噴霧冷卻沸騰傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)

張 偉, 張亞東, 楊 韜, 楊 勇

(1.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院,山東青島 266580;2.中國石化勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心，山東東營 257000)

在冶金工業(yè)、機(jī)械加工、石油化工等領(lǐng)域,移除廢熱是非常重要的工藝環(huán)節(jié)[1-2]。噴霧冷卻技術(shù)因其良好的傳熱性能,更高的冷卻介質(zhì)利用率等優(yōu)點(diǎn),在這些領(lǐng)域中有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。相較于無沸騰傳熱,噴霧冷卻沸騰傳熱有更高的傳熱能力,一直以來都是研究的關(guān)注點(diǎn),已經(jīng)開展了工質(zhì)流量、霧化壓力、液滴速度、強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)等方面的研究[7-10]。Cebo rudnicka等[7]研究了熱表面材料對噴霧冷卻臨界熱流密度的影響,結(jié)果表明導(dǎo)熱系數(shù)較高的黃銅具有較高的熱流密度。Wang等[8]研究得出沸騰傳熱過程中,傳熱系數(shù)隨加熱功率先增大后減小。當(dāng)達(dá)到臨界熱流密度時,傳熱系數(shù)迅速下降,如果加熱功率減小,傳熱特性恢復(fù),說明在達(dá)到臨界熱流密度后,傳熱被惡化。楊強(qiáng)等[9]研究發(fā)現(xiàn),多孔結(jié)構(gòu)表面為傳熱過程提供了潛在的有效汽化核心,相同工況下,多孔表面的換熱性能遠(yuǎn)高于光滑表面。Zhang等[10]在不同微結(jié)構(gòu)表面噴霧冷卻試驗(yàn)表明,有強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的表面無沸騰區(qū)和沸騰區(qū)傳熱均比光滑表面強(qiáng),且特征尺寸越小的強(qiáng)化表面?zhèn)鳠崴俾试礁摺婌F冷卻沸騰傳熱機(jī)制包括熱表面與薄液膜間對流換熱、氣液相界面蒸發(fā)換熱、沸騰傳熱等[11-15]。Bostanci等[12]認(rèn)為微結(jié)構(gòu)表面使沸騰換熱增強(qiáng),主要是因?yàn)楸砻娣e增加和微結(jié)構(gòu)表面提供了更多的成核位置。張偉等[13]認(rèn)為當(dāng)噴霧流量較小時,熱表面有較多汽泡聚集,不利于液膜與熱表面的換熱;隨著流量的增大,噴霧液滴的沖擊增強(qiáng),能夠加強(qiáng)換熱。Selvam等[14]認(rèn)為液滴刺穿氣泡潤濕待冷卻表面后,會出現(xiàn)瞬態(tài)傳熱與液膜重生成是傳熱性能提升的關(guān)鍵。Rini等[15]則認(rèn)為液滴的沖擊加劇了汽泡的脫離,從而使汽泡數(shù)目大大增加,促進(jìn)了液膜的沸騰傳熱。綜上所述,對于強(qiáng)化噴霧冷卻沸騰傳熱試驗(yàn),目前更多的焦點(diǎn)匯聚到了表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面[3-9],由于改變表面的微結(jié)構(gòu)成本較高,且越精細(xì)的微結(jié)構(gòu)表面越容易出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞等情況,這對于實(shí)際應(yīng)用是極為不利的。另外,有關(guān)噴霧冷卻傳熱機(jī)制的文獻(xiàn),幾乎沒有學(xué)者直接從機(jī)制的分析角度提出每個傳熱區(qū)的強(qiáng)化措施[16]。基于此,筆者對光滑表面噴霧冷卻沸騰傳熱進(jìn)行試驗(yàn),得出影響沸騰傳熱的關(guān)鍵因素,并設(shè)計制作一種新型噴嘴,對噴霧冷卻沸騰傳熱的進(jìn)一步強(qiáng)化進(jìn)行探究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

