梯形微通道內(nèi)乙醇水混合蒸氣冷凝流型可視化實驗

姜睿，馬學(xué)虎，蘭忠，白濤，白玉瀟

(大連理工大學(xué)化學(xué)工程研究所，遼寧省化工資源清潔利用重點實驗室，遼寧 大連 116023)

引言

隨著電子、航天等技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備高密度熱流散熱問題愈發(fā)突出，微通道內(nèi)流動冷凝換熱作為一種高效的解決方案，也受到研究者的廣泛關(guān)注。由于微通道內(nèi)表面張力占主要地位，重力等體積力影響占較小地位，因此微通道內(nèi)的傳遞現(xiàn)象與宏觀大通道有較大不同。

微通道內(nèi)氣液兩相流體的流動形態(tài)及流動機理與宏觀大通道大不相同，其對通道內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱及壓降特性具有重要影響，兩相流動形態(tài)的變化也會對流體的流動阻力、穩(wěn)定性等造成影響，許多研究者[1-4]對微通道內(nèi)冷凝兩相的兩相流型進行了研究，發(fā)現(xiàn)了滴狀、環(huán)狀、噴射及間歇泡狀流等不同流型。Chen等[5-6]對三角形及矩形截面的微通道內(nèi)冷凝過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴射流是微通道內(nèi)冷凝流動的特征流型。Ma等[7]對不同高寬比的梯形微通道內(nèi)冷凝現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)蒸氣干度越大，微通道內(nèi)越容易發(fā)生環(huán)狀流，其傳熱系數(shù)也越大。

眾所周知，冷凝模式與表面潤濕性密切相關(guān)，F(xiàn)ang等[8]及Chen等[9]對疏水性微通道內(nèi)冷凝流型進行了實驗，觀察到通道內(nèi)滴狀流型存在。然而，為了實現(xiàn)滴狀冷凝，需要對高表面能的表面涂覆功能涂層以降低表面能，從成本及性能上綜合考慮，現(xiàn)在并沒有令人滿意的解決方案[10]。而通過乙醇水混合蒸氣冷凝，利用冷凝液本身表面張力變化形成滴狀冷凝，對于強化冷凝傳熱是一種有效的途徑[11]。

Utaka等[12-14]對不同濃度、不同冷凝溫度梯度下的乙醇水蒸氣冷凝傳熱進行測量，發(fā)現(xiàn)蒸氣中乙醇濃度為1%時傳熱系數(shù)最高，為膜狀冷凝的2～8倍，發(fā)現(xiàn)乙醇水冷凝液滴底部有液膜出現(xiàn)，并測量了液膜厚度。Yan等[15-16]對乙醇水混合蒸氣冷凝進行了可視化研究，實驗探究了蒸氣中乙醇濃度、溫度梯度、蒸氣流速、壓力等操作因素對流型、液滴尺寸及傳熱的影響。結(jié)果表明，蒸氣中乙醇濃度及過冷度對傳熱影響很大，溫度梯度對冷凝傳熱起到增強作用，傳熱系數(shù)隨著蒸氣流速與蒸氣壓力增加而增大。Deans等[17]對添加少量三甲胺的蒸氣水平管冷凝進行了實驗研究，實驗認(rèn)為底層液膜與液滴的表面張力梯度是滴狀冷凝出現(xiàn)的原因。Lan等[18]利用表面自由能差方法對乙醇水滴狀冷凝成因進行解釋，發(fā)現(xiàn)表面自由能差越大，乙醇水蒸氣滴狀冷凝形態(tài)越明顯。Fu等[19-21]對甲醇水、乙醇水混合溶液在發(fā)散微通道內(nèi)沸騰進行了可視化實驗研究，實驗測試了不同醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下微通道的臨界熱通量及沸騰流型，并對流型進行了預(yù)測關(guān)聯(lián)。

但是，上述研究中對微通道內(nèi)混合工質(zhì)冷凝的可視化實驗較少，鑒于此，本文對微通道內(nèi)乙醇水冷凝流型進行了可視化實驗，分別對不同入口乙醇濃度蒸氣冷凝流型進行了觀測。同時，將微通道分為10段，分別計算了通道內(nèi)氣液兩相乙醇濃度及蒸氣干度變化，并以蒸氣干度為坐標(biāo)建立蒸氣冷凝兩相流型圖。

1 實驗

1.1 微通道實驗流程

本文中所用微通道冷凝實驗裝置如圖1所示。飽和蒸氣由鍋爐產(chǎn)生，流經(jīng)蒸氣閥、過濾器、測試模塊、后冷凝器并最終進入冷凝物收集器。管道采用保溫棉進行保溫，蒸氣在入口混合器中處于飽和狀態(tài)。蒸氣完全冷凝后凝液在冷凝物采集器中被收集，并在電子天平上稱量以測定蒸氣質(zhì)量流量。為了清除不凝氣體，鍋爐加熱前由真空泵抽真空，微通道在收集實驗數(shù)據(jù)前被鍋爐產(chǎn)生的蒸氣清掃。流型穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)圖像采集。

