DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降的影响

周建阳，罗小平，谢鸣宇，邓聪



DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降的影响

周建阳，罗小平，谢鸣宇，邓聪

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640）

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响，运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al2O3/R141b纳米流体制冷剂，在直接激光烧结（DMLS）微型换热器中，设计系统压力为176 kPa，纳米流体制冷剂入口温度为40℃，在热通量21.2～38.2 kW·m−2和质量流率183.13～457.83 kg·m−2·s−1工况下，研究纳米粒子浓度对Al2O3/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明：纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响，气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少，在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al2O3，不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%～32.6%；通过SEM和表面静态接触角测试方法，发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面，增加了微通道表面的润湿性；对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型，并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正，得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内，同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%，说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。

微通道；烧结；纳米粒子；浓度；气液两相；压降

引 言

随着科技的进步，电子部件和设备趋向集成化发展，传统大通道的传热设备已无法满足电子芯片的传热过程，在此背景下，提出具有较高比表面积和换热效率的微细尺寸换热器来强化传热[1]。

国内外学者对于换热器内流动沸腾压降的研究，往往集中在换热器表面特性对流动沸腾压降影响，例如Rapolu等[2]在水力直径为700 μm的圆管和方形管中，研究表面静态接触角对两相压降的影响，结果发现表面静态接触角对两相压降有显著影响，并随表面静态接触角的增加而增加；Yu等[3]分别在直径为0.546、0.763、1.018、1.555、2.075 mm的圆形通道中，研究不同的润湿性对两相压降的影响，结果表明压降随表面接触角的增加而增加。

由于液体传热比传统的风冷具有更好的散热性能，因此，自从Choi等[4]首次提出纳米流体后，纳米流体强化传热吸引了国内外许多学者，纳米颗粒具有较高比表面积，可以增加流体工质的导热性能[5-11]，因而流体工质的传热性能得到显著提高。Saidur等[12]在R134a中加入POE，研究池沸腾传热性能，研究发现传热性能相比纯制冷剂提高26.1%。还有许多学者研究发现在流体中加入纳米颗粒都能显著提高传热性能[13-18]；而对于纳米流体制冷剂对流动沸腾压降的影响往往被忽视，特别是纳米流体制冷剂中的颗粒浓度对流动沸腾压降的影响，Barzegarian等[19]在BPHE（钎焊板式换热器）中，研究纳米颗粒质量分数为0.3%、0.8%、1.5%的TiO2/水纳米流体的传热及压降特性，研究发现纳米颗粒浓度对压降的影响相比对传热影响而言，影响没有那么大，认为纳米颗粒浓度对压降的影响可以被忽略。但是，在当今能量短缺的时代，实际运用中往往不能忽视纳米颗粒浓度对流动沸腾压降的影响。

以上研究都是基于传统加工工艺生产的换热器，但是随着微电子机械系统（MEMS）时代的到来，传统的加工方式已逐渐无法满足当代科技的需求。本文用一种直接金属激光烧结（DMLS）加工制造方式（3D打印技术），制造出长250 mm、宽40 mm、高7 mm的微型换热器，换热器包含18个宽1 mm、高2 mm微细通道，通道的水力直径为1.33 mm，同时配置不同质量分数（0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）的Al2O3/R141b纳米流体制冷剂为换热工质，在DMLS微型换热器内，通过改变换热器的热通量（21.2～38.2 kW·m−2）和质量流率（183.13～457.83 kg·m−2·s−1）来研究纳米制冷剂中的微纳米颗粒浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降影响，本文主要关注纳米颗粒浓度对纳米流体制冷剂流动沸腾压降特性影响以及在R141b中加入纳米颗粒后，微型换热器中制冷剂流动沸腾压降特性。

1 实验设计

1.1 不同纳米颗粒浓度的Al2O3/R141b的制备

制备纳米流体制冷剂时，选用R141b作为基液，选用的Al2O3纳米颗粒为球形，平均直径为125 nm，Al2O3纳米颗粒的SEM图像如图1所示。为了制备性能良好稳定的纳米流体制冷剂（Al2O3/R141b），采用超声波振动仪，同时加入SPAN-80分散剂，分散剂的质量为总纳米流体质量的0.05%，制备不同浓度的纳米流体制冷剂时所加入的分散剂质量相同，制备过程及纳米流体制冷剂（Al2O3/R141b）如图2、图3所示。

