R134a閉式噴霧冷卻傳熱性能實驗研究

周年勇， 馮浩 許泓燁 劉文博 郭藝星 甘新海

(1 常州大學石油工程學院 常州 213164；2 新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司 新鄉(xiāng) 453049)

噴霧冷卻過程的傳熱具有傳熱溫差小、工質(zhì)用量少、無沸騰滯后性和熱通量大等優(yōu)點。目前已初步應用到相關(guān)行業(yè)，可以解決激光器運行產(chǎn)生大量廢熱導致的設(shè)備損毀[1]、磨削加工產(chǎn)生回火和淬火燒傷形成變質(zhì)層[2－3]、大功率電子設(shè)備運行時的高效穩(wěn)定散熱需求[4]等問題。

噴霧冷卻傳熱性能的影響因素[4－5]有許多，包括噴嘴霧化特性、散熱表面特性、工質(zhì)流體特性和工作環(huán)境特性等。曹磊等[6－8]認為噴霧流量增大對傳熱過程有促進作用并且存在上限，同時臨界熱流密度隨流量的增大而增大[9－10]。Li Qiang 等[7]認為過冷度的提高在大流量時對傳熱效果增強明顯，E.Cabrera等[11－12]在實驗中得出類似結(jié)論，并認為過冷度的影響在于改變顯熱與潛熱的比例，而錢春潮等[8]認為過冷度的影響不顯著。噴霧入口壓力對傳熱性能影響較為明顯[13]，入口壓力升高能夠提高臨界熱流密度[14－15]，其根本原因在于提高入口壓力能夠顯著增大噴霧流量，改善霧化效果。噴霧腔內(nèi)壓力對傳熱影響很大，劉炅輝等[14－16]發(fā)現(xiàn)當腔內(nèi)壓力增大時，臨界熱流密度和傳熱系數(shù)都有所提高，而表面溫度由于工質(zhì)飽和溫度的提高會增大。J.L.Xie等[17]發(fā)現(xiàn)較大的噴霧空間和合理的排液設(shè)計能減少冷卻表面的制冷劑浸沒，這使得制冷劑蒸發(fā)份額明顯增大，相應地提高了臨界熱流密度。此外，表面粗糙度[12]、重力角度和噴霧距離[18]等均對傳熱有不同程度的影響。

目前，噴霧冷卻在臨界熱流密度、影響因素等方面的研究取得較大的進展，但在以制冷劑閉式噴霧冷卻系統(tǒng)中的研究結(jié)果存在部分爭議。在實際應用中，以制冷劑為工質(zhì)的閉式噴霧冷卻為了確保冷卻系統(tǒng)安全可靠地運行，往往在核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點之前以穩(wěn)態(tài)工況運行。因此，本文搭建以R134a 為工質(zhì)的閉式噴霧冷卻實驗臺，進一步研究穩(wěn)態(tài)工況下制冷劑流量、過冷度、充注量等因素對表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊?，揭示其作用機理，為噴霧冷卻技術(shù)的工程應用提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗系統(tǒng)原理

本文中的閉式循環(huán)噴霧冷卻系統(tǒng)如圖1所示，主要由噴霧腔、加熱系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。運行原理為:氣態(tài)制冷劑從氣液分離器流出，經(jīng)壓縮機壓縮后進入預冷器進行初步冷卻，隨后進入冷凝器冷凝至過冷液態(tài)；過冷制冷劑流過流量計后，由噴嘴噴射至實驗段頂部表面；霧化良好的制冷劑液滴沖擊實驗段表面去除大量的熱；換熱后的制冷劑流入預冷器升溫，以確保管內(nèi)制冷劑為氣態(tài)；氣態(tài)制冷劑流經(jīng)水冷器以使制冷劑溫度達到壓縮機入口溫度要求；最后制冷劑回到氣液分離器中，完成一次循環(huán)。

圖1 閉式循環(huán)噴霧冷卻實驗系統(tǒng)Fig.1 Closed-loop spray cooling experimental system

圖2所示為加熱系統(tǒng)的熱源結(jié)構(gòu)。實驗段為純銅材質(zhì)，表面直徑為24 mm。在距離實驗段表面16.5 mm、24.5 mm、32.5 mm、40.5 mm 的中心放置K型熱電偶，從上至下依次為T1、T2、T3、T4。熱源加熱功率由智能參數(shù)測量儀(PW9901)控制，本實驗加熱功率范圍為350～600 W。另外，噴嘴由美國斯普瑞公司生產(chǎn)，型號為1/8GG-SS3002.5。