噴霧冷卻試驗(yàn)裝置如圖1所示。整個試驗(yàn)系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)、模擬熱源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。噴霧系統(tǒng):冷水箱中的工質(zhì)被泵送至流量計,經(jīng)壓力傳感器后,由噴嘴霧化,噴灑在熱表面上,完成傳熱后匯入下方的集水槽流入廢水箱;流量可通過調(diào)節(jié)水泵功率來控制;所用的噴嘴型號為FN4.0-416,此噴嘴的優(yōu)點(diǎn)是較小的霧化壓力就能達(dá)到較大的噴霧流量,且霧化效果良好。模擬熱源:導(dǎo)熱性能良好的紫銅塊(導(dǎo)熱系數(shù)為389 W/(m·K))模擬發(fā)熱元件,與工質(zhì)傳熱的是銅塊上表面,銅塊與不銹鋼外殼間的縫隙填充玻璃棉(導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K))保溫材料,以保證傳熱過程的一維性;銅塊的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示(單位:mm),其中ti指不同的測溫點(diǎn),每層4個測溫點(diǎn)的位置從圓心向外逐漸改變(測溫點(diǎn)位置處半徑分別為0、2、4和6 mm),可用來測量銅塊徑向溫度分布;銅塊的內(nèi)部布置9根電加熱棒,變壓器調(diào)節(jié)電壓改變加熱棒功率,從而調(diào)節(jié)熱表面溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):采用安捷倫34972A型數(shù)據(jù)采集器,通過LAN端口連接至PC機(jī)實(shí)時記錄數(shù)據(jù)并保存,負(fù)責(zé)采集12組K型熱電偶的測溫數(shù)據(jù)和1組測壓數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)與銅塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system and copper block

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

表征噴霧冷卻傳熱強(qiáng)弱的主要參數(shù)是熱流密度qw,在理想隔熱狀態(tài)下,發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量(按熱流密度q計量)與噴霧冷卻帶走的熱量(按熱流密度qw計量)相等。試驗(yàn)中通過測得熱表面下不同位置處溫度,計算出熱流密度qw,并可由熱流密度反推出熱表面溫度tw。

由傅里葉導(dǎo)熱定律可知,熱流密度可由任意兩層測點(diǎn)測得的溫度計算得出,計算公式為

(1)

通過上、中、下三層測溫數(shù)據(jù),分別計算出相鄰兩層的熱流密度,整體熱流密度取平均值。確定加熱銅塊內(nèi)的熱流密度后,由傅里葉定律可進(jìn)一步反推得到熱表面的平均溫度,由于最上層測溫點(diǎn)距離熱表面最近,計算熱表面溫度時,取最上層測溫點(diǎn)的平均溫度為基準(zhǔn)溫度,計算公式為

(2)

式中,tw為熱表面溫度,℃;t*為計算熱表面溫度所選定的基準(zhǔn)層平均溫度,℃;δ*為溫度基準(zhǔn)層與熱表面間的垂直距離,m。

1.3 誤差分析

每個溫度測點(diǎn)的偏差為±0.2 ℃,結(jié)合式(1)、(2)以及誤差傳遞計算公式,可得熱表面熱流密度與表面溫度的誤差計算公式:

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σti和σtj分別為編號i、j的熱電偶測溫偏差，℃;σq上和σq下分別為上兩層和下兩層溫度計算的熱流密度偏差，W/cm2;σqw為平均熱流密度偏差,W/cm2;σtw為表面溫度偏差,℃。

代入試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,計算得出熱流密度與表面溫度的偏差分別為±1.29%與±0.31%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與傳熱機(jī)制分析

