混合粒徑多孔微通道沸騰換熱性能研究

陸金銘，曹 薇，張東輝，陳 一，周志平，徐海洋

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著電子設(shè)備的尺寸日益縮小，船用電子器件也將朝著微型化趨勢(shì)發(fā)展，其熱流密度在不斷上升，目前已達(dá)到1 kW/cm2數(shù)量級(jí)，這將嚴(yán)重影響船舶電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)冷和單相水冷散熱方式遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際要求，微通道中的沸騰傳熱，因具有極高的換熱系數(shù)，成為解決高熱流密度器件冷卻的候選者[1]。但是傳統(tǒng)微通道由于通道的狹窄，易造成聚并氣泡向上游膨脹，從而造成流量和壓力的脈動(dòng)[2–3]，使得臨界熱流密度（CHF）難以提升，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

Thome[4]指出微多孔表面由于大量的氣泡活動(dòng)，多孔結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)表面上具有諸如薄液膜蒸發(fā)，毛細(xì)蒸發(fā)和核沸騰的機(jī)制。良好性能的多孔結(jié)構(gòu)表面應(yīng)該具有高孔隙度與內(nèi)部連通的孔洞，以幫助液體的補(bǔ)充與蒸汽的排出。將多孔材料與微通道相結(jié)合，是改進(jìn)傳統(tǒng)微通道的一個(gè)可行方法。在過去的幾十年中，很多學(xué)都對(duì)微多孔層對(duì)沸騰性能的增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了研究。Chang[5]根據(jù)過熱邊界層的假設(shè)，預(yù)測了最佳涂層厚度。厚度與粒徑比為2～3.85 時(shí)，傳熱系數(shù)最大。Yang[6]研究了多孔層厚對(duì)沸騰HFC 和CHF 的影響。與普通表面相比，微孔涂層可使HTC 提高4.5 倍。最佳厚度由4 種效應(yīng)的組合決定：蒸汽排出阻力、多孔層附加熱阻和成核址密度。陳瑤明等[7]發(fā)現(xiàn)，多孔結(jié)構(gòu)的微通道可使傳熱性能提高300%，降低壓力波動(dòng)60%。微通道底層厚度和粒徑都會(huì)對(duì)傳熱系數(shù)造成顯著影響。Jun[8]研究了微孔銅涂層對(duì)池沸騰的影響。壁面過熱度隨粒徑的增大而減小。對(duì)于普通，10μm，25μm 和67μm大小的銅顆粒涂層表面，在20 W/cm2下測得的壁溫分別為7.8 K，3.1 K，2.1 K 和1.4 K。HTC 和CHF 均隨粒徑的增大而增大。對(duì)于粒徑67μm 的涂層表面，發(fā)現(xiàn)最高的CHF 和HTC 約為210 W/cm2和40 kW/（m2K）。Sun[9]研究了小型平板通道中的過冷流動(dòng)沸騰。選擇了3 種尺寸的銅顆粒（35μm，120μm 和240μm）。在最佳條件下（120μm 的粒徑和237μm 的涂層厚度），與光滑表面相比，微多孔層對(duì)HTC 的增強(qiáng)率可達(dá)180%～200%。對(duì)于多孔材料，如果粒徑或孔隙直徑太小，汽泡成核需要的過熱度就會(huì)變大，造成傳熱系數(shù)的下降;孔隙直徑過小，表面的汽泡脫離直徑會(huì)相應(yīng)較小，但內(nèi)部蒸汽排出阻力比較大[10–11]。如果粒徑或孔隙直徑過大，成核址密度相對(duì)就較少，也會(huì)造成沸騰換熱性能的下降。因此從各方面的權(quán)衡考慮，多孔材料的粒徑和厚度存在一適當(dāng)范圍，研究表明，厚度小于熱邊界層的“超薄多孔層”對(duì)沸騰換熱是一種較為有效的強(qiáng)化方式[12–13]。吳明發(fā)[14–15]結(jié)合了7 組多孔微通道，粒徑為30μm，50μm，90μm，通過高速攝像儀觀察到高熱流密度工況下也會(huì)出現(xiàn)返流現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)混和粒徑多孔微通道可顯著提升沸騰換熱性能。

本文以樹枝型銅粉燒結(jié)的多孔微通道為研究對(duì)象，以去離子水作為流動(dòng)工質(zhì)，著重探索不同粒徑銅粉混合后燒結(jié)的微通道的傳熱系數(shù)和CHF 等性能，并系統(tǒng)研究入口溫度和質(zhì)量流率的影響。

