超聲波對(duì)微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑流動(dòng)沸騰傳熱影響

羅小平，喻 葭，王 文

超聲波對(duì)微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑流動(dòng)沸騰傳熱影響

羅小平，喻 葭，王 文

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640）

為探究有無(wú)超聲波作用下微細(xì)通道內(nèi)納米流體流動(dòng)沸騰傳熱特性，該研究設(shè)計(jì)了一種可以放置超聲波換能器的微細(xì)通道試驗(yàn)段，運(yùn)用超聲波振蕩法制備了納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%的均勻穩(wěn)定TiO2/R141b納米制冷劑。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力為152 kPa，有效熱流密度的范圍為10.8～22.7 kW/m2，超聲功率為50 W，超聲頻率為23 kHz，質(zhì)量流率為121.1 kg/(m2·s)，入口溫度為35℃的工況下，在截面寬度為2 mm的矩形微細(xì)通道內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)沸騰試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)的傳熱系數(shù)較高，強(qiáng)化傳熱效果較好，超聲波作用下仍是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米流體強(qiáng)化傳熱效果較好，相對(duì)于無(wú)超聲情況下R141b平均飽和沸騰傳熱系數(shù)最大提高了89.9%。熱流密度對(duì)超聲波強(qiáng)化傳熱效果有很大影響，不同熱流密度下強(qiáng)化效果有明顯差距，聲場(chǎng)作用下納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨有效熱流密度的增大呈先增后降的趨勢(shì)。通過(guò)COMSOL軟件對(duì)通道內(nèi)汽液界面的聲場(chǎng)進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果表明超聲波在汽泡中的傳播較弱。對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米制冷劑，進(jìn)出口超聲作用下超聲強(qiáng)化因子最大為1.46。該研究結(jié)果可為通過(guò)施加超聲波提高微細(xì)通道換熱性能提供新思路。

超聲波；流動(dòng)沸騰；微細(xì)通道；納米粒子；傳熱

0 引 言

在農(nóng)業(yè)工程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械的散熱問(wèn)題近年來(lái)被廣泛關(guān)注。微細(xì)通道具有尺寸小和換熱效率高等特點(diǎn)，故而在太陽(yáng)能電池的散熱、農(nóng)產(chǎn)品的干燥系統(tǒng)、LED光源系統(tǒng)的冷卻等方面有著重要的前景[1-3]。Bogojevic等[4]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了細(xì)通道和常規(guī)通道中的汽泡生長(zhǎng)情況，發(fā)現(xiàn)細(xì)通道內(nèi)和常規(guī)通道內(nèi)的汽泡生長(zhǎng)率不同，由于細(xì)通道的約束作用導(dǎo)致細(xì)通道內(nèi)的汽泡具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。超聲波強(qiáng)化傳熱作為一種有源強(qiáng)化方法早在20世紀(jì)60年代就受到學(xué)者的關(guān)注。Fand等[5]發(fā)現(xiàn)超聲波能夠強(qiáng)化自然對(duì)流傳熱。Bulliard-Sauret等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了2 MHz超聲波對(duì)強(qiáng)制對(duì)流傳熱的影響，并推導(dǎo)出超聲波功率與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系式。在超聲波功率為110 W、加熱功率為450 W的工況下，傳熱系數(shù)相對(duì)于無(wú)超聲工況下提高25%～90%。超聲聲流作用極大地改變了工質(zhì)流動(dòng)方向和湍流特性，由于聲流效應(yīng)增強(qiáng)了流體的湍流，而流體的湍流增強(qiáng)會(huì)使得傳熱傳質(zhì)增強(qiáng)。Legay等[7]設(shè)計(jì)了一種利用超聲波強(qiáng)化換熱的管式換熱器，分為外管和內(nèi)管，熱流體和冷流體分別在內(nèi)管和外管中流動(dòng)。超聲波的聲流作用使得換熱管內(nèi)管邊界上的流體產(chǎn)生擾動(dòng)，內(nèi)管周?chē)牧鲃?dòng)區(qū)域熱阻在冷熱管發(fā)生熱交換時(shí)有所減小，從而傳熱系數(shù)有所增大。Liu等[8]認(rèn)為在局部核態(tài)沸騰條件下，超聲聲流不僅可以增強(qiáng)流體的擾流作用，而且可以增強(qiáng)汽泡成核，提高汽泡產(chǎn)生的速率。由此可見(jiàn)，超聲聲流在核態(tài)沸騰段通過(guò)對(duì)汽泡產(chǎn)生作用力，從而影響汽泡的產(chǎn)生與脫離，起到了強(qiáng)化沸騰傳熱的效果。納米流體強(qiáng)化傳熱技術(shù)的提出要比超聲波強(qiáng)化技術(shù)晚了近20年，因而一經(jīng)提出就受到大量關(guān)注。Saeed等[9]選取Al2O3-H2O納米流體在細(xì)通道中進(jìn)行流動(dòng)傳熱試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單相對(duì)流傳熱時(shí)納米流體的傳熱系數(shù)相對(duì)于純水有明顯的提高。當(dāng)細(xì)通道直徑分別為1.5、1和0.5 mm時(shí)，納米流體強(qiáng)化傳熱分別提高24.9%、27.6%和31.1%。Ho等[10]在1 mm×1.5 mm的矩形細(xì)通道中進(jìn)行流動(dòng)沸騰試驗(yàn)，Al2O3-H2O納米流體的濃度在0.5%～10%之間，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米流體濃度超過(guò)6%以后，納米流體的濃度對(duì)強(qiáng)化傳熱的效果開(kāi)始減弱，試驗(yàn)過(guò)程中納米流體傳熱系數(shù)最大提高72%。還有部分研究者研究了超聲波納米流體復(fù)合強(qiáng)化傳熱[11-12]。

