開式霧化噴射冷卻技術(shù)的應(yīng)用研究

唐小偉

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

霧化噴射冷卻技術(shù)是一種高效快速的強(qiáng)制冷卻手段。長期以來，霧化噴射冷卻技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用主要集中在動(dòng)力、化工、冶金等各個(gè)方面，并且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)上霧化噴射冷卻應(yīng)用較早的是高爐降溫，它利用霧化水射流對(duì)爐體進(jìn)行降溫，這種技術(shù)同以往的各種冷卻手段相比，具有更好的制冷效果和經(jīng)濟(jì)性（如圖1所示）。

圖1 霧化噴射冷卻示意圖

圖2 不同換熱方式的換熱系數(shù)

2 霧化噴射冷卻機(jī)理分析

霧化噴射冷卻技術(shù)是將制冷工質(zhì)通過霧化噴射組件霧化為微小液滴群后噴射到待冷卻物體的表面上，以強(qiáng)制對(duì)流及沸騰方式實(shí)現(xiàn)的冷卻。它具有冷卻效率高（如圖2所示）、冷卻溫度均勻、對(duì)被冷卻面形狀無任何要求等優(yōu)點(diǎn)。由于制冷工質(zhì)與被冷卻面直接接觸，因此霧化噴射冷卻技術(shù)不僅具有冷卻效率高和溫度梯度小的潛在優(yōu)勢(shì)，而且沒有接觸熱阻。已有的研究表明，霧化噴射冷卻效果受霧化特性、噴嘴與被冷卻面之間距離、制冷劑質(zhì)量流量、制冷工質(zhì)熱物性參數(shù)等多種因素影響。

霧化噴射冷卻是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，這是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，其換熱機(jī)理十分復(fù)雜，眾多影響因素相互牽連，給實(shí)驗(yàn)研究帶來了很大困難。霧化噴射組件是整個(gè)霧化噴射冷卻系統(tǒng)的核心部件，制冷工質(zhì)經(jīng)霧化噴射組件完成部分節(jié)流循環(huán)，霧化后經(jīng)噴嘴高速噴出，同周圍環(huán)境充分熱交換吸收大量的熱量，達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的。

霧化噴射冷卻技術(shù)從機(jī)理上分析是強(qiáng)制對(duì)流和核態(tài)沸騰換熱的綜合體，制冷工質(zhì)與被冷卻面及環(huán)境之間的換熱不僅僅是壁面問題，同時(shí)也是空間問題。由于其影響因素眾多，因此很難建立起準(zhǔn)確的物理模型，但這并不影響霧化噴射冷卻技術(shù)的廣泛應(yīng)用，霧化噴射冷卻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用早于其理論研究。在現(xiàn)實(shí)生活和工業(yè)生產(chǎn)中，霧化噴射冷卻技術(shù)已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，它是一種新興的、廉價(jià)的快速制冷方式，采用霧化噴射冷卻技術(shù)不僅可以達(dá)到快速制冷的目的而且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

3 開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)方案

圖3 開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)方案示意圖

開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)由制冷劑貯瓶、閥門組件、節(jié)流組件、霧化噴射組件4個(gè)基本單元組成（見圖3），各個(gè)單元的功能如下：

1）制冷劑貯瓶用于存儲(chǔ)帶壓制冷劑。

2）閥門組件分為2個(gè)功能單元：制冷劑充罐控制與制冷劑流動(dòng)控制。對(duì)制冷劑充灌控制可以采用單向閥或截止閥；對(duì)制冷劑流動(dòng)控制可以采用電磁閥或電爆閥。

3）霧化噴射組件的作用是使節(jié)流膨脹后的制冷劑充分霧化，產(chǎn)生制冷效果。

開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)進(jìn)行制冷工作后對(duì)制冷劑不進(jìn)行回收循環(huán)再利用，因此其制冷時(shí)間取決于制冷劑攜帶量。開式霧化噴射冷卻技術(shù)適用于短期內(nèi)工作的高熱流密度設(shè)備的熱防護(hù)。

