水平微尺度通道流动沸腾换热试验研究

水平微尺度通道流动沸腾换热试验研究

0动态测试方法对微通道内流动特性的影响自20世纪80年代以来，微型化一直是科学研究和技术的一个重要趋势。随着微机电系统概念的提出和发展，微通道的流动和传播成为一个重要的研究热点。对常规尺度通道内气液两相流的研究的基础上,微尺度通道内的流体流动特性也有了一系列的研究进展,但是相对还不成熟。研究流型可以更好地理解蒸干形成的原因及达到临界热流密度的条件,进而确定设备在安全运转前提下的最佳运行状况。微通道内沸腾现象的可视化对传热机制的直观理解提供了可能,对汽泡的形成、合并以及弹状流、塞状流的产生和局部蒸干条件等现象的认识都起着重要作用。Fokano对各种流型给出一个具有代表性的综述,区分出了泡状流、弹状流或塞状流以及环状流流型,并用已有的流型模式图对流型间的转变做了对比。Kew等对微尺度通道内沸腾换热机制进行了探索。他们认为微尺度通道内的流体沸腾换热机制与流体的流动机制密切相关。Kasza等对单泡、泡与泡间以及泡与汽弹间相互作用作出了有意义的发现:汽弹与壁面之间被一层平均厚0.67mm的液膜隔离,在这个液膜内发现了成核现象。研究结果表明,薄膜内核态沸腾行为在环状流流动条件下同样发生。Wu和Cheng对梯形截面平行硅微通道中水的流动沸腾,进行了可视化与压力、温度等动态参数测量的同步实验研究。借助于显微镜与高速摄影系统,他们观察到了一种特殊的流型,即液/两相/汽3种状态的交替流动。通过观察还发现,一旦流动沸腾确立,则微通道内会交替出现两相流和单相流动的情况,而这种周期性的波动受流道尺寸、热流密度和质量流量的影响。王冬琼等对微通道内流动沸腾进行了可视化研究,观察了流型转换特点,观察到了泡状流、弹状流和环状流3种流型。王喜世对微通道内气液两相流中气柱与通道壁之间液膜厚度进行了实验测量,利用基于光学干涉和快速傅里叶变换的空间频谱分析方法,测量获取了气柱在750μm通道内运动时其与通道壁面之间的液膜厚度。实验结果表明:表面活性剂对液膜厚度的影响比较明显,即当表面活性剂浓度在一定范围内增大时,液膜厚度会减小;此外,当气柱运动速度在一定范围内增大时,液膜厚度也会减小。宋静考察了400μm光滑通道内5种工质的两相流动特性,并给出了更为普遍化的流型图,同时也研究了液体性质(密度、黏度等)对微通道内两相流体流动的影响。结果表明:不同流体的摩擦压降都会随着表观气速和表观液速的增加而呈现上升的趋势,随着黏度的增长,总体压降也会出现上升趋势,并且黏度越大越容易出现环状流。颜晓虹采用可视化手段对530μm的微尺度石英管内两相流动的流型进行了拍摄,发现了几种流型的周期变化特征。齐守良等研究了微通道内液氮流动沸腾特性和压降特性,他们采用了均相模型进行了预测。李惊涛、杜运成利用微型电容层析成像方法,对微尺度两相流实现可视化研究。白博峰则根据压力波动过程对两相流的流型进行自动识别。Celata对内径为480μm的水平单圆管内流动沸腾特性进行了研究,工质是F72,采用高速相机对流型进行了拍摄,观察了稳定与非稳定流动特征,并获得了局部换热系数。Li对当量直径为56μm梯形微通道,采用高速CCD相机,发现在稳定流动工况下有3种可明显区分的两相流流型:泡状,波状和环状流。Kawahara的研究表明,泡状流和乳状流并没有出现,他的实验试件是100μm的圆管。而Triplett,Chen和Serizawa观察的结果有些类似,流型都呈成串的泡状流,即成串的几个或十几个汽泡中夹杂的液体流动。综上所述,工质的流动型态对微尺度传热有重要的影响,对流型变化的研究可以更加清楚地了解流动沸腾的传热机制。