綜上分析，目前超聲波強(qiáng)化傳熱的研究多在大空間傳熱，在微細(xì)通道內(nèi)沸騰傳熱的研究較少，在微細(xì)尺寸通道條件下面臨超聲波裝置引入的問(wèn)題。超聲波對(duì)汽泡的產(chǎn)生和脫離均有較大的影響，但已有的研究只是針對(duì)超聲強(qiáng)化單相對(duì)流傳熱，因此研究超聲波作用下微細(xì)通道內(nèi)的飽和流動(dòng)沸騰很有必要。本文設(shè)計(jì)了一種可以放置超聲波換能器的微細(xì)通道試驗(yàn)段，采用“兩步法”配置TiO2-R141b納米制冷劑，并加入Span80作為表面活性劑增加納米制冷劑穩(wěn)定性，研究超聲波對(duì)納米制冷劑在微細(xì)通道內(nèi)強(qiáng)化傳熱特性，分析強(qiáng)化傳熱機(jī)理。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

微細(xì)通道散熱技術(shù)可以很好地改善農(nóng)業(yè)機(jī)械的散熱問(wèn)題，而通過(guò)施加超聲場(chǎng)可以強(qiáng)化微細(xì)通道的傳熱效率，本文設(shè)計(jì)可置入超聲波換能器的試驗(yàn)段，探究超聲場(chǎng)強(qiáng)化微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑流動(dòng)沸騰傳熱。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1a所示，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括注液與循環(huán)模塊、工質(zhì)加熱與冷卻模塊、試驗(yàn)段模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。工質(zhì)制冷劑由注液裝置注入，經(jīng)磁力泵流入管路循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)預(yù)熱水箱的預(yù)熱，由純液相流入試驗(yàn)段，經(jīng)過(guò)受熱，以汽液兩相流從試驗(yàn)段出口流出。經(jīng)過(guò)冷卻水箱冷凝后流回儲(chǔ)液罐，完成整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)。

本次試驗(yàn)使用的試驗(yàn)段經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)從而滿足超聲波微細(xì)通道流動(dòng)沸騰傳熱試驗(yàn)要求。試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖1b所示，從上到下依次為鋁制蓋板、墊圈、可視化玻璃、微細(xì)通道熱沉、換能器組件、基座等。在基座上設(shè)有進(jìn)出口測(cè)溫孔，以及側(cè)壁的4對(duì)測(cè)溫孔，4對(duì)測(cè)溫孔與工質(zhì)入口的距離分別為84、128、172、216 mm，測(cè)溫采用WRNK-191K型熱電偶，用于測(cè)量壁面溫度沿流動(dòng)方向的分布情況，上下4對(duì)熱電偶結(jié)合，用于推算微細(xì)通道內(nèi)的有效熱流密度。換能器組件包括固定板和超聲波振子，超聲波換能器固定板安裝在進(jìn)出口的腔體中，固定板與振子的安裝可調(diào)為2個(gè)角度，分別為45°和70°，試驗(yàn)前經(jīng)測(cè)試，角度為70°時(shí)強(qiáng)化傳熱效果更好，故本試驗(yàn)把固定板與斜板的角度調(diào)為70°。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

