱度(20 K)不同噴嘴高度試驗Fig.6 Test pictures of the same superheat (20 K) at different nozzle heights

圖5曲線還表明,過熱度不同時,噴嘴高度對傳熱的影響也是不一樣的,過熱度越高,噴嘴高度影響傳熱越顯著。這是因為,當過熱度高時,表面汽泡數量隨之大幅增加[20],噴霧冷卻以沸騰傳熱為主,在噴嘴高度較低時,熱表面無干涸區、更多的液體參與核態沸騰,所以傳熱性能較強;當過熱度較低時,強制對流傳熱占比大,沸騰傳熱占比小,噴霧沖擊隨噴嘴高度近似同比變化,所以對應的熱流密度提升效果接近。

變噴嘴高度試驗顯示,調整合適的噴嘴高度、通過消除熱表面中心干涸區,能使更多的液體參與沸騰傳熱,可強化噴霧冷卻沸騰傳熱。但單噴嘴噴霧無法實現熱表面上的液膜均勻分布,不能促發熱表面全面的核態沸騰,這方面將是噴霧冷卻沸騰傳熱繼續強化的方向。

2.2.2 微孔陣列噴嘴

若噴嘴噴出的液滴在熱表面上能形成極強沖擊、非常均勻的理想薄液膜,傳熱性能應該可以得到進一步提高。Sadafi等[21-23]試圖通過多噴嘴陣列噴霧的型式改善熱表面液膜的均勻性,但由于單個商用噴嘴太大,無法在較小的發熱面上實現這一設想,也就難以改善小加熱面上的噴霧均勻性。Chen等[24-25]采用壓電陶瓷驅動工質,經微孔板(孔徑5～25 μm、孔數2 000)霧化,擊打在熱表面上,雖然增強了熱表面上的液膜均勻性,但其推薦的孔徑僅為9 μm,且微孔數量較多,易堵塞、成本高,不利于實際應用。設計制作了一種新型微孔陣列噴嘴(圖7),對噴霧冷卻沸騰傳熱的強化進一步探究。

圖7 新型噴嘴結構Fig.7 Structure drawing of new nozzle

本噴嘴由不銹鋼制作,考慮到單噴嘴噴霧過程中的熱表面上中心存在干涸區,所以僅在噴霧端面上半徑4 mm的圓內開有37個直徑為70 μm的小孔,按正六邊形均勻排布,每兩個小孔的間距為1 mm;噴嘴另一端通過內螺紋連接過濾網,防止工質中可能含有的雜質堵塞微孔。

圖8為新噴嘴噴霧冷卻沸騰傳熱景象(過熱度為20 K)。由圖8可知,所有噴霧流量下,即使過熱度較大時,熱表面也未有干涸現象發生。隨著噴霧流量增大,液滴沖擊增強,熱表面的汽泡直徑減小、汽泡聚并減弱,汽泡的分布更加均勻而密集。因此,微孔陣列噴嘴改善了加熱面上液膜的分布特性,特別是大流量強沖擊情況下,表面液膜分布非常均勻。

圖9給出了噴嘴高度6 mm時,微孔陣列噴嘴與單噴嘴的噴霧冷卻傳熱性能對比。由圖9(a)可知,在過熱度較小時,噴霧流量對微孔陣列噴霧傳熱影響更大;當過熱度為5 K時,70 mL/min對應的熱流密度比50 mL/min的增長約40%;而過熱度較大時,各流量對應的熱流密度較為接近,當過熱度為20 K,熱流密度僅提升5%。對比兩類噴嘴3個流量的噴霧冷卻熱流密度曲線發現,兩曲線均在過熱度約10 K時有一交點,在交點左側(低過熱度),單噴嘴噴霧冷卻的熱流密度大于微孔陣列的;而在交點右側(高過熱度),微孔陣列噴霧的熱流密度則高于單噴嘴噴霧的,當過熱度為20 K、流量為50 mL/min時,熱流密度提升了16%。

圖8 相同過熱度(20 K)新型噴嘴試驗圖片Fig.8 Test diagram of new nozzle at the same superheat (20 K)

