HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

程文龙 章玮玮 陈华 王领华 吕建伟 李彦良

（1 中国科学技术大学热科学和能源工程系，合肥 230027）

（2 中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

1 引言

当高压液体通过喷嘴喷射到低于其饱和压力的环境中时，液滴变为过热状态，在被冷却表面上形成液膜，这种依靠液膜在被冷却表面的流动、沸腾、闪蒸等方式对表面进行快速冷却的过程就是喷雾闪蒸冷却。与普通喷雾冷却相比，喷雾闪蒸冷却具有更好的散热性能，因此喷雾闪蒸冷却在高热流密度电子器件散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景，NASA 已经把喷雾闪蒸冷却用于航天器热控系统，并将紧凑式闪蒸器技术作为航天器热控优先发展方向之一［1-3］。喷雾闪蒸冷却的传热传质特性受到多种因素的影响，传热机制非常复杂。其闪蒸过程包括两方面：喷雾形成液滴在到达被冷却表面之前的液滴闪蒸和液滴到达被冷却表面后形成的液膜闪蒸。

目前，对闪蒸传热特性的研究主要集中在海水淡化［4］、冰浆制取［5］、医疗手术冷却［6］等领域。在对液膜闪蒸的研究中，O．Miyatake［7］发现闪蒸过程经历快速沸腾和表面蒸发阶段，指出闪蒸现象与液膜厚度和闪蒸室压力有关。D．Saury［8］等人对不同厚度的水膜闪蒸进行研究，给出蒸发量与过热度的关系，定性分析液膜厚度对闪蒸的影响。郭迎利［9］等人研究了闪蒸的初始温度、液膜厚度、过热度对瞬态闪蒸过程温度变化的影响规律。在对喷雾液滴特性的研 究 中，周 致 富（Zhou Zhifu）［6］等 人 对 工 质HFC134a喷雾闪蒸的瞬态喷雾特性进行了研究，观察了喷雾的形成和动态特性，并分析喷嘴对喷雾特性的影响。Ralph Brown［10］等人实验分析了喷雾闪蒸的喷雾特性，并发现闪蒸现象的必要条件是液体过热。

在上述研究中，由于闪蒸应用领域不同，研究者对液膜闪蒸和液滴特性的研究往往是分开进行的，闪蒸条件和闪蒸过程中的传热特性都和用于热控和热防护的闪蒸有较大的不同。但是从目前的研究现状来看，有关这方面的研究还非常不充分，用于热控和热防护方面的闪蒸传热特性的研究文献还鲜有报道。由于HFC134a良好的闪蒸传热特性，NASA已经把其作为环境压力高于1atm 时闪蒸器的备选工质［2］。基于此，本文利用实验方法研究HFC134a喷雾闪蒸冷却的散热性能，并分析喷雾高度和流量等因素对散热性能的影响，为喷雾闪蒸冷却的应用提供实验基础。

图1 系统原理图和加热器Fig．1 System principle diagram and heater

2 实验系统

本文以HFC134a作为闪蒸工质，建立了喷雾闪蒸冷却实验系统（如图1所示）。实验中，环境压力为1atm，环境温度为20 ℃。由于HFC134a在20 ℃时的饱和压力为571．88kPa［11］，远高于环境压力，因此，HFC134a在此环境压力下可以发生闪蒸现象。实验所用喷嘴为旋流雾化实心喷嘴。实验流程如下：工质HFC134a由压差驱动，从储液罐流出，经过阀门、喷嘴雾化成细小的液滴，液滴到达被冷却表面形成液膜，通过液膜的闪蒸等传热现象对被冷却表面进行冷却。

本实验系统利用电加热的发热表面模拟喷雾闪蒸冷却的被冷却表面。发热表面为直径12 mm 的黄铜圆柱端面，铜柱下端连接有加热器加热（如图1所示）。为使铜柱中传热近似一维导热，在铜柱周围填充绝热材料。分别在圆柱上距离端面1 mm、6mm、11mm 处设置三个测温层，每层在距离圆柱中心不同位置分别布置三个T 型热电偶，每层温度为三个热电偶所测温度的平均值。发热表面热流密度根据傅里叶定律得到：

式中：qw为发热壁面的热流密度；λcu为黄铜的导热系数；ti、tj为截面i、j所测得的平均温度；δi、δj为截面i、j到壁面的距离。热电偶误差Δt＝±0．5 ℃，距离误差Δδ＝±0．05mm。根据误差传递公式得到热流密度误差在7%以内。

3 结果与讨论

3．1 喷雾闪蒸冷却换热性能曲线

为研究HFC134a的喷雾闪蒸冷却换热特性和临界热流密度，实验在喷雾高度为9．9mm，流量为0．90g／s的条件下得出了冷却换热性能曲线和被冷却表面温度与加热功率的关系曲线（如图2所示）。从图2中可以看出，随着加热功率的增大，被冷却表面温度逐渐升高；但是，所对应的闪蒸散热的热流密度呈现出先增大达到一个峰值，然后逐渐减小的趋势。出现这种情况的原因，在于实验系统的加热功率除一部分在被冷却表面被液膜闪蒸换热带走外，其余部分由于隔热材料不能完全隔热而从加热器周侧直接散失到环境中，可得