4 開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)制冷工質(zhì)分析

霧化噴射冷卻系統(tǒng)中制冷工質(zhì)的選擇要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于電子設(shè)備的冷卻，要求制冷工質(zhì)不導(dǎo)電、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、單位質(zhì)量制冷量盡可能大、對(duì)內(nèi)部材料無腐蝕并適合長期貯存。對(duì)于有電磁波透射要求（譬如高功率小口徑雷達(dá)天線）的高熱流密度設(shè)備進(jìn)行冷卻時(shí)，要求制冷劑對(duì)電磁波不能吸收。對(duì)于非電子設(shè)備的冷卻，對(duì)制冷工質(zhì)導(dǎo)電性能不做要求，但要求其無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、單位質(zhì)量制冷量盡可能大。

制冷工質(zhì)的選擇要綜合考慮各個(gè)因素。汽化潛熱的大小固然重要，但由于使用在特定環(huán)境下，因此也要滿足一些特定的要求，例如標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)，溶點(diǎn)，飽和蒸氣壓等。

常用的制冷劑包括R717與R22。R717（氨）有較好的熱力性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，它在常溫及普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中，單位容積制冷量大、黏性小、流動(dòng)阻力小、密度小、傳熱性能好。R717（氨）是應(yīng)用最早而且目前仍廣泛使用的制冷劑，主要在大型工業(yè)制冷裝置中使用。R717（氨）的主要缺點(diǎn)是有毒性，可燃可爆，其蒸氣無色，是刺激性氣體?？諝庵蠷717（氨）蒸氣壓的容積濃度達(dá)到0.5%～0.6%時(shí)，能引起中毒；R717（氨）的燃點(diǎn)為1171℃，容積濃度到11%～14%時(shí)可點(diǎn)燃，容積濃度為16%～25%時(shí)會(huì)引起爆炸。純氨不腐蝕鋼鐵和有機(jī)材料，但在含水分時(shí)腐蝕鋅、銅。

R22的飽和壓力特性與氨相近，標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)溫度等與氨也接近，但其單位制冷量與氨相差較多。R22廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)器以及中型冷水機(jī)組中，其無色、無味、不燃、不爆，對(duì)金屬無腐蝕，使用安全。R22傳熱性能不如氨，流動(dòng)性差，流動(dòng)阻力損失大。R22是極性分子，對(duì)天然橡膠、樹脂、塑料等非金屬材料有腐蝕（膨潤）作用。

由于水的汽化潛熱極高，在20℃時(shí)的汽化潛熱達(dá)到了2 454.09 kJ/kg，因此純水是一種非常好的制冷劑，它可以用于對(duì)導(dǎo)電性能、電磁波透射性能不做要求的高熱流密度設(shè)備冷卻。

5 霧化特性對(duì)冷卻效果的影響分析

霧化噴射組件的霧化效果及霧化后流動(dòng)換熱情況由霧化噴射組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及布置方式?jīng)Q定。噴霧過程是一個(gè)瞬變的、多維多相的復(fù)雜過程，它是工質(zhì)噴射、噴束擴(kuò)展、霧化、液滴破碎、汽化、液滴碰撞聚合、混合、噴霧撞壁等過程的綜合和疊加，存在強(qiáng)烈的氣液耦合。

液體薄膜破裂成霧滴的方式有3種:周緣破裂、穿孔破裂和波浪破裂。但破裂的過程是一樣的，即先由薄膜裂化成液絲，液絲再斷裂成霧滴。液力式霧化的霧滴，其運(yùn)動(dòng)軌跡在不考慮風(fēng)力等情況的影響下，可以近似認(rèn)為是直線運(yùn)動(dòng)，霧滴的重力與從噴頭獲得能量相比可以忽略不計(jì)。液力式霧化方式產(chǎn)生的霧型主要取決于噴嘴的形式和噴霧壓力，其霧形如圖4所示[1]。

圖4 液力式霧化的霧形

圖5 同一結(jié)構(gòu)不同噴口直徑霧化噴射組件制冷劑液體工作壓力pL與霧化角度α試驗(yàn)曲線

通過測(cè)量制冷劑液體在不同工作壓力下的霧化錐角試驗(yàn)可以看出（試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示），霧化噴射組件噴嘴壓降越大其質(zhì)量流量越高，霧化錐角隨噴嘴壓降增大而上下波動(dòng)劇烈，但整體處于一個(gè)較小的范圍之內(nèi)變化。

