闭式喷雾冷却传热性能的实验研究

闭式喷雾冷却传热性能的实验研究

在喷药过程中，传热具有温差小、工作质量小、无泡沫延迟和高热量等优点。目前已初步应用到相关行业，可以解决激光器运行产生大量废热导致的设备损毁喷雾冷却传热性能的影响因素目前，喷雾冷却在临界热流密度、影响因素等方面的研究取得较大的进展，但在以制冷剂闭式喷雾冷却系统中的研究结果存在部分争议。在实际应用中，以制冷剂为工质的闭式喷雾冷却为了确保冷却系统安全可靠地运行，往往在核态沸腾转折点之前以稳态工况运行。因此，本文搭建以R134a为工质的闭式喷雾冷却实验台，进一步研究稳态工况下制冷剂流量、过冷度、充注量等因素对表面传热性能的影响，揭示其作用机理，为喷雾冷却技术的工程应用提供理论及数据支撑。1实验系统热源本文中的闭式循环喷雾冷却系统如图1所示，主要由喷雾腔、加热系统、供液系统、测控系统组成。运行原理为:气态制冷剂从气液分离器流出，经压缩机压缩后进入预冷器进行初步冷却，随后进入冷凝器冷凝至过冷液态;过冷制冷剂流过流量计后，由喷嘴喷射至实验段顶部表面;雾化良好的制冷剂液滴冲击实验段表面去除大量的热;换热后的制冷剂流入预冷器升温，以确保管内制冷剂为气态;气态制冷剂流经水冷器以使制冷剂温度达到压缩机入口温度要求;最后制冷剂回到气液分离器中，完成一次循环。图2所示为加热系统的热源结构。实验段为纯铜材质，表面直径为24mm。在距离实验段表面16.5mm、24.5mm、32.5mm、40.5mm的中心放置K型热电偶，从上至下依次为T2处理数据和错误分析2.1晶圆级密封实验段温度分布实验段热源圆柱的长度方向包覆岩棉绝热保温层，热量仅沿实验段轴向传递，因此实验段逐步降温的过程遵循一维导热规律式中:q为实验段轴向热流密度，W/m其中，沿实验段轴向的温度梯度为:式中:T由于实验段轴向温度分布呈一维特性，则实验段表面温度为:闭式喷雾实验中，腔内压力下的饱和温度基本等于腔内温度。将实验段表面的对流边界条件与热流密度边界条件耦合，得到实验段表面传热系数:式中:T在对流及沸腾传热过程中，喷雾冷却传热性能可由无量纲数雷诺数Re、韦伯数We、雅各布数Ja反映，相关的定义式如下:式中:ρ为密度，kg/m2.2误差分析根据误差传递公式3结果与讨论为研究喷雾冷却传热的影响因素及传热规律，在一定流量、过冷度及制冷剂充注量下，多次调节加热功率，进行稳态实验。3.1流量对表面传热过程的影响在充注量为0.95kg、无过冷度条件下，研究各加热功率下流量变化对喷雾换热性能的影响。由图3、图4可知，表面传热系数随流量增大而逐渐增大，表面温度随流量增大而逐渐降低。在热流密度较低时，流量增大显著地促进了表面对流换热强度。因此表面传热系数有较明显的提高，表面温度也随之下降。在高热流密度下，表面换热系数增幅较小，表面温度下降有限。流量从0.20L/min增至0.25L/min，在高热流密度(84.02～105.25W/cm3.2热流密度比较在制冷剂流量为0.184L/min、充注量为0.95kg条件下，研究不同加热功率下过冷度变化对喷雾冷却换热性能的影响。由图5、图6可知，相比较高的热流密度，在低热流密度时表面传热系数提升较大;表面温度随过冷度提高而有所降低，但在高热流密度下过冷度增大导致表面温度升高。过冷度从5℃增至8℃，高热流密度下表面传热系数平均提升0.9%，低热流密度下平均提升2.0%。