压力参数对喷雾冷却换热特性影响的研究

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

喷雾冷却因其换热能力强、工质用量小、冷却均匀等特点，成为电子冷却领域最受欢迎的冷却方式之一[1]。一个实际应用是惠普公司 Vondran等[2]设计的利用喷嘴产生制冷剂喷雾的电子芯片冷却装置，装置体积小，散热能力却比现有冷却方式增强10～100倍，热流量最高可达到4.5×103W/cm2。

目前大多数关于喷雾冷却的研究还处于试验阶段。陈东芳[3]认为增大进口压力和雾滴速度可以提高换热系数，主要由于进口压力增加，雾化效果更好；根据冲量定理，即使单个雾滴质量减小，但雾滴速度的增加也能够增强液膜扰动，从而提高喷雾冷却的换热系数和临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）。Yan等[4]以R134a为冷却工质，用气助雾化喷嘴进行实验研究。结果表明：在较低表面温度情况下，随着喷嘴进口压力增大，表面温差降低，蒸发压力对表面最大温差影响不大。文献[5]发现随着喷雾压力的增大，喷雾流量相应增大，相同热流密度条件下，换热表面平均温度降低，换热效果增强。文献[6]研究了流量、流速、入口压力以及热源平板厚度对喷雾参数的影响，发现流量与入口压力越大，平板厚度越薄，得到的喷雾热流密度越大，而仅增大流速不能使热流密度增大。文献[7]假设可根据喷雾压力预测单相区的平均换热系数，以此建立了理论模型，并结合实验说明喷雾压力可用于预测单相区的平均换热系数，进一步研究发现CHF随着喷雾压力升高而增大[8]。

降低系统压力可以降低喷雾工质对应的饱和温度，使喷雾在较低表面温度下即可进行剧烈的沸腾换热，充分利用喷雾冷却高效散热性。Marcos等[9]研究发现喷雾冷却在封闭低压环境中能获得比常压下更低的表面温度。文献[10]利用R404A进行喷雾实验时发现，喷雾高度为5 mm时，1 kPa系统压力下的热流密度是10 kPa压力下的1.9倍。刘炅辉等[11]以R22为冷却工质得到了类似的实验结果。喷雾腔体压力升高，CHF会先增大后减小，存在最优值，而被冷却表面温度则不断升高，并在后期利用冷却工质R134a[12]验证了这一结论。Liu和程文龙等[12-14]还发现系统压力降低，换热能力可以得到很大提升，且会降低温度分布的不均匀性。他们以蒸馏水为喷雾工质，发现低压下喷雾冷却远高于常压下的换热性能。随着热流密度的增加，较低高度下低压系统喷雾冷却的散热性能优势更加明显。当系统压力增大时，热流密度和对流换热系数呈指数下降，而对应的壁面温度则呈指数上升。但作者未对低压下表面温度的波动进行研究，也没有排除系统压力对工质流量的影响。

尽管已有学者对不同喷雾参数对喷雾冷却性能的影响进行了探讨，但对封闭式系统喷雾冷却的研究还不够深入。本文以蒸馏水为工质，实验研究进口压力和系统压力对封闭式喷雾冷却换热特性的影响，并探讨进口水温、喷雾高度、加热功率等参数对喷雾换热特性的影响以及表面温度均匀性随系统压力的变化。

1 实验装置和方法

1.1 实验原理

本文设计并搭建了一套可视化循环式喷雾冷却实验系统，如图1所示，整个系统主要由喷雾系统、模拟加热系统、冷却系统和数据采集系统四部分组成。在实验过程中，微型隔膜泵将液体喷雾工质从储液罐中抽出，经过过滤器除去液体中的固体颗粒防止堵塞喷嘴，高压液体进入压力缓冲器，最后经流量计从喷嘴喷射到加热表面进行冷却，液体工质经过冷凝流入储液器，完成整个喷雾冷却循环。

图1 实验装置图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

模拟热源被设计成上下两部分，分别为直径16 mm铜柱体与80 mm铜基座（内嵌入加热棒），以确保铜柱体轴向的一维导热性。为精确测量铜柱体的轴向和径向温度分布，在铜柱的三层截面上钻孔，内置13个K型热电偶(测量温度≤300 ℃时，精度±1.2 ℃)，具体分布如图2所示。为减小导热热阻，装配时先在热电偶探头上涂一层导热硅脂，再将热电偶置于孔内，并用耐高温胶带绕铜柱缠紧，以防热电偶位置发生移动。