式中：Q为电加热总热量；Qw为通过被冷却表面的热量；Qf为通过周围隔热材料向环境的散热。在加热功率较小时，随着加热功率的增大，被冷却表面温度提高，由此导致液膜闪蒸换热能力也随之提高，表现在冷却曲线上即为表面散热热流密度随着被冷却表面温度的提高而上升；当加热功率进一步提高时，如果被冷却表面温度超过闪蒸冷却临界热流密度所对应的温度，随着被冷却表面温度的提高，其散热能力反而下降，这是由于核态沸腾产生的气泡增多，在被冷却表面形成蒸汽膜，而蒸汽的热导率比液体小得多，因此热流随着被冷却表面温度的升高而下降；同时加热器温度快速升高，通过加热器周侧向环境的散热急剧增大，表现在冷却曲线上，即为表面散热热流密度随着被冷却表面温度的提高而呈现下降的趋势，该趋势与文献［12］中提到的趋势相同。因此，图2冷却曲线中的最大热流密度即为临界热流密度，从图2中可以看出：被冷却表面温度达到90 ℃时，通过壁面的热流密度达到最大值82 W／cm2。

3．2 喷雾高度对喷雾闪蒸冷却换热的影响

图2 喷雾闪蒸冷却换热性能曲线Fig．2 Spray flash cooling heat transfer performance curve

喷雾高度指喷嘴到被冷却表面的距离，其对喷雾闪蒸冷却的散热性能和闪蒸器的设计尺寸都有重要影响。在工质流量为0．95g／s时实验得出了喷雾高度与被冷却表面温度和传热系数的关系曲线如图3所示，被冷却表面温度随喷雾高度的变化呈现先下降后上升的趋势，对应的传热系数趋势与之相反。喷雾高度从2．3 mm 到4．5 mm 时，被冷却表面温度随喷雾高度增加而降低。这是由于当喷雾高度较小时，随着喷雾高度增加，到达被冷却表面的工质雾化由不充分逐渐转变为充分，工质溅射减弱，液膜增厚，有效闪蒸量增大，传热系数增大，闪蒸冷却散热能力增强，被冷却表面温度也随之降低；但是，随着喷雾高度的继续增加，喷雾主流区外移，被冷却表面中心上方的液膜更新速度减缓，传热系数减小，闪蒸的散热性能减弱，因此被冷却表面温度逐渐上升。所以，从图3可以发现，喷雾闪蒸冷却存在着一个最佳喷雾高度，此时喷雾闪蒸冷却的散热能力最强（如图3所示条件，其最佳喷雾高度为4．5mm）。通过实验观察进一步发现，在最佳喷雾高度附近，喷雾液滴仅覆盖部分被冷却表面，此时液膜在被冷却表面的延展对喷雾闪蒸冷却散热的增强具有重要影响。

图3 壁面温度和喷雾高度的关系曲线Fig．3 Surface temperature curve with the spray height

3．3 流量对喷雾闪蒸冷却换热的影响

为探寻喷雾闪蒸冷却最合适的流量，使之既能达到预期的散热效果，又能使工质得到充分利用，本文进一步研究了流量对喷雾闪蒸冷却的影响。在喷雾高度为15．2mm 时实验得出了被冷却表面温度和传热系数与工质流量的关系曲线，如图4所示，被冷却表面温度随流量增加呈现出下降趋势，而传热系数则相反。随着流量增加，被冷却表面上的液膜由流量较小时，只覆盖一部分表面逐渐覆盖整个表面，液膜闪蒸逐渐充分，闪蒸冷却性能提高，所以被冷却表面温度得到有效降低。但是，当流量继续增加时，液膜会增多增厚，与被冷却表面直接接触的液膜没有得到及时更新，降低液膜的闪蒸效率；而且液膜溢出使被冷却表面周围大量结冰，阻碍散热（如图5所示），所以被冷却表面温度下降逐渐减缓，其传热系数上升也随之减缓。考虑到喷雾闪蒸冷却应用在航天器热控和热防护中，如果出现结冰现象，可能会对航天器带来安全隐患，因此，在最佳流量时闪蒸工质应该得到完全利用。

图4 壁面温度和工质流量的关系曲线Fig．4 Surface temperature curve with the flow rate

图5 不同流量下的喷雾实验Fig．5 Spray tests with different flow

4 结论

本文建立喷雾闪蒸冷却实验系统，对以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却的换热特性进行了实验研究。实验得出HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性曲线、临界热流密度以及被冷却表面温度和传热系数随工质流量和喷雾高度的变化曲线。研究结果可为应用喷雾闪蒸冷却提供实验基础。主要结论如下：

（1）以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却的临界热流密度达到82 W／cm2。

（2）喷雾高度对喷雾闪蒸冷却换热性能的影响较大，当高度过小时，工质雾化不充分，液体溅射，导致闪蒸不充分；高度过大时，被冷却表面中心液膜更新减缓，闪蒸减弱，所以存在最佳喷雾高度。

（3）工质流量不是越大越好，当流量过大时，液膜溢出，被冷却表面周围大量结冰，闪蒸效率降低；而且航天器热控和热防护中必须避免结冰现象的发生，因此喷雾闪蒸冷却应该使工质完全闪蒸，此时的流量即为最佳流量。

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