本次試驗(yàn)中使用的微細(xì)通道熱沉總共由14條并行細(xì)通道組成，總長(zhǎng)度為220 mm，寬度為160 mm，便于超聲裝置引入以及試驗(yàn)所需參數(shù)的測(cè)量。圖1c為微細(xì)通道截面示意圖。

為研究超聲波對(duì)微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑流動(dòng)沸騰傳熱的影響，納米制冷劑不同壓力下飽和溫度不同，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力為152 kPa。為使微細(xì)通道內(nèi)飽和沸騰段以泡狀流為主，入口溫度統(tǒng)一設(shè)定為35 ℃。經(jīng)測(cè)試選擇適宜的試驗(yàn)條件，在質(zhì)量流率為121.1 kg/(m2·s)，超聲功率為50 W，頻率為23 kHz工況下，在微細(xì)通道中進(jìn)行流動(dòng)沸騰試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 納米制冷劑配制

本試驗(yàn)納米制冷劑的配制選用R141b純制冷劑和TiO2納米顆粒，其中納米顆粒的粒徑大小為25 nm，純度為99.8%，性質(zhì)穩(wěn)定。為制備出性能良好穩(wěn)定的納米制冷劑，本試驗(yàn)采用兩步法[13]。

由于本次試驗(yàn)選用TiO2納米顆粒，文獻(xiàn)[14-15]證實(shí)了Span80作為T(mén)iO2納米顆粒的表面活性劑具有較好的分散效果，因此選擇Span80作為分散劑。本課題組對(duì)微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑的流動(dòng)沸騰進(jìn)行了大量研究[16-18]，當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%時(shí)，對(duì)強(qiáng)化傳熱的效果不明顯，而當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高時(shí)，顆粒容易在壁面上沉積。在本試驗(yàn)中也對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.3%的試驗(yàn)工況進(jìn)行了探索，如質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%、0.4%等，強(qiáng)化傳熱效果都比0.3%的差。因此，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%和0.3%的納米制冷劑，添加的表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%。納米流體的制備過(guò)程如下：1）用量筒量取滿足系統(tǒng)運(yùn)行所需要的R141b的量，分別計(jì)算3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體所需的納米顆粒質(zhì)量并倒入盛有R141b的容器中。2）計(jì)算所需表面活性劑Span80的質(zhì)量并用天平稱取倒入容器中。3）密封容器并進(jìn)行搖晃，得到初步的TiO2/Span80/R141b混合溶液，再將容器放置在超聲波振蕩儀中，經(jīng)過(guò)超聲波振蕩60 min，得到不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的均勻穩(wěn)定的納米制冷劑。

1.2.2 熱損失預(yù)試驗(yàn)

試驗(yàn)段除可視化窗口以外均包裹上保溫棉以減少熱損失，但是仍有部分熱量以自然對(duì)流等方式散失。,本文采用單相熱平衡試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行熱損失的計(jì)算[19-20]：通過(guò)調(diào)節(jié)主回路控制閥的開(kāi)度控制進(jìn)入系統(tǒng)的流量大小，調(diào)節(jié)變壓器從而改變輸出功率，通過(guò)可視化窗口確保工質(zhì)在流出試驗(yàn)段時(shí)仍為全液相。在系統(tǒng)達(dá)到平衡后采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算試驗(yàn)段的熱損失

式中為熱損失率；為質(zhì)量流率，kg/s；為加熱板的功率，kW；f表示工質(zhì)吸收的熱量，kW；p,l表示操作壓力下工質(zhì)定壓比熱容，kJ/(kg·K)；in表示入口工質(zhì)的溫度，℃；out表示出口工質(zhì)的溫度，℃；為熱流密度，kW/m3；為加熱板的面積，m2。

