高速飛行器水蒸發器換熱性能實驗研究

張雅丹 馬德勝 龐麗萍

（1.新鄉航空工業（集團）有限公司 新鄉 453002；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院 北京 100191）

0 引言

航空航天機載電子設備、汽車、電源逆變器和超級計算機等行業中的電子設備高性能化及小型化已成為發展的趨勢，但這些機載電子設備在工作時會產生大量的熱量，為了保持電子設備高效正常的工作，必須對這些電子設備進行有效的熱管理[1-4]。同時，板翅式換熱器以其體積小、重量輕等優點被廣泛應用，根據不同的應用領域，板翅式熱交換器發展出了各種擴展面，如普通翅片、波浪翅片、偏置條翅片、穿孔翅片和百葉窗翅片等在這些增強型翅片幾何結構中，偏置條形翅片offset strip fin（OSF）的應用最為廣泛[5,6]。傳統上應用基于強制對流的單相冷卻方法無法滿足大功率電子設備冷卻需求。因此可以在單相液冷的基礎上增加沸騰相變，利用液-汽相變過程潛熱能夠帶走大量的熱量，從而實現對電子設備的冷卻[8]。沸騰可分為池沸騰、內流沸騰、外流沸騰以及它們組合的混合配置[9]。池沸騰是上述沸騰配置中最簡單的方案，并且具有所謂的被動冷卻的顯著優勢，無需泵送功率或系統中的移動部件[7,8]。本文在前人研究的而基礎上，提出了一種基于偏置條形翅片作為單相液冷側翅片，平直矩形翅片作為沸騰側翅片的相變換熱器，探究相變換熱器在壓力為7kPa 環境和不同熱通量下的池沸騰換熱性能和單相液冷側換熱性能。為低壓環境下池沸騰傳熱特性的研究提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗系統

設計并建立了一個旨在進行低壓池沸騰傳熱研究的實驗系統，如圖1 所示，整個系統可分為三個部分，即單相液冷乙二醇水溶液（65%）回路、低壓池沸騰子系統和數據采集子系統。實驗前，對于單相液冷回路，乙二醇水溶液在實驗前存儲在儲液箱內，并由儲液箱內的控溫設備（加熱器）進行加熱。對于低壓池沸騰子系統，將換熱器放置在罐內，并對罐內進行注水，水液面距換熱器上表面高度8mm 處，初始水溫為25℃。開始實驗時，乙二醇水溶液從儲液箱中被流體泵抽出，閥門2 和閥門6 被打開，閥門7 關閉，然后，通過調節液體泵的轉速，來控制乙二醇水溶液的質量流量，通過讀取流量計的數值，達到相應實驗所需的質量流量后并待乙二醇水溶液在循環中達到穩定后，打開閥門7，并相應的關閉旁路閥門6，乙二醇水溶液就可以流入偏置條形翅片的微通道內。實驗采取三種工況，即改變乙二醇水溶液質量流量，其他參數：罐內壓力7kPa、單相液冷回路壓力0.2MPa、乙二醇水溶液入口溫度85℃等保持不變，輸入參數如表1 所示。實驗過程中，液冷回路以及罐體均采用隔熱材料覆蓋進行保溫，以減少與周圍環境之間的熱交換（圖1 中是拆除隔熱材料后拍攝的實驗裝置照片）。

圖1 實驗系統原理圖和照片Fig.1 Schematic diagram and photos of experimental system

表1 實驗輸入參數Table 1 Experimental input parameters

實驗所用的罐體為鋁合金圓柱體，內徑為325mm，高度為272mm，罐體壁厚為5mm。換熱器采用單相液冷兩流程的板翅式換熱器，如圖2 所示，換熱器長度為210mm，高度為120mm，寬度為186mm，單相液冷側通道與沸騰側通道采取間隔陣列的方式布置，即一層單相乙二醇側通道兩側布置沸騰側通道，實驗所用換熱器單相液冷側共18 層，沸騰側通道共19 層。其中沸騰側翅片采取平直矩形翅片，翅片結構形式在圖2 中的1 所示，單相液冷側采用偏置條形翅片結構，翅片結構形式在圖2 中的2 所示，單相液冷側通道進出口采取下入上出。為了更加明確表示單相液冷側偏置條形微通道的布局方式，選取一層偏置條形微通道布局方式在圖2 中的3 所示，在進出口翅片末端連接處，采用翅片導流，翅片切割夾角為80°。翅片均采用鋁合金材料。