圖2為微通道冷凝實驗測試模塊的銅冷卻器和微通道的圖像。冷卻器由紫銅制成，底部通冷卻水進行冷卻。為保障銅冷卻器頂層和硅基微通道底層之間良好的導(dǎo)熱效果，本裝置將硅脂均勻涂抹在兩者之間。冷卻器處于硅基微通道與冷卻水之間。為檢測區(qū)域熱傳導(dǎo)速率，本文將20個T型熱電偶分為5組裝在冷卻器的中心線上。兩相鄰熱電偶之間縱向相距3 mm，軸向相距12 mm。硅片采用濕法刻蝕工藝，加工后的單晶硅片與硼硅玻璃鍵合而成，為14個長50 mm的平行梯形微通道。梯形微通道表面幾何參數(shù)由臺階掃描儀檢測，上底為440.57 μm，下底為276.69 μm，高為115.73 μm，水力學(xué)直徑為165.87 μm。

為了兩相流動的可視化研究，本文主要采用了顯微鏡頭（CX10C）和高速攝像（FASTCAM APX-RS）對微通道冷凝流型進行拍攝。拍攝光源采用冷光源（KMH-24）。微通道入口及出口的溫度和壓力分別由T型熱電偶和壓力傳感器檢測。冷卻水體積流率由轉(zhuǎn)子流量計檢測；同時，冷卻水的進口及出口溫度通過4個安裝在冷卻水混合器中心線的T型熱電偶檢測。溫度及壓力信號由Agilent34970A數(shù)據(jù)采集器采集。乙醇水蒸氣質(zhì)量通量通過蒸氣閥控制；冷卻水溫度由DFY-10/25恒溫水槽進行控制。

圖1 微通道蒸氣冷凝系統(tǒng)流程 Fig.1 Schematic diagram of experimental facility

圖2 微通道實驗測試系統(tǒng)及熱電偶排布 Fig.2 Schematic diagram of test section structure and location of thermocouples in copper cooler

1.2 數(shù)據(jù)處理

微通道內(nèi)熱通量通過文獻(xiàn)[7]方法進行計算。乙醇水蒸氣冷凝質(zhì)量通量通過測量冷凝液量和時間進行計算。入口混合蒸氣中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)利用Aspen軟件中NRTL（non-random two liquid）方法進行計算，通過采集到的飽和混合蒸氣的壓力和溫度即可計算出蒸氣中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)。微通道內(nèi)乙醇水物性數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[22]中方法擬合得到。

乙醇水蒸氣相變焓值為

乙醇水蒸氣雙組分冷凝過程中，由于汽液兩相平衡存在，冷凝液中乙醇濃度與氣相中乙醇濃度不同，所以將通道分為等距10段，每段5 mm。分別計算得每段冷凝量及液相氣相中乙醇濃度。

實驗操作壓力為低壓，乙醇水汽液平衡在低壓條件下改變不大，以實驗中平均壓力0.16 MPa為標(biāo)準(zhǔn)壓力，通過NRTL方法計算得0.16 MPa下中的乙醇?xì)庀酀舛萕g和液相濃度數(shù)據(jù)Wl，擬合得到汽液兩相平衡公式

微通道內(nèi)冷凝量通過通道后部冷卻系統(tǒng)（post- condenser）完全冷卻后的凝液進行測量，以保證通道內(nèi)蒸氣完全冷凝，由此得到蒸氣質(zhì)量通量，乙醇水蒸氣冷凝質(zhì)量通量通過測量冷凝液量和時間進行計算。

同理可求微通道內(nèi)每段入口的混合蒸氣氣相、液相質(zhì)量通量Gg(z)、Gl(z)；氣相、液相內(nèi)乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wg(z)、Wl(z)。不同位置采用內(nèi)插法進行求解。Gl,in、Gg,in、Gin分別為入口處液相質(zhì)量通量、蒸氣氣相質(zhì)量通量及蒸氣質(zhì)量通量；Wl,in、Wg,in分別為入口處液相、氣相中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

微通道內(nèi)每段蒸氣干度x為

微通道內(nèi)噴射流位置處量綱1參數(shù)Reynolds數(shù)Reg及Weber數(shù)Weg表達(dá)式為

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 可視化流型

乙醇水蒸氣隨入口濃度不同會有不同流型出現(xiàn)。按照冷凝方向分，分別為環(huán)狀流、環(huán)狀條紋流、翻滾流、噴射流和泡狀流。每個流型又因入口乙醇濃度不同表現(xiàn)為不同形式。不同入口濃度下流型如圖3所示。