單相熱平衡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同熱流密度下熱損失率的范圍在0.08～0.27之間。當(dāng)熱流密度增大時(shí)，工質(zhì)的傳熱效率會(huì)隨著熱流密度的增加而升高，熱損失率減小，超過(guò)了一定的熱流密度4.8 kW/m2時(shí)，熱損失率在平均值0.18附近波動(dòng)，試驗(yàn)工況下絕大部分熱流密度超過(guò)了此值，故本文的流動(dòng)沸騰過(guò)程中熱損失率取0.18。有眾多學(xué)者[21-22]采用此方法評(píng)估系統(tǒng)的熱損失率，被證實(shí)是可靠的。

1.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1）有效熱流密度

本試驗(yàn)采用加熱板加熱，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算有效熱流密度需要將試驗(yàn)段的熱損失考慮進(jìn)來(lái)，有效熱流密度為

式中eff為有效熱流密度，kW/m2。

2）質(zhì)量流率

試驗(yàn)中通過(guò)渦輪流量計(jì)測(cè)量流經(jīng)試驗(yàn)段的體積流量，經(jīng)流量積算儀讀出體積流量值，則質(zhì)量流量為

流經(jīng)單根通道的質(zhì)量流率

式中表示體積流量，L/h；為工質(zhì)的密度，kg/m3；表示單根通道的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；表示細(xì)通道數(shù)目；ch表示單個(gè)通道的寬度，m；ch表示單個(gè)通道的高度，m。

3）工質(zhì)溫度

由熱平衡推得通道過(guò)冷區(qū)的長(zhǎng)度sub[23]為

飽和沸騰段的長(zhǎng)度

為了不影響微細(xì)通道內(nèi)的結(jié)構(gòu)，工質(zhì)的溫度無(wú)法直接測(cè)量，故通過(guò)以下公式插值計(jì)算

式中sub表示過(guò)冷區(qū)域的長(zhǎng)度，m；sat表示系統(tǒng)壓力下工質(zhì)的飽和溫度，K；in表示試驗(yàn)段工質(zhì)入口溫度，K；表示通道的長(zhǎng)度，m；sat表示飽和沸騰區(qū)域的長(zhǎng)度，m；表示溫度測(cè)點(diǎn)與入口測(cè)溫孔的距離，m；t表示細(xì)通道熱沉的寬度，m。

4）傳熱系數(shù)

由于微細(xì)通道底面與基座底面加工精度較高，壁面溫度分布均勻，固忽略壁面沿流動(dòng)方向的熱傳遞，將模型簡(jiǎn)化為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。根據(jù)文獻(xiàn)[24]的計(jì)算方法，將微細(xì)通道簡(jiǎn)化為肋片模型，可以得到測(cè)溫點(diǎn)的局部傳熱系數(shù)

其中

式中h表示第對(duì)測(cè)點(diǎn)處的局部傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；w,n和f,n分別表示第對(duì)測(cè)點(diǎn)處通道底面和測(cè)點(diǎn)處溫度，K；表示肋片效率；表示肋片系數(shù)；表示上測(cè)溫點(diǎn)與通道底部的距離，m；w表示相鄰兩根細(xì)通道的間距，m。

5）超聲強(qiáng)化因子

為了直觀的體現(xiàn)出超聲波作用下對(duì)微細(xì)通道飽和沸騰區(qū)流動(dòng)沸騰傳熱的強(qiáng)化效果，引入超聲波強(qiáng)化因子（Ultrasound Enhancement Factor，UEF）

式中h和分別表示有無(wú)超聲波作用時(shí)的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

6）誤差分析

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)存在著儀器直接測(cè)量誤差，本次試驗(yàn)采用精度為0.5%的渦輪流量計(jì)，精度為0.2%的MIK-ST500溫度變送器和WRNK-191熱電偶，精度為0.5%的HC-HVG4壓力傳感器。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中存在著傳遞誤差，計(jì)算誤差可以根據(jù)誤差傳遞原理[25]得到，從而計(jì)算得到相對(duì)不確定度。