2.1 單噴嘴噴霧冷卻試驗(yàn)結(jié)果

在光滑表面上,保持單噴嘴高度6 mm不變(此時噴霧底圓較好地覆蓋熱表面),研究噴霧流量與噴霧冷卻熱流密度之間的關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知,噴霧流量對噴霧冷卻沸騰傳熱影響較大,在平均過熱度5～20 K間(簡稱過熱度),流量70 mL/min的熱流密度比50 mL/min的提升了16%～30%,并且低過熱度的強(qiáng)化更明顯。為使分析直觀方便,結(jié)合試驗(yàn)圖片及MATLAB灰度云圖(圖3),討論噴霧流量、過熱度對傳熱的影響規(guī)律。

圖2 不同流量熱流密度曲線Fig.2 Heat flux curve at different flow rates

圖3 相同過熱度(20 K)不同流量試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.3 Test pictures of same superheat (20 K) at different flow rates

從圖3中可以看出,在噴霧冷卻沸騰傳熱過程中,熱表面上的液膜分布極不均勻,中心區(qū)域液體很少,甚至呈干涸現(xiàn)象,稱為干涸區(qū);由中心干涸區(qū)域向外,液體略微增多,液膜相對較薄,有蒸汽流產(chǎn)生,為薄液膜蒸發(fā)區(qū);熱表面邊緣處液體最多,液膜相比內(nèi)部略厚,有大量汽泡產(chǎn)生,呈現(xiàn)劇烈的沸騰狀態(tài),為核態(tài)沸騰區(qū)。3個區(qū)域傳熱中核態(tài)沸騰是最強(qiáng)的傳熱方式,所以熱表面上液膜的分布不均狀況對傳熱是不利的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是試驗(yàn)中使用的壓力旋流噴嘴霧化液滴分布不均勻[17],中心區(qū)液滴數(shù)通量小,剛打到熱表面就被蒸發(fā),甚至在空中就已經(jīng)被汽化;邊緣液滴數(shù)通量大,噴霧量大于汽化量,形成液膜。隨著流量增大,霧化錐角亦隨之增大,更多的液滴直接灑向熱表面的邊緣,中心干涸區(qū)逐漸增大,邊緣核態(tài)沸騰區(qū)略微減小;同時,增大流量,噴霧工質(zhì)對熱表面的沖刷變強(qiáng)。在低過熱度時,熱表面還只能產(chǎn)生少量汽泡,核態(tài)沸騰弱、干涸區(qū)小,強(qiáng)制對流傳熱占較大比重[18],大流量強(qiáng)沖刷強(qiáng)化傳熱明顯,所以過熱度為5 K時,流量由50 mL/min增至70 mL/min,熱流密度提升了30%。在高過熱度時隨著流量增大,削弱傳熱的干涸區(qū)隨之變大;但大流量強(qiáng)沖擊作用使得核態(tài)沸騰區(qū)產(chǎn)生的汽泡更容易被擊破,加快了下一個汽泡的產(chǎn)生,相當(dāng)于增加了汽泡數(shù)目,所以過熱度為20 K時,增大流量仍然使傳熱提升了16%。

單噴嘴噴霧冷卻試驗(yàn)表明,噴霧冷卻沸騰傳熱過程中,表面中心干涸區(qū)域?qū)鳠岵焕?另外,噴霧液滴的強(qiáng)烈沖擊加劇了熱表面汽泡的脫離和破裂,能強(qiáng)化噴霧沸騰傳熱。

2.2 噴霧冷卻傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)及機(jī)制

2.2.1 單噴嘴

“那一年，我才三歲時，聽得說來了一個癩頭和尚，說要化我去出家，我父固是不從。他又說：“既舍不得他，只怕他的病一生也不能好的。若要好時，除非從此以后，總不許見哭聲，除父母之外，凡有外姓親友之人，一概不見，方可平安了此一世”。

噴霧冷卻過程大致可分為3個區(qū)域(圖4),即噴霧射流區(qū)(Ⅰ)、沖擊液膜流動區(qū)(Ⅱ)和自由液膜流動區(qū)(Ⅲ)[19]。噴霧射流區(qū)是噴嘴產(chǎn)生霧滴,在空氣中到達(dá)熱表面區(qū)域,該區(qū)域幾乎不參與傳熱;沖擊液膜流動區(qū)和自由液膜流動區(qū)是主要的傳熱區(qū)域。降低噴嘴高度會使噴霧射流區(qū)整體下移,也就可以改變熱表面的液膜分布特性。