根据式(1)～式(5)[20]可得各质量分数纳米流体制冷剂在饱和温度49℃时的物理参数，结果见表1，其中为质量分数（%）、为体积分数（%）、为热导率（W·m−1·K−1）、为黏度（Pa·s）、为比定压热容（kJ·kg−1·K−1），下角标nf、np、r分别表示纳米流体、纳米颗粒、纯制冷剂。

表1 Al2O3/R141b饱和状态物理性能参数

(2)

(3)

(5)

1.2 DMLS微型换热器制造成型原理

计算机设计成型CAD Model后，使用高能量的激光束高温熔化固化粉末金属材料，三维模型数据控制激光器在加工台上运动烧结路线，自动层层堆叠来成型DMLS微型换热器，成型原理如图4所示。

图5表示DMLS微型换热器换热通道表面的3D形貌，图中右侧表示通道表面凹凸程度情况，表面粗糙度平均值a=1.77 μm。

1.3 实验装置及步骤

搭建如图6所示的实验平台，系统具体包含纳米流体制冷剂注入系统模块、制冷剂循环控制模块（控制制冷剂入口温度、压力及输送动力）、测试实验段模块、实验采集测试系统模块，其中测试实验段模块如图7所示。

实验平台搭建后，为保证测试数据的有效性，需用惰性气体对测试系统进行泄漏检查，然后将系统抽真空，同时使用纯制冷剂R141b在微型换热器中进行单相热平衡实验，达到平衡后，热效率和热通量的变化规律如图9所示，从图中可以得出热平衡偏差随热通量的增加而减少，在热通量大于8 kW·m−2，热平衡偏差已经低于5%，而在两相流动沸腾实验中，热通量设计在21.2～38.2 kW·m−2，远大于8 kW·m−2，说明热平衡偏差远低于5%，符合实验精度要求。

制冷剂R141b吸收的热量为

输入实验段微细槽道的有效热流量为

e=ech(7)

热平衡偏差为

式中，r为R141b流体工质的液相比定压热容，kJ·kg−1·K−1；in为微槽道进口处工质的温度，℃；out为微槽道出口处工质的温度，℃；e为有效热通量，kW·m−2；ch为微通道横截面积，m2。

设计系统压力在176 kPa，入口温度为40℃，纳米流体制冷剂的饱和温度为49℃，因此纳米流体制冷剂在入口状态为全液相，在质量流量为183.13～457.83 kg·m−2·s−1，热通量为21.2～38.2 kW·m−2工况下，研究不同纳米颗粒浓度对流动沸腾压降影响。

2 数据处理及实验结果

2.1 数学模型

实验段的单个通道截面图如图10所示，表2所示为相关尺寸参数，实际实验过程微型换热器中纳米流体流向为垂直向上，纳米制冷剂的饱和温度高于制冷剂的入口温度，因此纳米制冷剂进入换热通道中会有一段单相段，长度为sub，随着加热板对微型换热器持续加热，换热工质进入两相流状态，纳米流体在出口时的温度在48～50.3℃波动，基于本实验进出口压力表安装位置及纳米制冷剂流动状态，总压降tot分为4部分：单相流压降sub、两相流压降sat、进口突缩压降in、出口突扩压降out。

表2 换热通道横截面尺寸

式中，in为单相段入口处局部压降，计算公式为

(10)

式中，g为气相密度，kg·m−3；out为工质在换热通道出口处的干度值。

(12)

式中，e为实验段的有效热通量，kW·m−2；为肋片的换热效率；sub为单相段长度，mm；h,g为纳米制冷剂的汽化潜热，J·kg−1；为单个通道的质量通量，kg·s−1。

,(14)

(15)

式中，w,up为实验段上测试点温度，℃；w,dn为下测试点温度，℃；为热阻；为上下温度测试点的距离，m；in为纳米制冷剂进口温度，℃；nf为纳米制冷剂比热容，J·kg−1·K−1；sat为纳米制冷剂饱和温度，℃；为传热系数，kW·m−2·K−1。

(17)

参考文献[22]可知单相段压降为

(19)

式中，h为水力直径。

(21)

(22)

综合式(9)～式(23)，可得纳米制冷剂在微细通道中的两相压降为

2.2 结果误差分析

在测试过程中，温度测量仪器选用的是Pt100热电阻，测量精度为0.1%，纳米制冷剂的流量测量选用LWGY涡轮变量计，测量精度为0.5%，实验段进出口的压力测量选用HC3160-HVG4压力传感器，测量精度为0.5%，温度变送器，测量精度为0.2%，根据误差传递原理，部分物理量的误差见表3。