本文主要物理量的相對(duì)不確定度如表1所示。

表1 主要物理量的誤差

1.2.4數(shù)值模型

為探究在本文試驗(yàn)工況下，聲場(chǎng)對(duì)微細(xì)通道的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，使用COMSOL軟件對(duì)微細(xì)通道內(nèi)汽液界面聲場(chǎng)的分布進(jìn)行模擬。假設(shè)汽泡脫離前為球形[26]，只考慮汽泡對(duì)聲壓分布的影響，不考慮汽泡受到的其他作用力。超聲波在通道內(nèi)沿流動(dòng)方向傳播，取一個(gè)含汽泡的截面作為計(jì)算模型，寬度為2 mm，長(zhǎng)度為6 mm。通道出入口設(shè)置一定壓力數(shù)值[27]，網(wǎng)格劃分采用COMSOL自帶的物理場(chǎng)控制網(wǎng)格并極細(xì)化處理，計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 微細(xì)通道內(nèi)汽液界面模型與網(wǎng)格劃分

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 有無(wú)超聲作用下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體傳熱

納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)強(qiáng)化傳熱有著重要的影響，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體有著不同的傳熱效果[28]。試驗(yàn)配制了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.2%和0.3%的3種TiO2/R141b納米流體，對(duì)比有無(wú)超聲波作用下3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體與純制冷劑R141b的飽和沸騰傳熱特性。

如圖3所示，無(wú)超聲作用時(shí)3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體平均飽和沸騰傳熱系數(shù)相對(duì)于R141b都有很大的提升，納米流體平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨有效熱流密度（10.8～22.7 kW/m2）的增大而提高。隨著有效熱流密度的增大，汽泡的生成、成長(zhǎng)、合并和破裂，會(huì)引起汽泡周?chē)募{米流體擾動(dòng)，進(jìn)而加劇納米顆粒之間，納米顆粒與壁面之間相互作用及碰撞，進(jìn)而強(qiáng)化傳熱[29]。有效熱流密度在15.2 kW/m2以內(nèi)時(shí)，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米流體強(qiáng)化效果優(yōu)于其他2種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體。在有效熱流密度為10.83 kW/m2時(shí)，3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體相對(duì)于純制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數(shù)分別提高28.9%、33.3%和32.1%。當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在小于0.2%時(shí)，若增加工質(zhì)中納米顆粒TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠提高微細(xì)通道壁面的表面能和流體工質(zhì)導(dǎo)熱率，傳熱壁面熱阻增加不明顯，其作用主要體現(xiàn)在強(qiáng)化傳熱上；而當(dāng)納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%后，進(jìn)一步提高納米顆粒的濃度，TiO2納米顆粒在微細(xì)通道壁面的沉積會(huì)使微細(xì)通道傳熱壁面的熱阻增大，從而造成傳熱效率的降低。這意味著流體工質(zhì)中納米顆粒在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，也會(huì)增大了傳熱壁面的熱阻，納米流體強(qiáng)化傳熱存在最優(yōu)濃度[30]。有效熱流密度大于19.8 kW/m2后，3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體平均飽和沸騰傳熱系數(shù)較為接近。進(jìn)口施加超聲波作用后，如圖3所示，3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體相對(duì)于無(wú)超聲作用下R141b平均飽和沸騰傳熱系數(shù)分別最大提高了45.0%、63.1%和48.6%。進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波作用下，3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體相對(duì)于無(wú)超聲作用下R141b平均飽和沸騰傳熱系數(shù)分別最大提高了85.7%、89.9%和81.1%，超聲波的強(qiáng)化傳熱效果顯著。由圖3b，3c可見(jiàn)，施加超聲波后仍然是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的納米制冷劑有較好的傳熱效果。

以納米制冷劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%為例，討論不同超聲波作用方式下平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨有效熱流密度的變化。在有效熱流密度小于15.2 kW/m2之前，有超聲波作用下的納米制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨著有效熱流密度的增大而緩慢上升，之后開(kāi)始下降。有效熱流密度為12.24 kW/m2時(shí)，施加進(jìn)口超聲波相對(duì)于無(wú)超聲時(shí)平均飽和沸騰傳熱系數(shù)提高了17.8%，進(jìn)口和出口同時(shí)超聲波作用下對(duì)傳熱系數(shù)的提高愈加明顯，平均飽和沸騰傳熱系數(shù)提高了41.1%。當(dāng)有效熱流密度為15.219.8 kW/m2時(shí)，超聲波作用下的納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨著有效熱流密度的提高而下降。有效熱流密度為16.8 kW/m2時(shí)，納米制冷劑在進(jìn)口超聲波作用下相比于無(wú)超聲波作用時(shí)平均飽和沸騰傳熱系數(shù)提高了14.5%，在進(jìn)出口同時(shí)作用超聲波下的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)只提高了27.6%。

