R134a 在微通道内的流动沸腾两相压降特性研究

曹传超 冯龙龙 贾洪伟

东华大学环境科学与工程学院

随着电子器件的微型化发展，其散热问题逐渐显现出来。微尺度换热相比常规尺度具有更大的传热系数，为目前散热难题提供了一种重要途径。压降作为一个重要的流动特性参数，对微尺度流动换热性能分析具有重要意义。学者们对通道内流动沸腾压降特性进行了大量研究：Xu 等人[1]对R134 在不同管径下进行了流动沸腾压降实验。结果表明，摩擦压降随质量通量的增加而变大，随干度的增加先增后减，随着饱和压力和水力直径的增加而减小，并且随着热通量几乎保持恒定。Hwang 和Kim[2]的研究发现两相流压降随干度和质量通量的增加、内径的减小而增大。现有的流动沸腾压降预测模型常基于常规尺寸通道，忽略了一些重要因素的影响，如表面张力等。这对预测模型合理的应用提出了要求。因此，本文基于对R134a在微细通道内的压降特性实验研究，对常用的压降预测模型进行了对比和评估。

1 实验装置

图1 为实验装置的系统图。经冷却水循环预冷的过冷制冷剂流经干燥过滤器（DFS-052S-1/4，Hongsen）后，由精密可调齿轮泵（DMF-1-1B，Micropump）送至实验段。预热段和实验段分别采用电阻丝将热和直流短路加热的方式。测试段管长300 mm，每隔25 mm 设置一只T 型热电偶，并在进出口通过四通接头安装铠装热电偶和压力传感器。其中，热电偶的不确定度约为±0.5 K，压力传感器的精度约为满量程的0.25%。在实验段外部敷有保温棉，用以减少实验漏热。此外，为保证电极与回路的绝缘，在电极前后安装了陶瓷管。

图1 实验装置系统图

2 数据处理

两相流总压力梯度(dp/dz)tp,total包含加速项(dp/dz)tp,a、摩擦项(dp/dz)tp,f和重力项(dp/dz)tp,g：

式中：dp/dz 表示实验段沿程压力梯度大小。对于水平微细圆管，其重力压降可忽略不计[3]。因此，只考虑两相加速项和摩擦项。其中，加速项可以表示为：

式中：G、x、ρl和ρv分别表示质量通量，干度，液相和气相的密度。ε 表示空隙率（void fraction），本文的空隙率的计算采用Rouhanl 和Axelsson[4]的方法：

式中：g 和σ 分别表示重力加速度和表面张力。最终，两相摩擦压降项可以表示为：

式中：Δpmeasured 表示实验测得的进出口压差，L 表示实验段总管长。

3 结果与讨论

从图2 可以看到，摩擦压力梯度随着平均干度先增加后降低。这是由于在干度较低时，管内的流型主要为泡状流，其压力梯度较小，而随着干度的增加，不断形成的小气泡增大了与管壁处的摩擦，压力梯度也随之增大。当热流的进一步增大，开始出现干涸，此时，流型开始向雾状流过渡。而在雾状流中，气相占主导，液相以滴状形式弥散存在，此时压力梯度降低，这一现象也与Qi 等人的实验结果一致[5]。

图2 压力梯度的实验值与预测值的比较

表1 为本文选取的5 个常用的压降预测模型及其基本信息，可以看到所选模型均适用于制冷剂流动沸腾的压降预测。图2 中也显示了模型预测值与实验结果的比较。总体而言，预测模型值的变化趋势与实验结果一致，但数值有一定偏差。以1 mm 管（G=1500 kg/(m2·s)）为例，如图2 所示，Kim 和Mudawar[9]的模型预测结果与实验结果基本一致，但对于0.5 mm 管，却有较大偏差，这主要是由于模型中管径影响比重过大导致的。

表1 已有的两相压降模型介绍

将各模型预测值与实验值进行对比，如图3 所示。可以看到，各模型对0.5 mm 管的压降预测结果均偏高，其误差大多数处于+30%之外。相比之下，1 mm的管的压降预测值比较集中，且预测效果较好，其中Kim 和Mudawar[9]的模型，准确度最高。而对于0.5 mm管，误差数据点分布比较分散，偏差较大。其原因为0.5 mm 管的尺寸更小，管内流速更快，阻力变大的同时，不稳定性更高，相应的压力波动比较大。

图3 模型的预测结果的误差分析

4 结论

本文对制冷剂R134a 在两种微通道下的两相压降特性进行了实验研究，并与压降预测模型的结果进行了对比分析，结论如下：

1）摩擦压降梯度由于管内的流型特性的影响，随干度的升高，先增大后减小。这现象与模型预测结果一致。

2）在评估的5 种压降预测模型中，Kim 和Mudawar 的模型对1 mm 管的实验结果展现了较高的预测性能，而0.5 mm 管的实验数值被模型所高估。

3）相比于1 mm 管，0.5 mm 管的压降数值更分散，这表明微细管径流动沸腾中，不稳定性导致的压力波动也应被考虑进预测模型中。