表3 部分物理量的误差

2.3 实验结果

控制纳米流体工质的入口温度为40℃，不同纳米颗粒浓度的制冷剂在不同的热通量21.2～38.2 kW·m−2、质量流率183.13～457.83 kg·m−2·s−1工况下，进行流动沸腾特性实验，各工况下系统达到平衡时，系统压力为176 kPa，各纳米颗粒浓度制冷剂的流动沸腾压降特性如图11～图14所示。

图11表示在DMLS微型换热器中，不同质量分数的纳米流体制冷剂的流动沸腾两相压降随质量流率的变化情况，从实验结果可以得出：不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾两相压降随质量流率增加而增加，在此实验工况下，质量流率增加60.4%，不同浓度的纳米制冷剂的两相压降增加17.5%～28.9%；同时通过方差分析，纳米颗粒浓度和质量流率对流动沸腾两相压降都有显著影响。文献[23]也得到类似的结果，这是因为质量流率增加，纳米流体制冷剂与流动沸腾壁面的摩擦增强，液体与未脱离的气泡摩擦也会增加，从而导致整个两相压降的增加。

图12表示在DMLS微型换热器中，不同质量分数的纳米流体制冷剂的流动沸腾两相压降随热通量的变化情况，从实验结果可以得出：不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾两相压降随热通量增加而增加，在此实验工况下，热通量增加60.4%，不同浓度的纳米制冷剂的两相压降增加15.8%～38.8%；这是因为随着热通量的增加，DMLS微型换热器中单相段长度sub减短，两相段长度sat增长，气泡脱离的直径最大[23]，脱离的气泡容易在主流区域汇聚，阻碍通道，因此两相总压降增加；通过方差分析可得热通量和纳米颗粒浓度对两相压降有显著影响。

图13、图14表示在DMLS微型换热器中，纳米流体制冷剂的流动沸腾两相压降及总压降随纳米流体颗粒浓度的变化，实验结果表明纳米流体制冷剂流动沸腾的两相压降及总压降随纳米流体纳米颗粒浓度的增加而减少，质量分数为0.4%的纳米制冷剂的流动沸腾总压降比0（纯制冷剂R141b）、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%流体制冷剂的流动沸腾两相压降分别低32.6%、27.6%、23.0%、13.8%、5.5%，总压降分别低13.45%、10.8%、7.5%、5.3%、1.5%，同时通过方差分析可得纳米颗粒浓度对制冷剂在微型换热器中的流动沸腾两相压降有显著影响。

值得注意的是纳米流体制冷剂Al2O3/R141b流动沸腾的总压降和两相压降都要比纯制冷剂R141b小，且有纳米流体制冷剂流动沸腾的总压降和两相压降随纳米颗粒浓度的增加而减少。

2.4 实验结果分析

实验结果（图11～图14）表明纳米流体制冷剂在微型换热器中流动沸腾两相压降和总压降都随纳米流体制冷剂中的颗粒浓度发生变化，在R141b中加入纳米颗粒，能减少流动沸腾压降，并且随纳米颗粒质量分数的增加，两相压降和总压降都减少，其原因是纳米流体制冷剂在流动沸腾过程，纳米颗粒沉积在微型通道表面，影响通道表面的润湿。图16表示纳米制冷剂流动沸腾后，通道表面纳米颗粒沉积情况（图15表示实验前通道表面情况）。

图17、表4表示各质量分数纳米流体制冷剂流动沸腾实验后微型通道表面接触角的情况，从表4结果可以得出随着纳米颗粒浓度的增加，纳米颗粒沉积到通道表面，表面的静态接触角逐渐减少，表面的润湿性依次增加。

表4 各质量分数纳米制冷剂流动沸腾后通道表面静态接触角

流型为弹状流时，表面润湿性对流动沸腾压降影响模型如图18所示，在流动沸腾两相段，定义单个气泡的水力直径为h，气泡的长度为b，由于表面润湿性的存在，单个气泡在流动前进时，表面张力对气泡前进有一种“阻力”，会使表面接触角前角r和后角a不相等，Phan等[24]将此种工况下单位长度两相压降定义为

在流动沸腾时，由于前角r和后角a很难被测量，并且流动沸腾过程中，具有高气体和液体速度比率使得前接触角减少为0，后接触角接近静态接触角，因此上述式(25)可以简化成如下形式

流型为泡状流和环状流时，表面润湿性（接触角）对压降的影响主要是影响气泡的生长及气泡脱离，生成一个气泡所需要的焓和表面接触角之间的关系为式(27)[25]，从式(27)可知：接触角越小（润湿性越好）生成一个气泡及脱离需要更多的能量（焓），从而生成气泡数量越少，对流动造成的阻力越小，压降越小。