对以上结果进一步分析，低热流密度下，随着过冷度的增大，表面传热系数逐渐增大，但增幅逐渐变缓;高热流密度下，随着过冷度的增大，表面传热系数呈先增大再减小的趋势。这是由于热流密度较低时，系统的蒸发压力较低，且系统饱和温度受过冷度的影响较小，制冷剂经喷嘴节流后，状态点处于两相区。此时，喷射向热源表面的制冷剂混有一定量的闪发蒸气，闪发蒸气在一定程度上会阻碍换热，而增大过冷度，使得节流后的状态点向饱和液体点靠近，减少了闪发蒸气量，提升了换热能力，使得传热系数增大;但是随着热流密度的增大，系统的蒸发压力逐渐提高，随着过冷度的增大，节流后的状态点从两相区逐渐过渡到液相区，制冷剂从液相区开始蒸发，沸腾换热的份额降低，相应的表面传热系数也会减小。由于不同热流密度下换热方式的改变导致显热与潜热份额比例发生变化，所以不同研究人员对过冷度的影响存在争议。综上所述，在同一热流密度下，当过冷度足够大时，随着过冷度的增大，表面传热系数均会呈现先增大再减小的趋势。但从数值上来说，提高过冷度对喷雾相变冷却传热性能的增强效果极其有限。3.3制冷剂充注量的影响实验通过改变制冷剂充注量来研究喷雾换热性能的变化。腔内压力随充注量增加显著增大，随流量和过冷度的变化无明显变化，因此仅在充注量改变时分析无量纲数对传热性能的影响。由图7可知，随着充注量增加，表面传热系数先有较大幅度的提升而后趋于稳定。相比较低的热流密度，较高热流密度下的表面传热系数随充注量增加提升幅度更大。当充注量从0.95kg增至1.25kg，高热流密度下表面传热系数平均提升11.2%，低热流密度下平均仅提升4.9%。由图8可知，表面温度随着换热系数的提高出现明显上升。这是由于在闭式喷雾系统中，制冷剂充注量提高使得喷雾制冷循环曲线上移，冷凝温度提高，进而导致喷嘴出口温度上升。相比较低的热流密度，高热流密度下表面沸腾换热较强，表面温度上升得到控制。图9、图10、图11所示分别为喷雾冷却无量纲参数Re数、We数和Ja数随充注量的变化曲线。由图9、图10可知，随着制冷剂充注量的增加，Re数和We数均先明显增大而后增幅有所放缓。由图11可知，Ja数随着充注量增加大幅降低，并且随着热流密度提高也略微减小。综合图7～图11分析，当处于较低的热流密度时，表面以对流换热方式为主。充注量增加引起制冷剂流量增大、喷雾雾化效果增强;同时Ja数减小，核态沸腾受抑制进一步使传热向对流方式转变。因此，表面传热系数的变化趋势几乎正比于Re数与We数。较高热流密度下，充注量从0.95增至1.05kg,Ja数降低的负面影响很小，而表面核态沸腾强度明显增大。这使得表面传热系数明显增大，相应的表面温度有所下降。当充注量继续增加时，Ja数进一步减小使得核态沸腾受抑制，由于此时流量增大和雾化效果较好，两者的共同作用使得表面传热系数进一步提高，但增幅受限制。本实验中，制冷剂充注量为1.05kg左右时，充注量增加对表面换热性能的促进作用达到最大，表面传热系数比充注量为0.95kg时有较明显提高，且此时表面温度也被控制在较低的水平。因此对于闭式喷雾冷却系统，存在最佳制冷剂充注量使得换热性能处于较高水平。4过冷度对传热性能的提升本文以R134a为工质进行了闭式喷雾冷却传热实验，研究了制冷剂流量、过冷度及制冷剂充注量对表面换热性能的影响。得到结论如下:1)增大制冷剂流量能够有效提升喷雾冷却的传热性能，且低热流密度下提升效果更佳;2)提高过冷度对表面传热系数的提升作用有限。过冷度从5℃增至8℃，低热流密度时表面传热系数提升2.