圖4 噴霧冷卻區(qū)域劃分Fig.4 Spray cooling area division

為了研究液膜分布對噴霧冷卻沸騰傳熱影響規(guī)律,保持流量50 mL/min不變,變化4組單噴嘴高度,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。噴嘴高度對噴霧冷卻沸騰傳熱性能有較大影響,噴嘴高度由8 mm降低至6 mm,熱流密度提高了4%～11%,由6 mm降低至4 mm,熱流密度提高了4%～13%,并且過熱度越高效果越明顯。

結(jié)合試驗(yàn)圖片(圖6),討論噴嘴高度對傳熱的影響規(guī)律。從圖6可以看出,噴嘴高度為4 mm時,熱表面中心無干涸區(qū),液膜核態(tài)沸騰的區(qū)域最大,因此其熱流密度最大;高度為6 mm時,熱表面邊緣液膜較厚,呈核態(tài)沸騰狀態(tài),而中心出現(xiàn)了干涸區(qū),傳熱性能有所減弱;高度為8 mm時,熱表面干涸區(qū)面積最大,幾乎看不到核態(tài)沸騰,因此其傳熱性能最差。雖然降低單噴嘴高度可以顯著增加核態(tài)沸騰區(qū)的面積從而強(qiáng)化傳熱,但高度并非越低越好。當(dāng)單噴嘴高度降低至2 mm時,熱表面的邊緣無液滴沖擊,汽泡不能及時破裂排出,在較高過熱度時,有些汽泡合并成汽膜,把液膜頂起較高高度直接接觸到噴嘴,試驗(yàn)無法進(jìn)行下去,熱流密度是4個高度中最小的。

圖5 不同高度熱流密度曲線Fig.5 Heat flux curve at different heights

圖6 相同過熱度(20 K)不同噴嘴高度試驗(yàn)Fig.6 Test pictures of the same superheat (20 K) at different nozzle heights

圖5曲線還表明,過熱度不同時,噴嘴高度對傳熱的影響也是不一樣的,過熱度越高,噴嘴高度影響傳熱越顯著。這是因?yàn)?當(dāng)過熱度高時,表面汽泡數(shù)量隨之大幅增加[20],噴霧冷卻以沸騰傳熱為主,在噴嘴高度較低時,熱表面無干涸區(qū)、更多的液體參與核態(tài)沸騰,所以傳熱性能較強(qiáng);當(dāng)過熱度較低時,強(qiáng)制對流傳熱占比大,沸騰傳熱占比小,噴霧沖擊隨噴嘴高度近似同比變化,所以對應(yīng)的熱流密度提升效果接近。

變噴嘴高度試驗(yàn)顯示,調(diào)整合適的噴嘴高度、通過消除熱表面中心干涸區(qū),能使更多的液體參與沸騰傳熱,可強(qiáng)化噴霧冷卻沸騰傳熱。但單噴嘴噴霧無法實(shí)現(xiàn)熱表面上的液膜均勻分布,不能促發(fā)熱表面全面的核態(tài)沸騰,這方面將是噴霧冷卻沸騰傳熱繼續(xù)強(qiáng)化的方向。