對(duì)霧化過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真，其霧化張角越大，霧化擴(kuò)散出現(xiàn)的位置越提前，液滴霧化越充分，液滴直徑越小，分布越均勻。當(dāng)液體被分離為小霧滴時(shí)，霧滴的直徑越小，與空氣接觸的表面積越大，霧滴在空氣中的存在時(shí)間越短，飛行距離越近。隨著霧滴直徑的增大，霧滴在空氣中存在的時(shí)間和飛行的距離增大，霧滴在空氣中汽化的時(shí)間也隨著增大。由于霧滴從一定高度噴出，超過一定直徑范圍的霧滴會(huì)迅速落至被冷卻對(duì)象表面，使得霧滴的實(shí)際汽化時(shí)間大大縮短，并且霧滴飛行距離較霧滴存在時(shí)間對(duì)霧滴直徑更為敏感。因此，要取得較好的制冷效果，須嚴(yán)格控制霧滴的直徑在合理的范圍之內(nèi)。試驗(yàn)表明，霧化噴射冷卻系統(tǒng)霧滴直徑一般控制在50～100 μm之內(nèi)。

霧化噴射冷卻過程是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，通過強(qiáng)制對(duì)流及核沸騰方式實(shí)現(xiàn)冷卻。霧化噴射組件由于制冷劑霧化液滴高速流動(dòng)的黏性作用，帶動(dòng)周邊的氣體工質(zhì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流冷卻。因此霧化液滴速度越高，其所帶來的對(duì)流冷卻效應(yīng)越好。霧化液滴在被冷卻表面上充分吸收熱量完成相變過程實(shí)現(xiàn)核沸騰冷卻，因此霧化液滴直徑越小，單個(gè)液滴完成相變所需要吸收的熱量越少，越容易實(shí)現(xiàn)核沸騰過程，其冷卻效果越好。

霧化噴射過程中如果忽略重力的影響，根據(jù)貝努利方程可以得到噴嘴出口處的速度V與壓力的關(guān)系

式中 Δp為噴嘴入口和出口的壓差，它近似等于液體的工作壓力pL；ρL為液體密度。

實(shí)際上，制冷劑液體在霧化噴射組件出口處并不是充滿了整個(gè)噴口，其中心部分有一個(gè)空氣芯，使實(shí)際的流通面積變小。因此可引入一個(gè)流量系數(shù)β，將其定義為實(shí)際流量與理論流量之比。于是，質(zhì)量流量qM可表示為

圖6 同一結(jié)構(gòu)、不同噴口直徑霧化噴射組件制冷劑液體工作壓力pL與質(zhì)量流量G試驗(yàn)曲線

通過測(cè)量制冷劑液體在不同工作壓力下的質(zhì)量流量試驗(yàn)可以看出（試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示），霧化噴射冷卻系統(tǒng)中增大霧化噴射組件的壓力差（進(jìn)口/出口），則制冷劑質(zhì)量流量增大，可明顯提升霧化噴射冷卻的換熱效果。其原因在于噴射液體的流量增加，則噴嘴進(jìn)口壓力隨之增大，霧化形成的液滴平均直徑將會(huì)變小，液滴更細(xì)密，分布更均勻，液滴與熱表面換熱面積也會(huì)增大，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)增高，提高其冷卻效果[2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，霧化噴射組件與被冷卻表面之間存在一個(gè)最佳距離。霧化噴射冷卻試驗(yàn)表明噴嘴距離被冷卻表面較遠(yuǎn)，霧化液滴不能充分覆蓋被冷卻表面，冷卻效果不好。噴嘴距離被冷卻表面較近，被冷卻表面溫度反而升高，冷卻效果下降。從對(duì)噴射狀態(tài)的觀察來看，當(dāng)噴嘴距熱表面距離變近，飛濺液滴數(shù)量變多，實(shí)際噴射到表面上的液滴量減小；另一方面，噴射距離變近后，在噴射角度不變的情況下，實(shí)際噴射到熱表面的面積減小，冷卻效果下降，因此霧化噴射冷卻系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一個(gè)最佳噴射距離[2]。