(27)

在纯制冷剂R141b中加入纳米颗粒，在流动沸腾过程中，纳米颗粒沉积到通道表面，并且随着纳米颗粒的增加，沉积越严重，通过表面静态接触角的测试，发现随着纳米颗粒质量分数增加，通道表面接触角越小，见表4，由式(26)、式(27)可得纳米制冷剂在通道中的两相压降、总压降和纳米流体质量分数之间的关系，即：纳米流体制冷剂在微型通道中的两相压降随纳米颗粒浓度的增加而减少。

2.5 方差分析

分别定义纳米流体制冷剂质量流率、纳米颗粒浓度（制冷剂中纳米颗粒质量分数）、热通量对流动沸腾压降影响为影响因子、、，对DMLS微型通道中的流动沸腾压降影响做方差齐性检验分析（检验），根据图11中的实验数据，制成如表5所示的双因素作用结果表，表中纵列为不同质量流率值，横列为不同浓度值，共同影响压降值，通过式(28)～式(33)可得表6方差分析结果，式中SS表示离差平方和，df表示自由度，MS表示均方，其中F服从自由度为（dfdfe）的分布，对于给定的显著性水平=0.05，若F>F（dfdfe）=crit，则认为因素对实验结果有显著影响，否则无显著影响，其他影响因子对压降影响方差分析可通过上述方法得到表7、表8结果。

,,(29)

,,(30)

(32)

(33)

表5 质量流率与纳米颗粒浓度对两相压降影响实验结果

表6 质量流率与纳米颗粒浓度对两相压降影响方差分析

表7 热通量与纳米颗粒浓度对两相压降影响方差分析

表8 纳米颗粒浓度对两相压降影响方差分析结果

表6表示质量流率和纳米颗粒浓度双因素作用下对两相压降影响的方差分析，表7表示热通量和纳米颗粒浓度双因素作用下对两相压降影响的方差分析，表6、表7中影响因子对应的F>0.05（dfdfe）=crit，取=0.05（显著性因子），说明质量流率、纳米颗粒浓度、热通量对纳米制冷剂在DMLS微型换热器中流动沸腾两相压降都有显著影响。

表8表示纳米颗粒浓度对两相压降影响的方差分析结果，表8中的=21.4>0.05（5，11）=crit=4.38，从分析结果可以得出：纳米流体制冷剂中的纳米颗粒浓度对其流动沸腾两相压降有显著影响。

基于表6～表8中的方差分析，都说明了纳米颗粒浓度对纳米流体制冷剂在DMLS微型换热器通道中的两相压降有显著影响，通过图11～图14分析，相同的工况下，纳米流体制冷剂在微细通道中的两相压降随纳米颗粒浓度的增加而减少。

3 模型对比分析

微型换热器换热通道中流动沸腾两相过程相当复杂，两相压降机理还没有形成统一的认识，一些学者[26]将流动沸腾压降分相处理，两相压降关联式为

其中为整个通道的长度（单位：m），2L=/为两相压降影响因子，其中表示Martinelli数[26]，后来许多学者在此基础上将进行修正，相关修正模型与本实验结果的相对误差绝对值见表9。

表9 实验值与关联式模型预测值的偏差

Note：

由表9可知，Mishima[27]关联式的预测值与实验结果的相对误差绝对值（MAE）为25.6%，Qu-Mudawar[28]关联式的预测值与实验结果的相对误差绝对值（MAE）为23.2%（图19），Zhang[29]关联式的预测值与实验结果的相对误差绝对值（MAE）为27.8%。3种预测模型相对误差值中，Qu-Mudawar关联式的预测值的MAE为23.2%，与实验结果偏差最小。但是Qu-Mudawar关联式并没有考虑纳米颗粒沉积对通道表面的润湿性对两相压降的影响，因此可以在Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式基础上进行修正，将实验得到代入上述的两相压降模型，进行非线性拟合，可以得到如下关联式

将原始实验数据代入修正后的关联式，实验值与修正后的相对误差的绝对值MAE为11.7%，且有85%的数据点位于修正公式预测值的±15%范围之内（图20），说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。

4 结 论

运用超声波振动法制备均匀稳定的不同质量分数的纳米流体制冷剂，在直接激光烧结DMLS微型换热器中，设计系统压力为176 kPa，纳米流体入口温度为40℃，在热通量21.2～38.2 kW·m−2和质量流率183.13～457.83 kg·m−2·s−1工况下，研究纳米粒子浓度对Al2O3/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响，研究结果表明：