然而,目前国内外对微尺度单圆管中两相流型及转换特点研究还很少,本文用高速摄影仪拍摄了工质在水平玻璃微细单管中的不同工况下两相流动型态的全过程,考察了流型转换的特点,为微通道两相流型转化的机制研究提供了有用基础。1实验段流体干度测量和干度控制实验系统由2个独立的循环系统组成:制冷循环系统和实验工质循环系统,其示意图见图1。制冷循环系统主要由一台活塞式压缩机、冷凝器和盐水(载冷剂)箱及管道组成。其中冷凝器用来冷却载冷剂,盐水箱中存放的载冷剂是乙二醇溶液,溶液最低温度可达-20℃。实验工质循环系统由屏蔽泵、观察镜、流量计、预热段、可视段、实验段、冷凝器和储液筒及管道组成。实验时,实验工质(R32/R134a(25%/75%))由屏蔽泵压出,流经流量计,在预热段和实验段受热,产生蒸汽,再流经玻璃管可视段,然后进入冷凝器被冷却成液体,完成一个循环。系统中预热段用来加热实验工质,以控制进入实验段的实验工质的进口温度和干度。工质流量采用美国Rosemount公司生产的F025质量流量计进行测量,其精度为0.15级。实验中,温度、流量、压力和压差信号均用Agilent公司的34970A型数据采集器自动采集并送入计算机处理。其中,进出口温度采用φ0.2mm的铜–康铜热电偶测量,标定精度0.1℃。进口压力和试件压差采用Setra公司的压力变送器和差压变送器测量,精度均为0.15级。根据工质流量和在加热段的进口参数以及加热功量,再由热平衡关系计算出加热段出口干度,这也就是测试段内两相流体的平均干度。整个实验过程中,进口温度保持在2~6℃左右,进口压力维持在0.5~0.6MPa范围内。为观察并用高速摄影仪拍摄工质的两相流型和状态,在传热实验段的出口处安装了一个水平玻璃管可视段,其结构示意图如图2所示。本实验中石英玻璃管的内径是0.8mm,长80mm,具有一定的壁厚,能承受较高的压力。玻璃管端部套上橡胶密封圈,通过夹紧螺栓使得玻璃管和外接螺栓、法兰紧密接触。玻璃管两端与法兰用3支均布的双头螺栓固定。安装完成后,对可视段进行打压检漏,以保证可视段的严密性和可靠性。试验中采用的是德国PCO1200HS型高速摄影仪,像素为1280×1024,拍摄速度2000帧/s。2结果与讨论2.1“流型”的出现—低速区的流型变化过程在流速很低的条件下,用高速摄像仪可以较清楚地看到每个流型段的具体演变过程。本文选取了几个典型的时间段中流型的演变特点,时间区间是0~40ms,其后的时间段内,流型与其相似。从图3可看出,在流型演化的初期,流型主要是呈弹状流的型式。由图3(a)中看出,最初是一小段一小段上下厚度基本相等的液膜将中间的气体压成椭圆形的,在整个石英玻璃管内部比较均匀,液膜厚度基本也是均匀的,在微通道内形成相当有规律的弹状流。到下一时刻图3(b),从进口处观察到,前后两个小段的间距开始缩小,上下液膜层变厚向中间挤压,促使中间的气体层变薄变长,仔细观察发现这个阶段的液膜层被分成了3层,这可能是相互排挤的作用。到了图3(c)后,进口处的第一小段和第二小段已经碰撞,第一段的末端受到了前后之间的挤压力而向上拱起。下一时刻图3(d),进口处的前后段已经无缝隙地接上,只是在吻合处留下“人”字型的痕迹。紧接着到图3(e),前几个进来的小段几乎都接在一起了,至少是处于相互之间的磨合期,但是后进入小段的下层液膜的末端没有和前面的液膜连接上,而是向中间缩起。这是在图3(f)出现混乱的前兆,且该段的下层液膜离壁面的距离变长,使扰动加剧,也影响了此后一连串的周期性流型变化。此外,通过图3(e)到3(f),可观察到中间段的液膜变薄变长了,整个流道内的两相流体的流态便逐渐向环状流过渡。