1 多孔微通道沸騰實(shí)驗(yàn)研究

1.1 燒結(jié)多孔微通道沸騰換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

多孔微通道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，采用開式系統(tǒng)，恒溫水箱里的去離子水加熱到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，打開微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵的開關(guān)，去離子水在微型磁驅(qū)動(dòng)齒輪泵提供的動(dòng)力作用下，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和入口節(jié)流閥，進(jìn)入熱沉室。在微通道中受熱產(chǎn)生流動(dòng)沸騰現(xiàn)象，離開熱沉室后通過板式冷凝器與冷卻水進(jìn)行熱量交換，蒸汽被冷凝成液態(tài)水，最后收集至儲(chǔ)液容器內(nèi)。微通道底部由電加熱棒模擬熱源提供熱量，輸入功率由調(diào)壓器調(diào)節(jié)，并利用數(shù)字功率計(jì)監(jiān)控顯示。并通過節(jié)流閥，控制熱沉室的入口壓力。

圖1 微通道實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the microchannel experimental test system

微通道熱沉室由多孔微通道、上蓋板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、加熱銅塊和底座材料組成，如圖2（a）所示。其中上蓋板選用透明亞克力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為耐高溫的PEEK 材料，其絕熱性能非常好，底座選用玻璃纖維，可大大減少熱沉室熱損失，保證大部分加熱熱量通過加熱銅塊傳遞到微通道底部。熱沉室進(jìn)出口壓力由2 個(gè)快速響應(yīng)壓力傳感器測試，在距離加熱銅塊上壁面以下6 mm 處加工3 個(gè)測溫孔，由3 個(gè)K 型熱電偶測量得到當(dāng)?shù)販囟龋⒂煞€(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傅里葉公式推算得到加熱表面溫度微通道進(jìn)出口水溫由熱電阻測得；在熱沉室的進(jìn)出口采用三通接頭，由熱電阻測量進(jìn)出口水溫。溫度和壓力測試數(shù)據(jù)均通過研華ADAM-4 117數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理顯示。微通道內(nèi)的沸騰流型采用Pco.dimax S1 高速攝像儀捕捉，其分辨率100萬像素，幀數(shù)為15 280 fps。

圖2 熱沉室和多孔微通道示意Fig.2 The heat sink and porous microchannel

實(shí)驗(yàn)工況的質(zhì)量流率范圍為（71～213）kg/m2·s。進(jìn)口溫度設(shè)定為60℃。實(shí)驗(yàn)中初始加熱功率為50 W，每次增加50 W。在輸入加熱瓦數(shù)之后，待系統(tǒng)運(yùn)行15 min左右數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屏幕上壓力、溫度達(dá)到溫度狀態(tài)后，便可以記錄測試段出入口溫度、壓力以及加熱銅塊溫度。溫度是否恒定以測量到的溫度變化小于0.1℃為準(zhǔn)。當(dāng)加熱功率加到一定值，測試段蒸發(fā)器中銅塊壁面溫度突然持續(xù)上升，始終無法到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可以判斷為臨界熱流密度，停止測試。

1.2 多孔微通道的制程和結(jié)構(gòu)參數(shù)

以樹枝狀銅粉為對(duì)象，經(jīng)篩分混合后首先在石墨模具填粉，然后放置于氣氛燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)成形多孔微通道，如圖2（b）所示。最后采用低溫錫膏將多孔微通道焊接于加熱銅塊表面。樹枝狀銅粉微通道樣品SEM 電鏡掃描圖如圖3 所示。表1 為多孔微通道相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，壁厚600μm、深度1 200μm、槽寬600μm，通道個(gè)數(shù)23，此結(jié)構(gòu)參數(shù)也為銅基微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)。表2 為多孔微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括銅粒粒徑、燒結(jié)底厚及孔隙率。

圖3 枝狀銅粉電鏡掃描圖Fig.3 Copper powders scanned by electron microscope

表1 多孔微通道尺寸參數(shù)Tab.1 Size parameters of porous microchannels

表2 多孔微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of porous microchannels

1.3 性能參數(shù)計(jì)算和不確定性分析

多孔微通道的性能主要通過沸騰起始過熱度、傳熱系數(shù)和臨界熱流密度CHF 來衡量。

質(zhì)量流率計(jì)算：

考慮測試段與環(huán)境之間的熱損失Qloss，測試段的有效加熱功率為：

式中：Qtot為輸入加熱功率；Qnet為凈加熱功率；Qloss為熱沉室與環(huán)境間的熱損失。

測試段的實(shí)際熱流密度為：

式中：Acop為微通道底部傳熱面積。

加熱銅塊表面的壁面過熱度為：

通過翅片理論分析，可得到微通道內(nèi)傳熱系數(shù)為：

式中：Tw是微通道中點(diǎn)處的表面溫度；Tsat是銅塊表面中點(diǎn)處相應(yīng)的工質(zhì)飽和溫度；Wcell，Wch和Hch都是微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表1）。

