脉冲式喷雾冷却传热性能实验研究.pdf
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1、2023 年第 3 期总第 253 期低温工程CRYOGENICSNo.3 2023SumNo.253脉冲式喷雾冷却传热性能实验研究黄龙王雨娇(江苏海事职业技术学院轮机电气与智能工程学院南京 210016)摘要:搭建了以水为工质的喷雾冷却系统,通过变频器调整工质喷雾周期和占空比,获取其传热性能变化规律,研究结果表明:当加热功率小于 1 000 W 时脉冲喷雾冷却系统存在最佳喷雾周期,当加热功率增至 1 200 W 喷雾冷却传热系数始终低于连续喷雾;随着加热功率增加不同占空比均对应最优工况,当占空比为 0.5,加热功率 1 000 W 时,表面传热系数为 4.02 W/(cm2),比连续喷雾时增
2、大了 80.1%;随着占空比的减小,槽道表面传热系数呈现先增大后减小的趋势,而光滑表面呈现增大趋势;采用脉冲式喷雾时不仅可以缩短达到热平衡的时间而且工质量也有大幅度的减少,当喷雾流量为 0.45 L/min,达到热平衡时占空比 0.4 工况比连续喷雾节省了 80.9%的工质。关键词:脉冲喷雾占空比喷雾周期中图分类号:TB657,TB663文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)03-0044-07收稿日期:2023-03-30;修订日期:2023-05-28基金项目:江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究面上项目(22KJD580001)、江苏海事职业技术学院科创基金项目。作者简
3、介:黄龙,男,37 岁,博士、讲师。Experimental study on heat transfer performanceof pulsed spray coolingHuang LongWang Yujiao(Marine Electrical and Intelligent Engineering Institute,Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 210016,China)Abstract:A spray cooling system with water as the working medium was built,and the spr
4、ayperiod and duty ratio of working medium were adjusted by a frequency converter to obtain thechange law of its heat transfer performance.The results show that when the heating power is lessthan 1 000 W,the pulse spray cooling system has an optimal spray period,and when the heatingpower is increased
5、 to 1 200 W,the heat transfer coefficient of spray cooling is always lower thanthat of continuous spray cooling.When the duty cycle is 0.5 and the heating power is 1 000 W,the surface heat transfer coefficient is 4.02 W/(cm2),which is 80.1%higher than that ofcontinuous spraying.As the duty cycle dec
6、reases,the heat transfer coefficient of the channel sur-face shows a trend of first increasing and then decreasing,while the heat transfer coefficient of thesmooth surface shows an increasing trend;When pulse spraying is used,not only the time toreach thermal balance can be shortened,but also the wo
7、rk quality can be greatly reduced.Whenthe spray flow rate is 0.45 L/min and the thermal balance is reached 80.9%of working mediumis saved in the working condition corresponding to the duty ratio of 0.4 compared with the contin-uous spray.Key words:pulse spray;duty cycle;spray cycle第 3 期脉冲式喷雾冷却传热性能实验