圖2 換熱器結構模型圖Fig.2 Structural model diagram of heat exchanger

數據采集子系統包含質量流量計、溫度傳感器、壓力傳感器組成。本文使用渦輪流量計（LWJ）測量乙二醇溶液的質量流量，渦輪流量計的測量范圍和精度分別為0～3000kg/h 和±0.5%。壓力傳感器（KYB600）測量水罐內的壓力，壓力傳感器的測量范圍和精度分別為0～600kPa 和±0.25%。溫度傳感器（WZPK-336）測量水罐內的水溫以及乙二醇溶液的進出口溫度，溫度傳感器的測量分為和精度分別為-50℃～300℃和±0.5%。在進行正式實驗前，測量儀器均進行校準。

1.2 翅片結構尺寸及實驗邊界條件

偏置條形翅片結構如圖3（a）所示，結構參數包含翅片高度（h）、翅片間距（s）、翅片長度（l）、翅片厚度（t）。通常，翅片通道假定為矩形，翅片偏移量均勻且等于半翅片間距[12]。平直矩形翅片結構如圖3（b）所示，結構參數包含翅片高度（hv）、翅片間距（sv）、翅片厚度（tv）和翅片長度（lv）。偏置條形翅片和平直矩形翅片的尺寸列于表2。

圖3 翅片結構形式Fig.3 fin structure

表2 偏置條形和平直矩形翅片（mm）Table 2 serrated and straight rectangular fins(mm)

偏置條形翅片的水力直徑由公式（1）計算，平直矩形翅片水力直徑由公式（2）計算[3]：

式中，lf為單相液冷側流動總長度，mm。

1.3 數據處理

防凍液的散熱量（Qf）可由公式（3）進行計算：

式中，Qf為散熱量，W；m˙為乙二醇質量流量，kg/s；cp為乙二醇定壓比熱，J/(kg·K)；Tout、Tin分別為乙二醇進出口溫度，K。

乙二醇側傳熱因子可由公式（4）進行計算[9]：

式中，ReDh為乙二醇溶液的雷諾數。

乙二醇側努塞爾數（Nuf）可以公式（5）計算[9]：

式中，Pr為乙二醇的普朗特數。

由上式進而可以計算獲得乙二醇側對流換熱系數：

式中，λf為乙二醇的導熱系數，W/（m·K）。

翅片壁面溫度采用公式（7）進行計算[9]：

式中，Asur是液冷側換熱面積，m2；Tw為壁面溫度，K。

沸騰傳熱系數由公式（8）計算：

式中，Asat為沸騰側總的換熱面積，m2；Tsat為水的飽和溫度，K。

2 結果與討論

圖4（a）是實驗數據與經驗關聯式的熱流和過熱度的對比，從圖4（a）中可以得出過熱度隨著熱流的增加而增大。當過熱度從4K 變化到7K時，相應的實驗熱流從1.57W/cm2變化到5.75W/cm2；過熱度從7.6K 變化到12.16K 時，相對應的實驗熱流從6.92W/cm2變化為20.35W/cm2。因此，當過熱度大于7K 時，此水蒸發器可以在較小過熱度下獲得較大熱流。將實驗數據與現有經驗關聯式Jens-Lottes 和Thom 進行對比，誤差分別為34%和16%。實驗數據與Thom 關聯式誤差較小，因此本文Thom 關聯式基礎上進行修正。

圖4 實驗數據與經驗關聯式比較Fig.4 Data Comparison between experiment and calculation.

Jens-Lottes 關聯式[10]：

擬合關聯式如公式（11）所示：

式中，q為熱流密度，W/m2；P為壓力，MPa。

圖5 是實驗數據與擬合關聯式間的對比，除極少數點外，大多數實驗數據都在最大±10%偏差內，可以認為擬合關聯式與實驗數據吻合較好。

圖5 實驗數據與擬合關聯式對比Fig.5 Comparison of experimental data and fitted data

3 結論

在低壓環境7kPa 和質量流量為800kg/h、1500kg/h 和2500kg/h 的工況下研究了基于偏置條形翅片的板翅換熱器的沸騰換熱特性和單相液冷流動換熱特性通過實驗探究，通過將實驗數據與現有沸騰經驗關聯式進行對比可以得出，實驗數據與Jens-Lottes 關聯式誤差較大，與Thom 關聯式誤差較小。因此在Thom 關聯式的基礎上進行修正，提出了一個修正的適用于平直矩形翅片的低壓沸騰關聯式，最大誤差在±10%以內。