图2 热电偶孔分布图Fig.2 The distribution diagram of thermocouples

1.2 喷雾性能评价参数

热流密度：通过铜基座导热的试验，铜柱体在竖直方向视为一维导热，将每层热电偶测量的温度值加权平均后作为该层平均温度。根据傅里叶导热定律可推导铜柱轴向热流密度。

式中：λ表示紫铜的导热系数；δ表示相邻两层热电偶的竖直距离；Tk1、Tk2、Tk3分别表示试验铜柱至上而下每一层热电偶所测温度的平均值。

换热表面平均壁面温度：由铜柱轴向平均热流密度和第一层热电偶所测得的平均温度推导而来。

式中：Tw表示换热表面的平均温度；Δδ表示第一层热电偶至换热壁面的竖直距离。

对流换热系数：用于衡量喷雾冷却换热的性能。

式中：Tin表示喷嘴进口处的工质温度。

温度不均匀性：喷雾冷却表面存在温度不均匀性，本文利用表面五点温度之间的最大差值ΔT来定义换热表面温度分布非均匀大小。

实验系统存在两种误差：一是数据采集误差，二是系统误差。实验所用K型热电偶的精度为1级，其最大不确定度δT=±1.2 ℃；对热电偶校核计算得出13只热电偶温差的最大不确定度δT=±0.9 ℃；紫铜导热系数是λ=4.01 W/(m·℃)，不确定度为Δλ=±0.05 W/(m·℃)。热电偶孔的位置由加工工艺确定，不确定度δΔx=±0.1 mm。喷嘴入口处的温度由Pt100温度传感器测得，精度为1级，不确定度为δTf=±0.15 ℃。因此，计算得出：

热流密度的最大误差为

换热表面的壁面温度的最大误差为

换热系数的最大误差为

总之，上述各影响因素会导致实验结果存在一定偏差，但满足实验精度的要求，对喷雾冷却换热表面温度的总体变化趋势不产生影响。

2 实验结果和分析

2.1 进口压力对喷雾冷却换热特性的影响

在一定加热功率、不同进口水温以及不同喷雾进口压力下的换热特性曲线如图3和图4所示。当进口温度一定时，随着喷雾进口压力增大，壁面平均温度降低，同时喷雾冷却换热系数提高。如进口水温为 26 ℃时，进口压力从 340 kPa增大到 520 kPa，壁面平均温度从96.7 ℃降至90.4 ℃，对应的换热系数从 0.98 W/(cm2·℃)升高至 1.18 W/(cm2·℃)，换热能力提高了20.4%。而进口压力一定时，较高的进口水温显示出较强的换热能力，但对应的表面平均温度也较高。从实验结果可看出进口压力对换热特性的影响较大。

图3 不同进口水温下喷雾压力与表面温度的关系Fig.3 Surface temperature as a function of spray pressure at different inlet water temperatures

图4 不同进口水温下换热系数与喷雾压力的关系Fig.4 Heat transfer coefficient as a function of spray pressure at different inlet water temperatures

随着喷嘴进口压力增大，液滴的出口速度和液滴数密度增大，而液滴的粒径减小，有利于穿透液膜，增强对液膜的扰动。液滴在换热壁面上的径向速度分量变大，从而使液膜在加热表面上的排除速度加快，即液膜在壁面上的冲刷作用增强，换热作用得到强化。实验观察高清摄像机对液体表面的拍摄情况，发现提高喷雾进口压力后，有大量的小液滴从壁面飞溅出，主要是由于液滴速度增大，韦伯数和雷诺数增大，当液滴的 Sommerfled数K高于57.7时[15]，喷雾液滴通过液膜后会飞溅出大量的小液滴，加快了液膜的排除速度，从而使喷雾冷却换热能力得到增强。较低进口压力下(340 kPa)壁面温度接近 100 ℃，液膜离开换热表面之前已达到饱和状态，因此进口水温的影响较小。随着进口压力的增大(520 kPa)，液膜离开换热表面之前未达到饱和状态，此时换热机理主要为液膜与壁面之间的强迫对流换热，液膜与壁面之间的温差对换热的影响较大。液膜在相同的受热时间内，工质进口温度较低时换热能力更强，从而使得表面平均温度更低。

2.2 系统压力对喷雾冷却换热特性的影响

为研究系统压力对喷雾冷却的换热影响，本节进行了两组实验。第一组设定加热功率300 W，保持其他喷雾参数不变，研究系统压力对换热性能的影响。第二组加热功率从低到高进行调节，研究真空和常压环境下喷雾高度对换热特性的影响。具体参数如表1所示。

表1 系统压力对换热影响的实验参数Tab.1 Experimental parameters of system pressure on heat transfer