2 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

實驗段熱源圓柱的長度方向包覆巖棉絕熱保溫層，熱量僅沿實驗段軸向傳遞，因此實驗段逐步降溫的過程遵循一維導熱規(guī)律[16]。將傅里葉導熱定律簡化后，得到穩(wěn)態(tài)下一維導熱熱流密度計算公式:

式中:q為實驗段軸向熱流密度，W/m2；λ為純銅導熱系數(shù)，W/(m·℃)。

其中，沿實驗段軸向的溫度梯度為:

圖2 熱源結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of heat source

式中:Tn為熱電偶測點溫度，℃；xn為熱電偶距實驗段表面距離，m。

由于實驗段軸向溫度分布呈一維特性，則實驗段表面溫度為:

閉式噴霧實驗中，腔內(nèi)壓力下的飽和溫度基本等于腔內(nèi)溫度。將實驗段表面的對流邊界條件與熱流密度邊界條件耦合，得到實驗段表面?zhèn)鳠嵯禂?shù):

式中:Tc為噴霧腔內(nèi)溫度，℃。

在對流及沸騰傳熱過程中，噴霧冷卻傳熱性能可由無量綱數(shù)雷諾數(shù)Re、韋伯數(shù)We、雅各布數(shù)Ja反映，相關(guān)的定義式如下:

式中:ρ為密度，kg/m3；Gv為體積流量，L/min；D為實驗段當量直徑，m；μ為動力黏度，Pa·s；cp為比熱容，J/(kg·℃)；u0為噴霧液滴速度，m/s；d32為液滴索特平均直徑，m；Tc為腔內(nèi)溫度，℃；Tsat為制冷劑飽和溫度，℃；γlh為制冷劑汽化潛熱值，kJ/kg。

2.2 誤差分析

根據(jù)誤差傳遞公式[15]，實驗中熱流密度、加熱表面溫度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的不確定度分別為±5.6 %、±2.9 %和±5.4 %。

表1 測量參數(shù)及精度Tab.1 Measurement data and accuracy of devices

3 結(jié)果與討論

為研究噴霧冷卻傳熱的影響因素及傳熱規(guī)律，在一定流量、過冷度及制冷劑充注量下，多次調(diào)節(jié)加熱功率，進行穩(wěn)態(tài)實驗。

3.1 流量對傳熱過程的影響

在充注量為0.95 kg、無過冷度條件下，研究各加熱功率下流量變化對噴霧換熱性能的影響。由圖3、圖4 可知，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨流量增大而逐漸增大，表面溫度隨流量增大而逐漸降低。

圖3 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨流量變化Fig.3 Variations of heat transfer coefficient with different flowrate

圖4 表面溫度隨流量變化Fig.4 Variations of surface temperature with different flowrate

在熱流密度較低時，流量增大顯著地促進了表面對流換熱強度。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有較明顯的提高，表面溫度也隨之下降。在高熱流密度下，表面換熱系數(shù)增幅較小，表面溫度下降有限。流量從0.20 L/min增至0.25 L/min，在高熱流密度(84.02 ～ 105.25 W/cm2)下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均提升4.2 %，在低熱流密度(45.93～72.55 W/cm2)下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均提升5.6 %。

3.2 過冷度對傳熱過程的影響

在制冷劑流量為0.184 L/min、充注量為0.95 kg條件下，研究不同加熱功率下過冷度變化對噴霧冷卻換熱性能的影響。由圖5、圖6 可知，相比較高的熱流密度，在低熱流密度時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升較大；表面溫度隨過冷度提高而有所降低，但在高熱流密度下過冷度增大導致表面溫度升高。過冷度從5 ℃增至8 ℃，高熱流密度下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均提升0.9 %，低熱流密度下平均提升2.0 %。

圖5 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨過冷度變化Fig.5 Variations of heat transfer coefficient with different subcooling degree

圖6 表面溫度隨過冷度變化Fig.6 Variations of surface temperature with different subcooling degree

對以上結(jié)果進一步分析，低熱流密度下，隨著過冷度的增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)逐漸增大，但增幅逐漸變緩；高熱流密度下，隨著過冷度的增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈先增大再減小的趨勢。這是由于熱流密度較低時，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力較低，且系統(tǒng)飽和溫度受過冷度的影響較小，制冷劑經(jīng)噴嘴節(jié)流后，狀態(tài)點處于兩相區(qū)。此時，噴射向熱源表面的制冷劑混有一定量的閃發(fā)蒸氣，閃發(fā)蒸氣在一定程度上會阻礙換熱，而增大過冷度，使得節(jié)流后的狀態(tài)點向飽和液體點靠近，減少了閃發(fā)蒸氣量，提升了換熱能力，使得傳熱系數(shù)增大；但是隨著熱流密度的增大，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力逐漸提高，隨著過冷度的增大，節(jié)流后的狀態(tài)點從兩相區(qū)逐漸過渡到液相區(qū)，制冷劑從液相區(qū)開始蒸發(fā)，沸騰換熱的份額降低，相應的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也會減小。由于不同熱流密度下?lián)Q熱方式的改變導致顯熱與潛熱份額比例發(fā)生變化，所以不同研究人員對過冷度的影響存在爭議。