2.1.1 環(huán)狀流環(huán)狀流一般出現(xiàn)在通道入口處，環(huán)狀流在不同入口乙醇濃度下表現(xiàn)不同。如圖4所示，2%～6%入口乙醇濃度下環(huán)狀流波動較??；60%入口乙醇濃度下環(huán)狀流通道入口段波動較小，隨著冷凝過程繼續(xù)，冷凝后段液膜波動加大。L為通道內(nèi)流型拍攝位置距通道入口的距離。與純水蒸汽微通道內(nèi)環(huán)狀流相比[7]，液膜波動明顯。

圖3 不同入口乙醇濃度混合蒸氣微通道內(nèi)冷凝流型 Fig.3 Schematic diagram of ethanol-water mixtures condensation flow patterns of different input ethanol concentrations

圖4 環(huán)狀流流型 Fig.4 Annular flow pattern

2.1.2 環(huán)狀條紋流及翻滾流乙醇水蒸氣冷凝隨著冷凝的繼續(xù)，蒸氣流速減小，氣液界面作用明顯。2%、4%、6%、20%及31%濃度下，底部液膜呈現(xiàn)條紋，環(huán)狀條紋流出現(xiàn)，不同入口乙醇濃度下環(huán)狀條紋形狀不同，20%和31%濃度下，環(huán)狀條紋流在通道入口處便可觀察到，且條紋較細(xì)，通道底部出現(xiàn)一條到多條波動條紋，不同條紋間有混合。2%、4%和6%濃度下，環(huán)狀條紋流發(fā)生在環(huán)狀流之后，條紋較粗，且波動較小，通道底部條紋只有1條，條紋周圍會有液滴出現(xiàn)，低入口乙醇濃度下，條紋流之后為噴射流，通道底部條紋在噴射頸部前與壁面液膜混合，條紋流消失。

實驗條件下，只有入口乙醇濃度為20%、31%時出現(xiàn)翻滾流，翻滾流出現(xiàn)在條紋流之后，隨著冷凝繼續(xù)及乙醇濃度增加，條紋流寬度增大，受空間尺度限制，波動條紋與通道上表面接觸，條紋波動加劇甚至斷裂，不同條紋流間、條紋流與壁面液膜交互混合，形成翻滾流，如圖5所示，翻滾流中液體波動明顯，隨著蒸氣冷凝，氣相核心慣性力減小，條紋與壁面液膜混合，翻滾流結(jié)束。入口濃度60%時，發(fā)展到冷凝后段的環(huán)狀流與翻滾流類似，但無明顯條紋斷裂過程，波動較翻滾流相比較弱。入口濃度2%、4%及6%的流型中未有翻滾流出現(xiàn)。

圖5 環(huán)狀-條紋-滴狀流、環(huán)狀-條紋流及翻滾流流型 Fig.5 Annular-streak-droplet, annular-streak and annular-churn flow pattern

2.1.3 噴射流不同入口乙醇濃度、不同質(zhì)量通量下噴射流形狀不同。入口濃度60%時，噴射流波動明顯，不能形成穩(wěn)定噴射尖端，無純水蒸氣冷凝中出現(xiàn)的噴射頸部[7]，為多氣泡噴射。在20%、31%濃度時，噴射流現(xiàn)象噴射流發(fā)生位置處出現(xiàn)冷凝液滴，呈現(xiàn)滴狀噴射流型。由于噴射流發(fā)生在翻滾流之后，翻滾流中由于條紋液膜摻混，造成液膜波動劇烈，使得噴射區(qū)域液膜波動加劇，同樣為無噴射頸部的多氣泡噴射形態(tài)。入口濃度2%、4%及6%時，噴射流呈現(xiàn)與純水蒸氣微通道內(nèi)冷凝類似的噴射形態(tài)，都存在噴射頸部與噴射尖端，頸部斷裂，噴射尖端脫離形成氣泡。低入口乙醇濃度下大部分噴射流型為單氣泡噴射模式，噴射區(qū)域有液滴出現(xiàn)，呈滴狀噴射模式（圖6）。

圖6 噴射-滴狀流型及噴射流流型 Fig.6 Droplet-injection and injection flow pattern

2.1.4 泡狀流泡狀流發(fā)生在噴射流之后，泡狀流流型與噴射流發(fā)生密切相關(guān)，噴射流流型波動劇烈，泡狀流氣泡小且常呈現(xiàn)多個氣泡形態(tài)，噴射氣泡移動速度較快且流動方向不沿中心線。2%～6%濃度下噴射流波動減小，與純水蒸氣冷凝類似，泡狀流氣泡增大，沿通道中心線移動（圖7）。