图5表示Case1中表面平均温度及热流密度随腔体压力变化的趋势。从图中可以看出，随着系统压力从常压(101 kPa)降至5 kPa，表面温度呈指数下降趋势，从107.5 ℃降到74.8 ℃，降幅达32.7 ℃。而热流密度呈指数上升趋势，从118.3 W·cm–2升至143.6 W·cm–2，涨幅达21.4%。主要是由于系统压力降低使蒸馏水的饱和温度相应变低，换热提前进入两相区。实验中，当常压下达到热平衡后开始对腔体抽真空，最低降至5 kPa，对应蒸馏水的沸点从100 ℃降低到42 ℃，意味着较低的表面温度即可使喷雾冷却进行剧烈的沸腾换热，换热能力得到大幅提升。其次，喷嘴进口压力保持不变，喷雾腔体内压力减小，喷雾进出口压差增大，工质流量逐渐增大，雾滴速率及雾滴密度相应增大，喷雾冷却换热性能也将随之增大。另外，降低系统压力也可以有效地减弱甚至避免铜柱表面被空气中的氧气氧化，使壁面和喷雾蒸馏水之间可以进行高效换热。

图5 定加热功率时换热系数和表面温度随系统压力的变化Fig.5 Effect of system pressure on heat transfer coefficient and surface temperature at constant heating power

图6 常压与低压环境下的热流密度曲线Fig.6 Heat flux curves in atmospheric and low pressure environment

图7 常压与低压环境下的换热系数曲线Fig.7 Heat transfer coefficient curves in atmospheric and low pressure environment

图6和图7分别给出了Case2中热流密度及换热系数随热源表面温度的变化。从图中可以看出，同一喷雾高度低压环境下的喷雾冷却换热性能远高于常压下的换热性能。从换热曲线可明显看出单相区到两相区的转变。如系统压力为10 kPa，高度为12 mm时，表面温度约为67 ℃时换热开始进入两相区，而常压(101 kPa)条件下表面温度约93 ℃时喷雾冷却才能进行剧烈的核态沸腾换热。实验结果表明喷雾高度对低压及常压下的喷雾换热性能均产生明显的影响。

分析认为，抽真空使得系统压力降至10 kPa时，对应蒸馏水的饱和温度为45 ℃，喷雾到达换热表面上更容易发生蒸发，沸腾换热得以较快发生。降低喷雾高度提高了工质有效流量，更多的工质参与换热，从而带走更多的热量。并且液滴速度和密度逐渐增加，对换热表面的冲刷作用增强，强化了换热，使单相区的强迫对流换热增强，两相区时液膜的扰动更加剧烈并有效补充因沸腾换热而蒸发掉的水分，避免或减缓壁面干涸区的形成。因此，较低喷雾高度下的喷雾冷却换热具有更高的CHF，喷雾冷却换热性能较高，蒸馏水利用率极高。

2.3 系统压力对温度不均匀性的影响

图8给出了加热功率(250 W，热流密度大约为108 W/cm2)一定时常压和真空环境下换热表面的温度分布。由图可知，常压和真空环境下表面温度分布具有相同的特征，即表面中心处温度最高，其次是表面边缘处，表面中部区域的温度最低。位置对称点的温度分布具有一定的对称性，但不严格对称。压力从101 kPa下降为10 kPa时，表面最大温差ΔT从12.8 ℃降低到5.7 ℃，真空环境下的温度不均匀性较常压下得到明显改善。

图8 表面不同半径处温度分布Fig.8 Temperature distribution on the surface

在喷雾冷却单相区，换热方式主要是液膜的强迫对流换热，在表面中心区域，液膜流动缓慢且厚度大，换热较差。中部区域由于直接受到液滴的冲击作用，液滴速度和密度较大，冲刷作用强，液膜厚度小，换热能力较强，因此表面温度最低。而外围区域液膜排出速度减小，厚度增加，液膜内部扰动作用减弱，导致此区域壁面温度较高。另外，由于雾化本身的不均匀性、热电偶测量误差及换热时各种因素的综合影响，使对称点的温度分布不具有严格意义上的对称性。

系统压力降低时，工质沸点降低，喷雾更容易发生相变，换热表面上喷雾的蒸发率得以提高，换热能力大幅度提升，从而有效减小各表面温度及表面最大温差，相变换热的强化在一定程度上减小了因液膜分布不均而导致的表面温差。因此，降低系统压力可以明显改善换热表面温度的不均匀性。

3 结论

本文采用光滑表面，以蒸馏水为工质研究了喷雾压力和系统压力对喷雾冷却换热特性的影响及真空度对换热表面温度不均匀性的影响，结论如下：

（1）在一定加热功率下，研究了不同进口水温条件下，进口压力从340 kPa增加到520 kPa时对喷雾冷却换热系数与被冷却表面温度的影响，发现提高喷雾进口压力能同时提高喷雾冷却热流密度和降低表面平均温度，而提高入口水温虽能提高喷雾冷却热流密度，但表面平均温度也相应升高。

（2）在有效流量一定时，试验对比研究了系统压力为常压（101 kPa）与部分真空（5 kPa和10 kPa）条件下，喷雾冷却表面温度、热流密度、换热系数的变化。结果表明喷雾高度会影响喷雾冷却换热性能，低压环境下的喷雾冷却换热性能比常压下的换热性能明显提高，且表面温度不均匀性也得到有效的改善。

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