以上是在流速较低(小于2m/s)的情况下得到的一个演变成环状流的过程,从中可以较清晰地观察到每一个细节,以及液膜的不规则波动,甚至离开内壁面的情况。可以预料,正是这些现象,造成了壁面温度的不稳定性。在以上的流动状况下,流速稍有增大,流动型态很快就发生了变化,结果如图4。在图4中,可观察到,环流的尾部液膜渐渐变薄后冒出了一团雾,从此环状流便消失了。在这一瞬间留下了3种不同的状态:气状/雾状/环状。这也说明:在微通道内两相流动过程中,流型对工况改变的响应有着非常高的灵敏度,很难维持单一流型,且总是会同时出现几种流型。这也是微通道内两相流与常规通道的不同点之一,即工况的不稳定性更显著一些。2.2速度结构特征在质量流量较高、流速非常快时,借助高速摄像仪可较清晰地观察到其具体的流动状况。一个与低速区的流型的显著区别是,高速时工质流型比较单一。图5给出了在质量流量G=4200kg/(m2·s),质量干度x=0.01下,由高速摄像仪拍到在石英玻璃管内的流型图。从左到右看,首先全是气体,渐渐地出现丝絮状的,然后开始出现层流,液膜沿轴向厚度不一,上下波动,之后上下液膜向中间靠拢,融合在一起,过一段又分开,再合并分开,最后一段全是气体。整个过程是气状流/雾状流混合在一起不间断地一闪闪地流过。在干度低的情况下,出现气状流比雾状流的时间会更少些。在不改变泵转速的情况下,提高加热量使观察段工质的进口质量干度提高到0.24,此时质量流量下降到3200kg/(m2·s),说明阻力变大了,出现了如图6的流动情况。此时,可以发现雾状段变得更加模糊,和气状段的分界线也变得不清晰了,整体上呈现的是一团又一团的浓雾在向前流动。在实验的观察过程中,闪烁的频率变得很快。继续增大进口质量干度至0.77,质量流量急剧下滑,且波动幅度增大,平均质量流量为1050kg/(m2·s),出现流量不稳定现象,同时压力也呈现不稳定现象。如图7所示,雾状流段和气状流段相比变得更长。通过对上述图5—7中流型图的特征描述,可以得到以下的结论:在微通道流动中,当进口的质量干度较低,质量流速较高的条件下,出现了气状流/雾状流/环状流间歇状流动,靠近微通道壁面的液膜很不稳定地上下抖动,而上下层的液膜厚度几乎一样,说明重力对微通道内两相流动流型的影响较小。随着进口的质量干度增大,阻力提高,流速变化,雾状流段和气状流段变得更长。同一质量流量下,流型随干度变化的情况,如图8所示。只有在图8(a)中,即当x=0.01时,有较为明显的环状流,其他的图中都呈现出气状流/雾状流间歇流动。随着加热量的提高,也就是进口质量干度的提高,间歇流动的波动频率在增大。图9列出了质量流量为3200kg/(m2·s),进口质量干度分别为0.24和0.42的流型图。与质量流量等于5800kg/(m2·s)的流型图相比,流型基本一样,依然处于气状流/雾状流间隔流动的过程。通过图8和图9的分析比较可知:在同一质量流量下,流型和进口的质量干度变化关联度不大,除了少数情况下(如图8(a)中x=0.01时呈现环状流)外,大多数流型为气/雾状流。但有区别的是,实验中可以观察到,进口干度增大时,气状流/雾状流的间隔频率增大了,即闪动的速度变快。为了再进一步研究微尺度通道内流动型态的变化特性。对同一进口干度,不同质量流量的工况进行了实验,得到的结果如图10所示。质量干度为0.18,质量流量分别为3200kg/(m2·s)和6400kg/(m2·s)。通过对实验的观察和结果的分析对比,流动形式仍然处于气状流/雾状流相间隔流动。说明了在此工况下,质量流量的大小对于工质在微尺度管道的流型几乎没有影响。3高速情况下的工质特性本文对