2.2.2 微孔陣列噴嘴

若噴嘴噴出的液滴在熱表面上能形成極強(qiáng)沖擊、非常均勻的理想薄液膜,傳熱性能應(yīng)該可以得到進(jìn)一步提高。Sadafi等[21-23]試圖通過多噴嘴陣列噴霧的型式改善熱表面液膜的均勻性,但由于單個商用噴嘴太大,無法在較小的發(fā)熱面上實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想,也就難以改善小加熱面上的噴霧均勻性。Chen等[24-25]采用壓電陶瓷驅(qū)動工質(zhì),經(jīng)微孔板(孔徑5～25 μm、孔數(shù)2 000)霧化,擊打在熱表面上,雖然增強(qiáng)了熱表面上的液膜均勻性,但其推薦的孔徑僅為9 μm,且微孔數(shù)量較多,易堵塞、成本高,不利于實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計制作了一種新型微孔陣列噴嘴(圖7),對噴霧冷卻沸騰傳熱的強(qiáng)化進(jìn)一步探究。

圖7 新型噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure drawing of new nozzle

本噴嘴由不銹鋼制作,考慮到單噴嘴噴霧過程中的熱表面上中心存在干涸區(qū),所以僅在噴霧端面上半徑4 mm的圓內(nèi)開有37個直徑為70 μm的小孔,按正六邊形均勻排布,每兩個小孔的間距為1 mm;噴嘴另一端通過內(nèi)螺紋連接過濾網(wǎng),防止工質(zhì)中可能含有的雜質(zhì)堵塞微孔。

圖8為新噴嘴噴霧冷卻沸騰傳熱景象(過熱度為20 K)。由圖8可知,所有噴霧流量下,即使過熱度較大時,熱表面也未有干涸現(xiàn)象發(fā)生。隨著噴霧流量增大,液滴沖擊增強(qiáng),熱表面的汽泡直徑減小、汽泡聚并減弱,汽泡的分布更加均勻而密集。因此,微孔陣列噴嘴改善了加熱面上液膜的分布特性,特別是大流量強(qiáng)沖擊情況下,表面液膜分布非常均勻。

圖9給出了噴嘴高度6 mm時,微孔陣列噴嘴與單噴嘴的噴霧冷卻傳熱性能對比。由圖9(a)可知,在過熱度較小時,噴霧流量對微孔陣列噴霧傳熱影響更大;當(dāng)過熱度為5 K時,70 mL/min對應(yīng)的熱流密度比50 mL/min的增長約40%;而過熱度較大時,各流量對應(yīng)的熱流密度較為接近,當(dāng)過熱度為20 K,熱流密度僅提升5%。對比兩類噴嘴3個流量的噴霧冷卻熱流密度曲線發(fā)現(xiàn),兩曲線均在過熱度約10 K時有一交點(diǎn),在交點(diǎn)左側(cè)(低過熱度),單噴嘴噴霧冷卻的熱流密度大于微孔陣列的;而在交點(diǎn)右側(cè)(高過熱度),微孔陣列噴霧的熱流密度則高于單噴嘴噴霧的,當(dāng)過熱度為20 K、流量為50 mL/min時,熱流密度提升了16%。

圖8 相同過熱度(20 K)新型噴嘴試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.8 Test diagram of new nozzle at the same superheat (20 K)

均勻液膜除了能增強(qiáng)傳熱性能外,還可以改善熱表面溫度分布的均勻性。圖10為噴霧流量為50 mL/min、過熱度為20 K時,兩類噴嘴熱表面溫度對比。由圖10可知,單噴嘴高度為6 mm時,熱表面半徑為0 mm處與半徑為6 mm處的溫度差約為4 K;微孔陣列噴霧下,熱表面溫度變化始終小于1 K,溫度均勻性比噴嘴高度為6 mm時提升約75%,考慮到溫度測量的偏差僅為±0.31%,溫度測量誤差遠(yuǎn)小于1 K,試驗(yàn)結(jié)果可以表明,微孔陣列噴霧下的熱表面溫度比單噴嘴噴霧更為均勻。