圖7 氣泡流流型 Fig.7 Bubble flow pattern

2.2 不同濃度乙醇水流型圖

乙醇水蒸氣在微通道內(nèi)不斷冷凝，在微通道內(nèi)會同時出現(xiàn)多種流動形態(tài)。為了預(yù)測冷凝過程中的流型變化，本文探究了微通道內(nèi)乙醇水蒸氣冷凝流型，同時建立對應(yīng)的流型轉(zhuǎn)換圖。

本文通過計算與上述兩種流型起始位置對應(yīng)的乙醇水蒸氣干度，以蒸氣干度和乙醇水蒸氣質(zhì)量通量為坐標(biāo)作出兩條流型轉(zhuǎn)換曲線，即為不同濃度乙醇水蒸氣微通道冷凝的流型圖（圖8）。本文選取6%、20%及60% 3種特征流型進行流型圖繪制（圖8），發(fā)現(xiàn)蒸氣質(zhì)量流量越高，干度越大，流型呈現(xiàn)環(huán)狀流形態(tài)；蒸氣質(zhì)量流量越低，干度越小，流型呈現(xiàn)泡狀流形態(tài)。相同入口乙醇濃度下，噴射流發(fā)生位置干度隨質(zhì)量通量增加而減小。相同質(zhì)量通量下，噴射流發(fā)生干度隨著入口乙醇濃度增加先減小后增大。微通道內(nèi)液體流型控制主要作用力為表面張力和慣性力，隨著乙醇濃度增加，乙醇水溶液表面張力減小，不容易維持噴射流形態(tài)，噴射流發(fā)生干度應(yīng)隨乙醇濃度增加而增大。但入口乙醇濃度為20%時，自入口處開始，流型呈現(xiàn)條紋、翻滾、噴射形態(tài)，冷凝流型波動為3種特征流型中最劇烈的，使得噴射流發(fā)生位置干度較6%相比變小。

圖8 微通道內(nèi)乙醇水混合蒸氣冷凝兩相流型 Fig.8 Two-phase flow patterns map for ethanol-water condensation in microchannels

2.3 微通道內(nèi)乙醇水蒸氣冷凝兩相流型轉(zhuǎn)變關(guān)系預(yù)測式

雖然乙醇水混合蒸氣冷凝流型波動較大，但由于微通道內(nèi)流型變化與氣相核心慣性力與表面張力密切相關(guān)。采用量綱1參數(shù)氣相Reynolds數(shù)Reg表示氣相核心慣性力，Weber數(shù)Wel表示表面張力對微通道內(nèi)噴射流流型轉(zhuǎn)換影響?；趯嶒灁?shù)據(jù)，噴射流發(fā)生位置的干度對Reg及Wel進行經(jīng)驗關(guān)聯(lián)，從而對兩相流型進行預(yù)測。關(guān)聯(lián)式如下

范圍分別為90.4≤Reg≤611.9，1.03≤Wel≤20.13。對實驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進行比較繪圖，圖9顯示96%的數(shù)據(jù)點誤差范圍在±20%以內(nèi)，顯示經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式符合較好。

圖9 微通道內(nèi)噴射流型轉(zhuǎn)換干度預(yù)測值與實驗值對比 Fig.9 Comparison between predicted and experimental values of injection flow pattern transitional steam quality in microchannels

3 結(jié)論

（1）對不同入口乙醇濃度、不同質(zhì)量通量的乙醇水蒸氣微通道內(nèi)冷凝進行了可視化實驗，發(fā)現(xiàn)了環(huán)狀條紋流、環(huán)狀條紋滴狀流、翻滾流、噴射滴狀流等與純水蒸汽冷凝不同的流型。

（2）以蒸氣質(zhì)量通量及蒸氣干度為坐標(biāo)對不同入口乙醇濃度的乙醇水蒸氣冷凝流型建立了微通道內(nèi)蒸氣冷凝兩相流型圖，發(fā)現(xiàn)隨著入口乙醇濃度增加，同樣質(zhì)量通量下噴射流發(fā)生干度先減小后增大。

（3）建立了乙醇水混合蒸氣微通道內(nèi)冷凝的量綱1流型轉(zhuǎn)換臨界干度預(yù)測關(guān)聯(lián)式，能較好地預(yù)測微通道內(nèi)噴射流型干度，為兩相流型轉(zhuǎn)換提供了判斷依據(jù)。

符號說明

D——通道水力學(xué)直徑，μm

G——質(zhì)量通量，kg·m-2·s-1

h——相變焓，kJ·kg-1

L——拍攝位置距通道入口距離，mm

Re——Reynolds數(shù)

W——乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)

We——Weber數(shù)

x——干度

Z——通道位置，mm

μ ——黏度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

σ——表面張力，N·m-1

下角標(biāo)

e——乙醇

g——氣相

in——通道入口

l——液相

w——水

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