均勻液膜除了能增強傳熱性能外,還可以改善熱表面溫度分布的均勻性。圖10為噴霧流量為50 mL/min、過熱度為20 K時,兩類噴嘴熱表面溫度對比。由圖10可知,單噴嘴高度為6 mm時,熱表面半徑為0 mm處與半徑為6 mm處的溫度差約為4 K;微孔陣列噴霧下,熱表面溫度變化始終小于1 K,溫度均勻性比噴嘴高度為6 mm時提升約75%,考慮到溫度測量的偏差僅為±0.31%,溫度測量誤差遠小于1 K,試驗結果可以表明,微孔陣列噴霧下的熱表面溫度比單噴嘴噴霧更為均勻。

為了對試驗結果進行分析,圖11為兩類噴嘴噴出的液滴軌跡。由圖11可知,微孔噴嘴噴霧液滴垂直射向熱表面,水平分速度幾乎全部來自液滴撞擊熱表面后的鋪展運動,由于液體表面張力的限制,液滴速度較小時,鋪展運動會有回彈的趨勢[26],因此沿水平方向的分速度較小;而商用噴嘴噴出的液滴與熱表面呈一定夾角,水平分速度更大(圖11(b));因此單噴嘴噴霧形成的液膜流動性能更好。在較低過熱度時,強制對流傳熱占主要地位,流動性是決定傳熱的主要因素,所以商用單噴嘴的傳熱性能強于微孔陣列噴嘴的;當過熱度較高時,傳熱進入沸騰模式,兩類噴嘴的液滴沖擊都足以促進汽泡的脫離與破裂,但是微孔陣列噴嘴在中心有密集的小孔布置,與單噴嘴噴霧相比,微孔陣列噴嘴可以保證液滴的持續供應,使得熱表面不出現中心干涸區,液膜分布更為均勻,從而使得熱表面上更多區域進行傳熱能力較強的核態沸騰,因此微孔陣列噴霧的熱流密度更大。

圖9 微孔陣列噴嘴與單噴嘴傳熱對比Fig.9 Comparison of experimental results between micro-hole array nozzle and single nozzle

圖10 兩類噴嘴50 mL/min時表面溫度對比Fig.10 Comparison of surface temperature at 50 mL/min between two types of nozzles

圖11 液滴分速度示意圖Fig.11 Schematic diagram of droplet fraction velocity

微孔陣列噴嘴噴霧冷卻試驗表明,該噴嘴不僅消除了熱表面的干涸區,而且實現了加熱面上的液膜均勻覆蓋設想,在過熱度較高的核態沸騰區,能充分利用熱表面產生更多的成核點數(汽泡數),使得它的噴霧冷卻傳熱性能優于單噴嘴,但由于試驗條件有限,流量偏小,液膜厚度仍然較厚,提升沸騰傳熱幅度較低。

3 結 論

(1)單噴嘴噴霧冷卻沸騰傳熱中,噴霧底圓內切于熱表面時(噴嘴高度6 mm),熱表面由內向外分布3個傳熱區,即中心干涸區、薄液膜蒸發區和核態沸騰區。隨著噴霧流量和過熱度增加,干涸區變大,表面利用率降低,傳熱性能有提升空間。

(2)單噴嘴高度為4 mm時,表面中心干涸區消失,更多的液體參與沸騰傳熱,提升了噴霧冷卻沸騰傳熱性能。在過熱度為20 K、噴霧流量為50 mL/min時,比噴嘴高度6 mm的熱流密度提高了13%。

(3)新型微孔陣列噴嘴噴霧在流量為50～70 mL/min、過熱度為5～20 K條件下,加熱面上都形成了均勻液膜。在過熱度為20 K、流量為50 mL/min時,與噴嘴高度為6 mm的單噴嘴噴霧冷卻相比熱流密度增大了16%。

(4)強烈沖擊的均勻薄液膜是決定噴霧冷卻沸騰傳熱的關鍵。設計的微孔陣列噴嘴實現了液膜的均勻分布,使得表面溫度更為均勻,可以避免電子設備因熱應力過大而損壞。由于試驗條件的限制,流量偏小、沖擊較弱、液膜偏厚,傳熱性能提升幅度還不太理想。因此開發更加優異的噴嘴,力圖在熱表面上噴出沖擊強、較均勻薄液膜,將是噴霧冷卻沸騰傳熱強化的一個方向。