為了對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,圖11為兩類噴嘴噴出的液滴軌跡。由圖11可知,微孔噴嘴噴霧液滴垂直射向熱表面,水平分速度幾乎全部來自液滴撞擊熱表面后的鋪展運(yùn)動,由于液體表面張力的限制,液滴速度較小時,鋪展運(yùn)動會有回彈的趨勢[26],因此沿水平方向的分速度較小;而商用噴嘴噴出的液滴與熱表面呈一定夾角,水平分速度更大(圖11(b));因此單噴嘴噴霧形成的液膜流動性能更好。在較低過熱度時,強(qiáng)制對流傳熱占主要地位,流動性是決定傳熱的主要因素,所以商用單噴嘴的傳熱性能強(qiáng)于微孔陣列噴嘴的;當(dāng)過熱度較高時,傳熱進(jìn)入沸騰模式,兩類噴嘴的液滴沖擊都足以促進(jìn)汽泡的脫離與破裂,但是微孔陣列噴嘴在中心有密集的小孔布置,與單噴嘴噴霧相比,微孔陣列噴嘴可以保證液滴的持續(xù)供應(yīng),使得熱表面不出現(xiàn)中心干涸區(qū),液膜分布更為均勻,從而使得熱表面上更多區(qū)域進(jìn)行傳熱能力較強(qiáng)的核態(tài)沸騰,因此微孔陣列噴霧的熱流密度更大。

圖9 微孔陣列噴嘴與單噴嘴傳熱對比Fig.9 Comparison of experimental results between micro-hole array nozzle and single nozzle

圖10 兩類噴嘴50 mL/min時表面溫度對比Fig.10 Comparison of surface temperature at 50 mL/min between two types of nozzles

圖11 液滴分速度示意圖Fig.11 Schematic diagram of droplet fraction velocity

微孔陣列噴嘴噴霧冷卻試驗(yàn)表明,該噴嘴不僅消除了熱表面的干涸區(qū),而且實(shí)現(xiàn)了加熱面上的液膜均勻覆蓋設(shè)想,在過熱度較高的核態(tài)沸騰區(qū),能充分利用熱表面產(chǎn)生更多的成核點(diǎn)數(shù)(汽泡數(shù)),使得它的噴霧冷卻傳熱性能優(yōu)于單噴嘴,但由于試驗(yàn)條件有限,流量偏小,液膜厚度仍然較厚,提升沸騰傳熱幅度較低。

3 結(jié) 論

(1)單噴嘴噴霧冷卻沸騰傳熱中,噴霧底圓內(nèi)切于熱表面時(噴嘴高度6 mm),熱表面由內(nèi)向外分布3個傳熱區(qū),即中心干涸區(qū)、薄液膜蒸發(fā)區(qū)和核態(tài)沸騰區(qū)。隨著噴霧流量和過熱度增加,干涸區(qū)變大,表面利用率降低,傳熱性能有提升空間。

(2)單噴嘴高度為4 mm時,表面中心干涸區(qū)消失,更多的液體參與沸騰傳熱,提升了噴霧冷卻沸騰傳熱性能。在過熱度為20 K、噴霧流量為50 mL/min時,比噴嘴高度6 mm的熱流密度提高了13%。

(3)新型微孔陣列噴嘴噴霧在流量為50～70 mL/min、過熱度為5～20 K條件下,加熱面上都形成了均勻液膜。在過熱度為20 K、流量為50 mL/min時,與噴嘴高度為6 mm的單噴嘴噴霧冷卻相比熱流密度增大了16%。

(4)強(qiáng)烈沖擊的均勻薄液膜是決定噴霧冷卻沸騰傳熱的關(guān)鍵。設(shè)計的微孔陣列噴嘴實(shí)現(xiàn)了液膜的均勻分布,使得表面溫度更為均勻,可以避免電子設(shè)備因熱應(yīng)力過大而損壞。由于試驗(yàn)條件的限制,流量偏小、沖擊較弱、液膜偏厚,傳熱性能提升幅度還不太理想。因此開發(fā)更加優(yōu)異的噴嘴,力圖在熱表面上噴出沖擊強(qiáng)、較均勻薄液膜,將是噴霧冷卻沸騰傳熱強(qiáng)化的一個方向。