在有效熱流密度提高到一定值之后（eff>19.8 kW/m2），納米制冷劑在超聲波作用下的傳熱系數(shù)與無(wú)超聲作用下的傳熱系數(shù)差別很小。在有效熱流密度為22.62 kW/m2時(shí)納米制冷劑在進(jìn)出口超聲波同時(shí)作用時(shí)的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)僅提升6.6%。此時(shí)超聲波起到的強(qiáng)化傳熱效果微弱。

2.2 微細(xì)通道內(nèi)汽液界面聲壓分布

由于超聲波在液體工質(zhì)和汽液兩相流工質(zhì)中傳播的差異很大，可以通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬通道壁面上產(chǎn)生汽泡后通道內(nèi)的聲壓分布情況，在通道內(nèi)對(duì)一個(gè)汽泡進(jìn)行分析。在汽泡體積較小尚未脫離前，聲壓的正負(fù)交替使得汽泡發(fā)生振蕩，在本試驗(yàn)中，汽泡受到的合力方向朝著主流區(qū)斜向上，汽泡與微細(xì)通道加熱面的接觸線的收縮會(huì)使汽泡更容易從壁面脫離。

圖3 有無(wú)超聲波作用下納米制冷劑與R141b平均飽和沸騰傳熱系數(shù)對(duì)比

如圖4所示，通道內(nèi)的聲壓分布在汽泡周?chē)l(fā)生了變化，在汽泡的兩側(cè)向中間聲壓逐漸衰減，且越靠近汽泡衰減越快，在汽泡內(nèi)衰減到最小值。

圖4 通道內(nèi)的聲壓云圖

由此可見(jiàn)超聲波在汽泡中的傳播較弱，當(dāng)通道內(nèi)存在汽泡時(shí)，汽泡會(huì)改變整個(gè)通道內(nèi)的聲壓分布情況。結(jié)合聲壓分布情況，可以對(duì)上節(jié)中不同熱流密度情況下超聲波的強(qiáng)化傳熱效果做出解釋，超聲波的強(qiáng)化作用主要來(lái)自聲壓對(duì)汽泡的作用以及超聲空化作用，聲壓作用可以加快汽泡的產(chǎn)生同時(shí)也加速汽泡的脫離。隨著聲壓的增大，溫度分布趨于均勻，這是由于聲流的產(chǎn)生使得流體的混合更加均勻[31]。流體混合得越均勻，傳熱效果越好。在有效熱流密度小于15.2 kW/m2之前，通道內(nèi)的汽相體積占比較小，超聲聲壓衰減較少，強(qiáng)化傳熱效果較好。在中等有效熱流密度下（eff>15.2 kW/m2），飽和沸騰段氣相體積分?jǐn)?shù)增大，超聲波在汽泡中的傳播較弱，強(qiáng)化傳熱效果減弱。在有效熱流密度提高到一定值之后（eff>19.8 kW/m2），汽泡數(shù)量過(guò)多合并形成拉長(zhǎng)狀的受限汽泡，此時(shí)超聲場(chǎng)的強(qiáng)化作用很弱，傳熱效果與無(wú)超聲情況接近。

2.3 超聲強(qiáng)化因子對(duì)比分析

根據(jù)式（10）得到試驗(yàn)中不同有效熱流密度下2種超聲波作用方式的UEF值，如圖5。從圖5中可以得出施加超聲場(chǎng)后的超聲強(qiáng)化因子均不小于1，只有進(jìn)口超聲作用下及進(jìn)出口同時(shí)超聲作用下的超聲強(qiáng)化因子最大分別為1.26和1.46，說(shuō)明聲場(chǎng)能夠強(qiáng)化微細(xì)通道內(nèi)納米流體TiO2/R141b的沸騰傳熱。