（1）纳米颗粒浓度对纳米制冷剂在DMLS微细换热器换热通道中流动沸腾两相压降有显著影响，在相同的工况下，两相压降随纳米颗粒浓度的增加而降低（即质量分数越大，两相压降越小），在R141b加入纳米粒子Al2O3，不同质量分数的纳米制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%～32.6%。

（2）通过SEM和表面静态接触角测试方法，发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面，增加了DMLS通道表面的润湿性，表面润湿性越好，两相压降越小。

（3）对比了国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型，并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正，得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内；同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%，说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。

符 号 说 明

A——质量流率对压降影响因子 B——浓度对压降影响因子 cr, cnp, cnf——分别为纯制冷剂、纳米颗粒、纳米流体比定压热容，kJ·kg−1·K−1 D——热通量对压降影响因子 Dh——水力直径，m G——单个通道的质量流率，kg·m−2·s−1 h——传热系数，kW·m−2·K−1 hl,g——纳米制冷剂的汽化潜热，J·kg−1 Lsub——单相段长度，m ∆pin——进口突缩压降，Pa ∆pout——出口局部压降，Pa ∆psat——两相压降，Pa ∆psub——单相压降，Pa ∆ptot——总压降，Pa Qe——槽道吸收的热量，kW ——制冷剂吸收的热量，kW qe——热通量，kW·m−2 Re——Reynolds数 Tin——纳米流体制冷剂进口温度，℃ Tsat——纳米流体饱和温度，℃ Tw,dn——下测温点温度，℃ Tw,up——上测温点温度，℃ w——质量分数，% γ——气泡半径，m ε——热力平衡偏差，% η——肋片的传热效率，% θ——接触角，(°) κ——截面突缩比 λ——热导率，W·m−1·K−1 μ——黏度，Pa·s ρg——制冷剂气相密度，kg·m−3 ρnf——纳米流体制冷剂密度，kg·m−3 σ——表面张力，N ΔΦ——产生一个气泡的焓，J ϕl——液相比焓，J·kg−1 ϕv——气相比焓，J·kg−1 cout——出口干度，%

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Influence of nanoparticle concentration on pressure drop of Al2O3/R141b boiling flow in micro heat exchanger by direct metal laser sintering

ZHOU Jianyang, LUO Xiaoping, XIE Mingyu, DENG Cong

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Uniform and stable nanorefrigerant coolants of 0.05%—0.4%Al2O3/R141b (mass fraction) were prepared by ultrasonic vibration and used to investigate nanoparticle concentration on pressure drop of gas-liquid two-phase boiling flow of a nanorefrigerant in micro channels. A micro heat exchanger was fabricated by direct metal laser sintering (DMLS) with designed capacity of system pressure at 176 kPa and inlet temperature at 40℃. At conditions of heat flux 21.2—38.2 kW·m−2and mass flow rate 183.13—457.83 kg·m−2·s−1, the experimental results show that the nanoparticle concentration had significant impact on pressure drop of Al2O3/R141b nanoparticle coolant boiling flow in micro channels and the pressure drop decreased with the increase of nanoparticle concentration. After added Al2O3nanoparticles to pure R141b coolant, pressure drop of the pure refrigerant in micro channels was reduced by 5.5%—32.6% depending on mass faction of nanoparticles. Scanning electron microscopy (SEM) and static contact angle measurement revealed that deposition of some Al2O3nanoparticles on the microchannel surface increased surface wettability, which might lower pressure drop of Al2O3/R141b upon increase of nanoparticle concentration. Considered three classic pressure drop models and correlations of Qu-Mudawar’s and Zhang’s for gas-liquid two-phase boiling flow, a revised correlation was developed that 85% of the experimental data points on pressure drop were fallen within a ±15% range of model calculation. The revised correlation can effectively predict the experimental results under these conditions as supported by small MAE number of 11.7%, which was relative deviation between experimental results and revised model predictions.

microchannel;sintering; nanoparticle; concentration; gas-liquid two-phase; pressure drop

2016-05-09.

Prof. LUO Xiaoping, mmxpluo@scut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160634

TK 124

A

0438—1157（2016）11—4587—12

周建阳（1986—），男，博士研究生，讲师。

国家自然科学基金项目（21276090）。

2016-05-09收到初稿，2016-07-18收到修改稿。

联系人：罗小平。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276090).