8、研究1引言电子元件趋于微型化,大型的换热设备有极大的局限性,脉冲式喷雾冷却作为一种高效微型化的传热技术成为该领域最具有潜能的冷却方法之一1-2。脉冲式喷雾冷却是一个特定频率停止喷射和一个特定频率喷射的过程3,考虑到脉冲喷雾可以充分发挥工质气化潜热的能力,不仅可以使喷雾传热提早进入两相区换热,而且可以节省工质的用量来达到更好的传热效果4-6,因此该技术在设备整装及负荷要求较小的场合有较大的利用价值,在机载环境或者舰载大功率元器件的散热方面具有优势。国内外学者对于该技术已经开展了研究。祝唐豪,刘妮等7研究了倾斜角度及表面活性剂对脉冲式喷雾冷却的影响,结果表明倾斜角度为 18时与垂直喷射相比表面平均
9、温度下降了 3.64,传热系数提高了 26.1%,但是温度分布不均匀;辛慧、陈斌等8以脉冲喷雾过程中涉及的传热特性参数为研究对象,搭建了喷雾冷却实验台,完成相关的实验,结果表明在长脉冲下,喷雾压力越大传热能力越强,但是短脉冲下,喷雾压力的影响较小;长短脉冲下对于的最佳喷雾距离分别是 6 cm 和 4 cm;杜康9主要关注的是低压环境对脉冲喷雾冷却的影响,研究中发现在低压和不同的热流密度下,表面传热系数总有一定的增加,最佳喷射周期随之减小,同时也都有最佳的占空比与之对应,最佳占空比随着热流密度的增加而增大;吉鑫,崔银伟10在其研究中发现脉冲喷雾每一个压力对应一种最优工况。通过分析上述的研究成果发
10、现目前的研究主要集中在倾斜角度、喷雾压力及低压环境下对脉冲喷雾的影响,在此基础上本研究将继续开展关于喷雾流量、占空比、喷雾周期等对脉冲式喷雾冷却的影响,希望从机理上更加清楚脉冲式喷雾的强化换热的原因。2脉冲式喷雾冷却实验系统及实验方法2.1脉冲式喷雾冷却实验台脉冲喷雾冷却系统原理及实物图如图 1 所示,包括储液罐、高压水泵、变频器、流量计、模拟热源和数据采集系统。图 1脉冲式喷雾冷却实验装置1.储液罐;2.微型高压泵;3 脉冲调节器;4.工质净化器;5.涡轮流量计;6.密闭喷雾腔;7.加热功率调节器;8.真空泵。Fig.1Pulsed spray cooling experimental de
11、vice本次实验选取紫铜材质铜柱为待冷却件,考虑需对不同结构表面进行冷却,因此采用分体式结构即上部为铜柱,下部为方形紫铜块,两者通过压板采用螺栓紧固,如图 2 所示。实验以水为介质,为了研究单相区和两相区的传热规律,模拟热源保证散热表面水温超过 100 ,需要至少 1 000 W 以上的热功率,在底部布置 6 根极限热功率为 300 W 的加热铜棒,可以保证热源功率从0 W变化为 1 800 W。本次实验主要是对热表面进行散热,因此需要保证底部的热量仅沿着铜柱轴线向上传递,为了满足该要求需要在热源周围填充传热系数仅为 0.05 W/(cm2)的纤维棉进行填充,且在上端采用氟橡胶板进行密封封装,
12、仅露出散热表面,如图 3 所示。本次实验将选取 2 种散热表面为研究对象,实物图如图 4 所示,参数如表 1 所示。54低温工程2023 年图 2模拟热源实物图Fig.2Physical diagram of simulated heat source图 3模拟热源封装图Fig.3Package diagram of simulation heat source图 4待冷却表面示意图及实物图Fig.4Schematic diagram and physicaldiagram of to be cooled surfaces2.2脉冲式喷雾冷却实验过程(1)检查整个试验台密封性能,通过氮气打压利
13、用压力表检测喷雾腔的密封性以及观察管路连接处的保温性;表 1待冷却表面参数Table 1Parameters for to be cooled surfaces表面序号槽顶宽度a/mm槽底宽度L/mm槽道高度h/mm10002220.2(2)将喷雾系统、热源模拟系统、监测系统开启,测试运行情况;(3)开启热源加热器设定加热功率,调节流量调节阀至设定流量;(4)开启脉冲压力泵设定喷雾周期;(5)重复步骤 14 完成加热功率、喷雾流量及喷雾周期对传热性能的影响。2.3脉冲式喷雾冷却实验数据处理本次实验为了得到散热表面的传热系数做了保温绝热处理,理论上可以满足热量只沿着模拟热源轴向传递。为了验证是否
14、符合一维导热特性,首先利用FLUENT 软件对热源上端的温度分布梯度进行仿真验证。仿真计算时设定加热量为 1 000 W,铜块外壁设置导热系数为 0.031 W/(mK),经过仿真后热源沿着轴向的温度分布情况如图 5 所示。图 5热源温度值分布Fig.5Temperature distribution of heat source从图 5 可知加热块温度梯度线性良好,热源沿着颈部轴向符合一维稳态导热规律;因此可以在其颈部从下至上布置温度传感器采集的温度数据利用一维导热计算公式拟合间接得到热表面温度。此时的表面热流密度可通过式(1)11得出:q=-T(y)y(1)64第 3 期脉冲式喷雾冷却传热
15、性能实验研究式中:q 为热流密度,W/cm2;为紫铜导热系数,W/(cm );T(y)y由 t1t4拟合得出,t1t4为自上而下布置的 4 组测点温度;测点之间距离为 8,分别距离热表面为 17、25、33、41 mm,如图 6 所示。图 6温度测点布置(mm)Fig.6Temperature measuring point arrangement(mm)表征喷雾冷却换热性能的另外一个重要参数是热沉表面传热系数 K:Q=KAT=KA(Tw-Tin)(2)K=QA(Tw-Tin)=q(Tw-Tin)(3)式中:Tin为喷嘴入口温度;Tw为热表面温度;A 为微槽道表面面积,cm2。3实验结果及分析