微通道內(nèi)蒸汽干度計(jì)算如下：

式中，hfg為流體的汽化潛熱；Li為測溫點(diǎn)與通道進(jìn)口的距離；L為微通道長度；為質(zhì)量流量。

熱沉室與環(huán)境之間存在對(duì)流和熱輻射損失。通過單相實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，熱損失與溫差（微通道上壁面溫度和環(huán)境空氣溫度之差）存在正比關(guān)系。由于流動(dòng)沸騰工況熱損失與溫差的關(guān)系，與單相流動(dòng)關(guān)系相似，所以本文采用單相擬合獲得的關(guān)聯(lián)式間接獲得沸騰工況的熱損失。當(dāng)G=142 kg/m2·s 時(shí)，熱沉室的熱損失與溫差的擬合曲線如圖4 所示。橫座標(biāo)溫差為微通道上壁面溫度平均值與實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的差值。

圖4 熱沉室熱損失與溫差擬合直線Fig.4 Fitting line of heat loss and temperature difference

單相流動(dòng)時(shí)，去離子水吸收的有效熱量由下式得到：

熱沉室在某一加熱功率下的熱效率即為：

實(shí)驗(yàn)測量值的不確定度見表3。

表3 本實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定度Tab.3 Uncertainty of relevant data in this experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 多孔微通道傳熱性能分析

2.1.1 單一/混合多孔微通道換熱特性對(duì)比

單一/混合粒徑多孔微通道沸騰曲線如圖5 所示。在同樣的熱流密度下，混合粒徑多孔微通道的壁面過熱度普遍低于單一粒徑多孔微通道。對(duì)于沸騰起始點(diǎn)，30&90μm 的多孔微通道的過熱度低于30&50μm和50&90μm。隨著熱流密度的增加，微通道壁面過熱度也增大。當(dāng)熱流密度小于100 W/cm2時(shí)，30&90μm的多孔微通道能夠有效降低多孔壁面過熱度，換熱性能最佳。而當(dāng)熱流密度大于100 W/cm2時(shí)，30&50μm銅粉粒徑燒結(jié)的多孔微通道壁面過熱度最低，其臨界熱流密度CHF 值最大，達(dá)到了近140 W/cm2。

圖5 單一/混合粒徑多孔微通道沸騰曲線Fig.5 Boiling curves of porous microchannels with single/mixed particles

圖6為單一/混合粒徑多孔微通道流動(dòng)換熱性能隨質(zhì)量干度變化曲線。可以看到，多孔微通道換熱系數(shù)均隨著熱流密度先增加然逐漸下降并趨于穩(wěn)定。在質(zhì)量干度為0 左右時(shí)，多孔微通道傳熱以核態(tài)沸騰為主，單一粒徑樣品90μm，混合粒徑樣品30&50μm 和30&90μm 換熱系數(shù)較高；當(dāng)x>0.05 時(shí)，30&50μm 和30&90μm 多孔微通道換熱系數(shù)最高，這說明粒徑的混合對(duì)于多孔微通道換熱性能的提升有著良好的效果。

圖6 單一/混合粒徑多孔微通道換熱系數(shù)隨干度變化趨勢(shì)Fig.6 Performances trends of porous microchannels with single/mixed particles

2.1.2 入口溫度對(duì)傳熱性能的影響

不同入口溫度下的多孔微通道的沸騰曲線如圖7所示。可以看出降低入口溫度，即提高入口過冷度，壁面過熱度會(huì)降低，但對(duì)臨界熱流密度的影響非常小。混合粒徑多孔微通道的臨界熱流密度明顯高于單一粒徑。當(dāng)熱流密度為100 W/cm2和入口溫度為60℃時(shí)，較90μm 的樣品，混合粒徑可降低壁面過熱度10℃左右。

圖7 多孔微通道不同入口溫度下沸騰曲線Fig.7 Boiling curves at different inlet temperatures

多孔微通道的傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化趨勢(shì)如圖8 所示。可以發(fā)現(xiàn)2 種多孔微通道在不同入口溫度下的傳熱系數(shù)均呈先增加至一峰值然后逐漸穩(wěn)定于一定值，但是在熱流密度較低時(shí)，提高入口溫度其換熱性能也增強(qiáng)。當(dāng)熱流密度較大時(shí)，混合粒徑為30&90μm的多孔微通道表現(xiàn)出良好的性能。

圖8 在不同入口溫度下?lián)Q熱系數(shù)隨熱流密度圖Fig.8 HTCs at different inlet temperature

2.1.3 質(zhì)量流率對(duì)多孔微通道傳熱性能的影響

圖9 為不同質(zhì)量流率下多孔微通道的沸騰曲線圖。可以發(fā)現(xiàn)，混合多孔微通道較單一粒徑多孔微通道的壁面過熱度低10℃左右。隨著質(zhì)量流率的增大，壁面過熱度會(huì)降低，這說明流體的流動(dòng)效應(yīng)有助于提高沸騰換熱性能。而且流率的增大，有助于提升臨界熱流密度CHF。