對(duì)于霧化噴射冷卻系統(tǒng)，令制冷劑的制冷量（即制冷劑汽化潛熱）為q0，被冷卻對(duì)象需要的冷量為Φ，則存在如下關(guān)系：

由于冷卻過程中不可能所有制冷劑完全充分霧化，因此引入霧化效率系數(shù)λ，

令噴嘴直徑為FC，經(jīng)過換算，可得：

由此可見，在霧化噴射冷卻系統(tǒng)中，霧化噴射組件的壓力差與被冷卻對(duì)象所需要冷量的二次方相關(guān)。

在霧化噴射冷卻系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合制冷工質(zhì)熱物理性質(zhì)、制冷量大小、噴嘴與被冷卻面的相對(duì)距離、霧化噴射組件的布置形式等綜合考慮，合理的選擇霧化噴射組件的結(jié)構(gòu)形式及關(guān)鍵尺寸并確定霧化噴射組件的最低/最高工作壓力。

6 環(huán)境外熱流對(duì)冷卻效果的影響分析

對(duì)于制冷工質(zhì)不進(jìn)行回收再循環(huán)利用的開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)，制冷劑存儲(chǔ)于高壓容器內(nèi)，制冷過程中由于制冷劑的不斷消耗使制冷劑貯瓶內(nèi)的壓力不斷下降，而霧化噴射冷卻系統(tǒng)又是為高熱流密度設(shè)備進(jìn)行散熱，工作環(huán)境中的外熱流長時(shí)間作用于制冷劑直接影響制冷劑貯瓶內(nèi)的壓力，壓力影響制冷劑的質(zhì)量流量，進(jìn)而影響制冷效果與制冷時(shí)間，因此有必要分析環(huán)境外熱流對(duì)開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)制冷效果的影響。

隨著環(huán)境溫度的升高，制冷劑貯瓶內(nèi)的壓力也在不斷的升高。制冷劑貯瓶內(nèi)的壓力變化速率與環(huán)境溫度變化速率線性相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度上升至某一溫度并保持恒溫后，由于熱容的存在，此時(shí)制冷劑仍不斷的吸收外界熱量，制冷劑貯瓶內(nèi)的壓力仍持續(xù)升高，直到制冷劑在該環(huán)境下達(dá)到飽和蒸氣壓為止，此后制冷劑不再吸收環(huán)境熱量，制冷劑與外界環(huán)境達(dá)到熱平衡。在開式霧化噴射冷卻系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于制冷劑吸收外熱流的速率較慢，而貯瓶內(nèi)制冷劑不斷減少，引起制冷劑工作壓力的迅速下降。因此為了簡化設(shè)計(jì)，可以忽略在制冷過程中環(huán)境外熱流對(duì)不斷減少的制冷劑工作壓力作用的影響，只需考慮制冷劑減少引起的壓降損失及環(huán)境外熱流在霧化噴射冷卻裝置工作前對(duì)制冷劑壓力的影響。

霧化噴射冷卻系統(tǒng)具有恒定的流阻，而流阻和制冷劑壓力共同作用并影響制冷劑質(zhì)量流量，從而對(duì)制冷效果產(chǎn)生影響。由于系統(tǒng)中流阻恒定，制冷劑壓力和質(zhì)量流量成正比關(guān)系。因此帶壓制冷劑貯瓶必須滿足霧化噴射組件全程工作中對(duì)最低/最高工作壓力的需求。

7 結(jié)論

霧化噴射冷卻技術(shù)具有冷卻效率高、冷卻溫度均勻、沒有接觸熱阻、對(duì)被冷卻面形狀無任何要求等優(yōu)點(diǎn)，因此它是一種非常有前景的高熱流強(qiáng)制冷卻方式。因其換熱強(qiáng)烈，具有很高的臨界熱流密度（CHF），非常適用于一些對(duì)溫度要求很嚴(yán)格的領(lǐng)域。開式霧化噴射冷卻技術(shù)是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Э焖購?qiáng)熱流冷卻方式，它非常適合于高速飛行器等短期內(nèi)工作的高熱流密度設(shè)備的散熱及熱防護(hù)。

[1]喬宇鋒，毛寬民，黃其柏.液力式霧化制冷研究[J]，科學(xué)技術(shù)與工程，2004，（03）：214～217.

[2]陶毓伽，淮秀蘭，王磊等.雙噴嘴霧化噴射冷卻實(shí)驗(yàn)研究[C].中國工程熱物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)會(huì)議論文，073400.