16、3.1不同喷雾周期对喷雾冷却的影响若调整喷射周期,影响到的不止是喷雾时间,而且停喷时间也会改变,因此会影响传热性能;因此,实验过程中调整脉冲频率,改变喷雾周期分别为 100 s、300 s、500 s、700 s、900 s,给 定 加 热 功 率 分 别 为500 W、800 W 和 1 000 W,每种工况下当达到热平衡时拟合获得表面传热系数及表面温度,图 7 和图 8 分别为传热系数和表面温度分布的变化规律。从图 7 中看出当加热功率为 500 W 时最佳喷雾周期为 500 s,此时对应的传热系数为 3.1 W/(cm2),当加热功率为 800 W 时,最佳喷雾周期为 300 s,较50
17、0 W 时相比达到最佳喷雾状态对应的周期缩短,当加热功率为 1 200 W 时表面传热系数的变化随着脉冲周期的增大而逐渐减小;产生这种现象的原因在于:在低加热功率下,对于周期较小的脉冲喷雾,每个周期内喷雾的工质量较小,在换热表面形成的液膜比图 7不同喷雾周期表面传热系数变化规律Fig.7Surface heat transfer coefficient variationfor different spray periods图 8不同喷雾周期下表面温度变化规律Fig.8Surface temperature variation fordifferent spray periods较薄,气泡生长
18、的半径减小,更易逃逸,在停喷的阶段,液滴在表面充分铺展,并且没有冲击力迫使其迅速流走,因此液膜厚度变小,热量传递阻力降低,同时气泡从生成到液膜表面距离缩短,更加有利于气泡破裂,形成蒸汽带走大量的热量,相对应的使得液膜内扰动剧烈,湍动能增强,更有利于蒸汽凝结,减少雾滴与蒸汽之间的传热,使得传热系数升高。但是当加热功率增加至 1 200 W 时,由于表面热流较大,停喷期液膜沸腾蒸发加快,因此可以看到当喷雾周期加大时传热系数逐渐降低,而较小的喷射周期可以防止热表面干涸。为了验证该种分析的准确性,选取加热功率为500 W 时散热表面温度的分布随喷雾周期的变化规74低温工程2023 年律如图 8 所示,
19、从图中看出喷雾周期为 500 s 散热表面温度均匀性较好,而喷雾周期为 900 s 时温度均匀性最差,说明此时部分区域由于确实液滴出现干涸导致热量积聚说明喷雾冷却具有最佳喷雾周期。3.2占空比对喷雾冷却传热性能的影响占空比表示喷雾过程中喷雾时间占一个周期的百分比;为了研究相同喷雾周期占空比对于传热的影响,设定喷雾流量为 0.35 L/min、加热功率分别为800 W 和 1 000 W,调整喷雾周期为 400 s,改变喷雾频率,设定占空比为 0.1、0.2、0.25、0.5、0.75,当每一工况达到热平衡时,拟合获得表面温度分布及表面传热系数如图 9图 10 所示。图 9不同占空比下传热系数变
20、化规律Fig.9Heat transfer coefficient variationfor different duty ratio图 10不同占空比下表面温度变化规律Fig.10Surface temperature variationfor different duty ratio从图 9 中看出当喷雾周期为 400 ms 保持不变,对于加热功率为 800 W 和 1 200 W 时随着占空比的增加,表面传热系数先增大后减小,均存在最有占空比,当加热功率为 800 W 时,占空比为时表面传热系数最大达到 3.01 W/(cm2)比连续喷雾时传热系数增加了 19.9%;当加热功率为 1 2
21、00 W 时,占空比为 0.5 时,表 面 传 热 系 数 达 到 最 大 为 4.02 W/(cm2),比连续喷雾时增大了 80.1%;从图 10 看出当占空比为 0.1 时表面温度分布均匀性较差,距离中间位置 0.5 cm 处温度超过 100 ,说明此时散热面部分区域液滴完全蒸发,而后续缺少新液滴的补充,导致热量积聚无法排出,而随着占空比为 0.25 时发现表面温度呈现出中间温度低外围温度高的趋势,且均匀性较好。分析原因如下:当占空比较小时,喷射至散热表面的工质可以更好的铺展开,减小了液膜的厚度,同时在停歇阶段,可以充分发挥其相变吸热的能力,增加了潜热的作用,随着占空比的增大此时强化效果进
22、一步增强,但是当继续增加时由于停歇时间较短,与连续喷雾时传热基本相同,因此传热能力有些回落;当加热功率较大时,由于喷雾时间较小导致液滴在表面铺展不充分且出现部分区域传热恶化,因此可以发现当占空比为 0.1 时,传热系数比加热功率为 800 W时要低,当占空比增大时,传热效果得到极大提升,但是当达到最佳占空比后传热效果开始减弱。通过分析发现,脉冲喷雾最佳状态是在一个周期内喷雾时,雾化液滴刚好铺展整个散热表面,此时进入沸腾换热阶段,大量的气泡生成破裂并且二次成核,从边缘向中心呈现出干涸现象,进入下个喷雾周期。3.3槽道表面与光滑表面间歇喷雾传热能力分析散热表面结构改变一方面可以增大传热面积,另外一
23、方面影响液滴在表面的分布情况,因此连续喷雾中强化换热的其中一种方法就是改变散热面结构,但是对于脉冲喷雾是否依然可以采用该种方法需要进一步的研究,因此本实验选取槽道表面和光滑表面作为分析的对象,设定占空比为 0.5、喷雾周期为400 s,加热功率分别为 500 W 和 1 200 W,喷雾流量为 0.45L/min,通过拟合获得表面传热系数和表面温度的分布情况如图 11 所示。从图 11 中看出无论是槽道表面和光滑表面随着占空比的增加传热系数均是先增大后减小,当占空比为0.3 时,光滑表面最大传热系数为 3.2 W/(cm2),当占空比为 0.7 时,槽道表面最大传热系数为 3.62W/(cm2
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