圖9 多孔微通道在不同質(zhì)量流率下沸騰曲線Fig.9 Boiling curves of porous microchannel at different flow rates

多孔微通道的傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化曲線如圖10 所示。二組樣品傳熱系數(shù)隨著熱流密度的增加都是先增大，然后逐漸降低并最終保持在一個(gè)穩(wěn)定值。原因是當(dāng)熱流密度較大時(shí)，G=71 kg/m2·s 液體產(chǎn)生的氣泡不容易被液體帶走，壁面過熱度較高，從而較早出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。質(zhì)量流率較大時(shí)，換熱系數(shù)最大值點(diǎn)向左移動(dòng)，混合粒徑燒結(jié)多孔微通道的換熱性能最佳。

圖10 多孔微通道換熱系數(shù)隨熱流密度圖Fig.10 HTCs of porous microchannels at different rates

2.2 多孔微通道流動(dòng)沸騰可視化分析

為了更好地了解多孔微通道內(nèi)的沸騰機(jī)制，進(jìn)行可視化研究。實(shí)驗(yàn)工況為Tin=60℃，G=142 kg/m2·s，樣品1 為單一粒徑50μm，樣品2 是混合粒徑為30&50μm。有效熱流密度為55W/cm2，采用高速攝像儀獲得通道內(nèi)的流型變化。對(duì)于單一粒徑多孔微通道，流型變化結(jié)果如圖11 所示。泡狀流-塞狀流-攪拌流-環(huán)狀流為一個(gè)完整周期內(nèi)多孔微通道內(nèi)部去離子水的相變過程，整個(gè)相變周期從泡狀流到環(huán)狀流所需時(shí)間為13.3 ms，相變過程循環(huán)往復(fù)。而混合粒徑多孔微通道的流型變化如圖12 所示。多孔微通道流道內(nèi)完成一個(gè)氣泡生長周期需要5.6 ms。從氣泡生長情況看，混合粒徑比單一粒徑流道內(nèi)部氣泡數(shù)量更多，由于混合粒徑多孔微通道表面存在更多的微孔，從而有利于微通道內(nèi)穩(wěn)定沸騰的形成。

圖11 單一粒徑50μm 多孔微通道流型演變Fig.11 Flow pattern of a single particle size 50μm porous microchannel

圖12 混合粒徑30&50μm 多孔微通道的流型演變Fig.12 Flow patterns in porous microchannels with a mixed particle size of 30-50 um

當(dāng)接近臨界熱流密度CHF 時(shí)，單一/混合粒徑多孔微通道內(nèi)的沸騰狀態(tài)如圖13 所示。對(duì)單一粒徑多孔微通道，當(dāng)熱流密度為90 W/cm2時(shí)，蒸汽已占據(jù)整個(gè)通道，出現(xiàn)局部干涸區(qū)域，隨著熱流密度增大，干涸區(qū)域面積也會(huì)不斷增大；而對(duì)于混合粒徑，熱流密度為115 W/cm2時(shí)，通道內(nèi)部仍以環(huán)狀流為主，微通道上下游流體會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，并且出口處交替出現(xiàn)干涸和流體濕潤加熱表面現(xiàn)象。這說明混合粒徑對(duì)提高微通道的換熱性能非常有益。

圖13 高熱流密度下單一/混合粒徑多孔微通道內(nèi)的沸騰狀態(tài)Fig.13 Flow patterns in porous microchannels with single/mixed particles

3 結(jié) 語

本文主要對(duì)混合粒徑燒結(jié)的多孔微通道的沸騰換

熱進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)得出相關(guān)數(shù)據(jù)，這為解決船舶電子設(shè)備超高熱流密度散熱問題提供參考依據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）同一熱流密度下，混合粒徑多孔微通道的壁面過熱度低于單一粒徑。提高入口過冷度，有益于提高燒結(jié)多孔微通道的換熱性能。提高入口水溫使得壁面溫度也增大，核心數(shù)更多從而強(qiáng)化了過冷沸騰。

2）混合粒徑為30&90μm 和30&50μm 的性能較好，有利于降低壁面過熱度。說明摻混大粒徑銅粉對(duì)有益于增強(qiáng)沸騰換熱。相對(duì)單一粒徑來說，混合粒徑多孔微通道表面氣泡直徑小且數(shù)量多，換熱系數(shù)和CHF 均得以提升。

3）對(duì)于單一/混合粒徑多孔微通道，在熱流密度較低時(shí)，微通道內(nèi)的沸騰機(jī)制是核沸騰模式；當(dāng)熱流密度較高時(shí)，微通道內(nèi)的沸騰機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)沸騰機(jī)制。