綜上所述，在同一熱流密度下，當過冷度足夠大時，隨著過冷度的增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均會呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。但從數(shù)值上來說，提高過冷度對噴霧相變冷卻傳熱性能的增強效果極其有限。

3.3 制冷劑充注量對傳熱過程的影響

實驗通過改變制冷劑充注量來研究噴霧換熱性能的變化。腔內(nèi)壓力隨充注量增加顯著增大，隨流量和過冷度的變化無明顯變化，因此僅在充注量改變時分析無量綱數(shù)對傳熱性能的影響。

由圖7 可知，隨著充注量增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)先有較大幅度的提升而后趨于穩(wěn)定。相比較低的熱流密度，較高熱流密度下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨充注量增加提升幅度更大。當充注量從0.95 kg 增至1.25 kg，高熱流密度下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均提升11.2 %，低熱流密度下平均僅提升4.9 %。

圖7 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨充注量變化Fig.7 Variations of heat transfer coefficient with different charge

由圖8 可知，表面溫度隨著換熱系數(shù)的提高出現(xiàn)明顯上升。這是由于在閉式噴霧系統(tǒng)中，制冷劑充注量提高使得噴霧制冷循環(huán)曲線上移，冷凝溫度提高，進而導致噴嘴出口溫度上升。相比較低的熱流密度，高熱流密度下表面沸騰換熱較強，表面溫度上升得到控制。

圖8 表面溫度隨充注量變化Fig.8 Variations of surface temperature with different charge

圖9、圖10、圖11所示分別為噴霧冷卻無量綱參數(shù)Re數(shù)、We數(shù)和Ja數(shù)隨充注量的變化曲線。由圖9、圖10 可知，隨著制冷劑充注量的增加，Re數(shù)和We數(shù)均先明顯增大而后增幅有所放緩。由圖11 可知，Ja數(shù)隨著充注量增加大幅降低，并且隨著熱流密度提高也略微減小。

圖9 Re 隨充注量變化Fig.9 Variations of Re with different charge

圖10 We 隨充注量變化Fig.10 Variations of We with different charge

綜合圖7～圖11 分析，當處于較低的熱流密度時，表面以對流換熱方式為主。充注量增加引起制冷劑流量增大、噴霧霧化效果增強；同時Ja數(shù)減小，核態(tài)沸騰受抑制進一步使傳熱向?qū)α鞣绞睫D(zhuǎn)變。因此，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化趨勢幾乎正比于Re數(shù)與We數(shù)。較高熱流密度下，充注量從0.95 增至1.05 kg，Ja數(shù)降低的負面影響很小，而表面核態(tài)沸騰強度明顯增大。這使得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯增大，相應的表面溫度有所下降。當充注量繼續(xù)增加時，Ja數(shù)進一步減小使得核態(tài)沸騰受抑制，由于此時流量增大和霧化效果較好，兩者的共同作用使得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進一步提高，但增幅受限制。

圖11 Ja 隨充注量變化Fig.11 Variations of Ja with different charge

本實驗中，制冷劑充注量為1.05 kg 左右時，充注量增加對表面換熱性能的促進作用達到最大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充注量為0.95 kg 時有較明顯提高，且此時表面溫度也被控制在較低的水平。因此對于閉式噴霧冷卻系統(tǒng)，存在最佳制冷劑充注量使得換熱性能處于較高水平。

4 結(jié)論

本文以R134a 為工質(zhì)進行了閉式噴霧冷卻傳熱實驗，研究了制冷劑流量、過冷度及制冷劑充注量對表面換熱性能的影響。得到結(jié)論如下:

1)增大制冷劑流量能夠有效提升噴霧冷卻的傳熱性能，且低熱流密度下提升效果更佳；

2)提高過冷度對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的提升作用有限。過冷度從5 ℃增至8 ℃，低熱流密度時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升2.0 %，高熱流密度時僅提升0.9 %；

3)增大制冷劑充注量，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)先大幅提升后趨于穩(wěn)定。當充注量從0.95 kg 增至1.25 kg，高熱流密度時傳熱系數(shù)提升11.2 %，低熱流密度時提升4.9 %；

4)存在一個最佳制冷劑充注量使閉式噴霧冷卻系統(tǒng)傳熱性能達到最佳，本文實驗條件下最佳充注量約為1.05 kg。