圖5 不同超聲作用方式下超聲強(qiáng)化因子比較

進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有效熱流密度較小時(shí)（eff<15.2 kW/m2），進(jìn)出口同時(shí)超聲波作用下的超聲強(qiáng)化因子相對(duì)于只在進(jìn)口作用超聲波有很大的提升，低熱流密度下，超聲波主要通過(guò)促進(jìn)汽泡的產(chǎn)生來(lái)強(qiáng)化傳熱。超聲波通過(guò)正負(fù)壓交替對(duì)汽泡產(chǎn)生作用力，汽泡生長(zhǎng)的同時(shí)受到振蕩作用，汽液界面的擾動(dòng)作用會(huì)增強(qiáng)，超聲波激活了較多的汽化核心[32]。納米顆粒本身具有強(qiáng)化傳熱的作用，但是易團(tuán)聚且容易沉積在通道表面。超聲波在含有納米顆粒的流體中作用會(huì)引起顆粒波動(dòng)，起到防止團(tuán)聚的作用[33]。只在進(jìn)口施加超聲波時(shí)，超聲波促進(jìn)汽泡的脫離，使汽泡的脫離直徑減小。而進(jìn)出口同時(shí)作用時(shí)，聲波發(fā)生了疊加，使得聲壓幅值增大，超聲效應(yīng)越明顯，對(duì)通道內(nèi)汽泡產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)效果，對(duì)微細(xì)通道內(nèi)沸騰傳熱產(chǎn)生的影響越大，所以進(jìn)出口同時(shí)施加超聲波的強(qiáng)化作用明顯高于只在入口施加超聲波。當(dāng)熱流密度較大時(shí)（eff>20.99 kW/m2），2種超聲波作用方式下的強(qiáng)化傳熱因子較為接近，且都接近于1。這是因?yàn)樵诟邿崃髅芏认嘛柡头序v段內(nèi)主要為拉長(zhǎng)汽泡流，此時(shí)大汽泡的當(dāng)量直徑大于通道的寬度尺寸，大汽泡會(huì)明顯弱化超聲的傳播。由聲壓云圖（圖4）可以看出，聲壓在汽泡附近衰減嚴(yán)重，而熱流密度較大時(shí)，此時(shí)飽和沸騰段氣相體積分?jǐn)?shù)很大，微細(xì)通道內(nèi)的流型主要為拉長(zhǎng)汽泡流，流型變化導(dǎo)致傳熱一致。通過(guò)對(duì)超聲波作用下微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑的流動(dòng)沸騰傳熱特性的研究，可以通過(guò)施加超聲場(chǎng)提高微細(xì)通道換熱器的性能，為解決農(nóng)業(yè)機(jī)械散熱問(wèn)題提供新思路。

3 結(jié) 論

本文制備了3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體，探究了超聲波和TiO2/R141b納米制冷劑協(xié)同作用下的流動(dòng)沸騰傳熱特性，對(duì)比了有無(wú)超聲波作用下納米流體的傳熱系數(shù)，得出以下結(jié)論：

1）超聲波能夠強(qiáng)化微細(xì)通道流動(dòng)沸騰傳熱，進(jìn)出口同時(shí)超聲波作用下0.1%、0.2%和0.3%3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體相對(duì)于無(wú)超聲作用下純制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數(shù)分別最大提高了85.7%、89.9%和81.1%。有無(wú)超聲波作用下均是納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，強(qiáng)化傳熱效果最好。

2）不同熱流密度下超聲波對(duì)納米制冷劑的強(qiáng)化傳熱效果有差異：在有效熱流密度小于15.2 kW/m2時(shí)，進(jìn)出口超聲波同時(shí)作用下納米制冷劑的平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨熱流密度增大而增大，與無(wú)超聲相同工況相比最大提高了41.1%；當(dāng)有效熱流密度在15.2～19.8 kW/m2時(shí)，超聲波作用下的納米制冷劑平均飽和沸騰傳熱系數(shù)隨著有效熱流密度的增大而減小，超聲波的強(qiáng)化傳熱效果開(kāi)始減弱；在有效熱流密度大于19.8 kW/m2后，有無(wú)超聲波作用下的傳熱系數(shù)接近，超聲波起到的強(qiáng)化作用微弱。

3）只有進(jìn)口超聲作用下的超聲強(qiáng)化因子最大為1.26，進(jìn)出口同時(shí)超聲作用下的超聲強(qiáng)化因子最大為1.46。進(jìn)出口同時(shí)超聲波作用下的強(qiáng)化傳熱效果比只有進(jìn)口超聲波作用好。

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Effects of ultrasonic wave on flow and boiling heat transfer of nano-refrigerant in microchannels

Luo Xiaoping, Yu Jia, Wang Wen

(,,510640,)

An ultrasonic vibration field can be used to enhance the heat transfer efficiency in microchannels. This study aims to investigate the flow-boiling heat transfer characteristics of nanofluids in the microchannels with or without ultrasonic wave. A microchannel test was designed for the section that can be placed in an ultrasonic transducer. An ultrasonic vibration method was selected to prepare the uniform and stable TiO2/R141b nano-refrigerant with the mass fraction of 0.1%, 0.2% and 0.3%. The flow-boiling parameters of nanofluid were measured in the microchannels under ultrasonic wave. A flow boiling experiment was performed on a rectangular microchannel with a cross-sectional width of 2 mm, where the design system pressure of 152 kPa, the effective heat flux density ranged from 10.8 to 22.7 kW/m2, the ultrasonic power of 50 W, ultrasonic frequency of 23 kHz, mass flow rate of 121.1 kg/(m2·s), and inlet temperature of 35 ℃.Different enhancement effects of heat transfer can be achieved under the nanofluids with different mass fractions. The reason is that the nanoparticles can be used to enhance heat transfer, while increase the thermal resistance avoided by heat transfer, and thereby the increase of thermal resistance can reduce the heat transfer efficiency. The results show that the heat transfer coefficient reached the highest, when the mass fraction of nanoparticles was 0.2%, where the heat transfer enhancement effect can be the best. The nanofluid with a mass fraction of 0.2% under the action of ultrasound indicated the optimal enhancement effect of heat transfer, compared with the case of no ultrasound, where the average saturation boiling heat transfer coefficient of R141b increased by 89.9%. The heat flux posed a great influence on the enhanced heat transfer effect of ultrasonic. There was a significant difference in the enhancement effect under different heat fluxes. The average saturated boiling heat transfer coefficient of nano-refrigerant under the action of sound field increased first and then decreased, with the increase of effective heat flux density. The sound field of vapor-liquid interface in the microchannel was also simulated by COMSOL software. The simulation results show that the propagation of ultrasonic waves in the bubble was weak. When the effective heat flux density below 15.2 kW/m2, the ultrasonic wave can enhance the heat transfer via the increase in the breakaway frequency of the bubble, whereas, the average saturated boiling heat transfer coefficient increased, as the effective heat flux density increased. After the effective heat flux density was 15.2 kW/m2, the strengthening effect of ultrasound began to weaken, due to the increase of bubbles in the microchannel. When the effective heat flow density reached 19.8 kW/m2, the change of flow pattern can lead to an uniform heat transfer, due mainly to the elongation of bubble flow in the microchannel. In the nano-refrigerant with a mass fraction of 0.2%, the enhanced heat transfer effect increased successively for the imported ultrasonic wave, and the ultrasonic wave of the inlet and outlet. When the ultrasonic wave was applied to the inlet, the average saturated boiling heat transfer coefficient increased by 26%, whereas, increased by 46% under the action of ultrasonic import and export. The findings can provide new ideas to improve the heat transfer performance of microchannels when applying ultrasonic waves.

ultrasonic; flow boiling;microchannels; nanoparticles; heat transfer

羅小平，喻葭，王文. 超聲波對(duì)微細(xì)通道內(nèi)納米制冷劑流動(dòng)沸騰傳熱影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(19)：50-57.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006 http://www.tcsae.org

Luo Xiaoping, Yu Jia, Wang Wen. Effects of ultrasonic wave on flow and boiling heat transfer of nano-refrigerant in microchannels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 50-57. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006 http://www.tcsae.org

2020-05-23

2020-09-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（21776096）；廣東省自然科學(xué)基金（2019A1515011053）

羅小平，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⑼ǖ老嘧儌鳠?。Email：mmxpluo@scut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.006

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1002-6819(2020)-19-0050-08