微通道流动沸腾过程中异态相干沸腾的强化传热研究

随着电子器件的集成化和小型化,其散热量超过10 MW/m~2将成为现实,这超出了目前大功率系统中使用的单相冷却方案的上限,所以必须再次开发新的冷却方案.克服单相传热局限性的一种方法是转变为两相沸腾传热,而临界热流密度又是所有沸腾传热的上限值.因此,为了提高微通道内流动沸腾传热的临界热流密度,本文设计开发了非均匀导热性传热板.通过将两种不同导热性能的材料(铜和聚四氟乙烯)交替布置在靠近传热表面的传热板内,实现了传热表面的非均匀温度分布和异态相干沸腾模式(核态沸腾与膜态沸腾共存且相互干涉的状态).同时搭建了微通道流动沸腾实验系统,其微通道截面尺寸为1.84 mm×70.00 mm,通道长度为280.0 mm,传热板表面尺寸为10.0 mm×10.0 mm,流体工质为去离子水.在不同入口流速v=0.1 m/s、0.2 m/s、0.4 m/s和不同过冷度DT_(sub)=10.0 K、20.0 K、30.0 K条件下,研究了非均匀导热性传热板在微通道流动沸腾中的传热强化效果.结果表明,相对于单纯的核态沸腾状态,异态相干沸腾状态能够有效地提升流动沸腾传热的临界热流密度.此外,改变入口流速和过冷度对临界热流密度有明显影响且趋势相同,减小入口流速和过冷度都会增大临界热流密度的提升比例.在本文的实验条件范围内,在水的流速v=0.1 m/s、过冷度DT_(sub)=10.0 K的条件下,实现了最高约43.4%的临界热流密度提升比例.     

高热流密度下高度对微小间隙通道内流动沸腾特性的影响

实验研究了常压去离子水在不同高度的微小间隙通道内的流动沸腾特性．实验热流密度为0～206 W/cm²，质流密度为200～400 kg/(m²·s)，间隙为1 mm和2 mm．结果显示，随着实验条件的变化，通道内出现了泡状流、清扫流、搅拌流，且在清扫流早期观察到不稳定流动现象．此外，间隙高度降低促进了流型的过渡，加快了不稳定流动的进程．1 mm通道内核态沸腾起始点的热流密度低于2 mm通道，表明间隙高度的降低更有利于气泡在低热流密度下成核；1 mm通道的过冷沸腾传热系数最高为2 mm通道的1.7倍，2 mm通道内饱和沸腾传热系数略高于1 mm通道．表明低热流密度下过冷沸腾时小通道具有更好的传热性能，高热流密度下饱和沸腾时大通道的传热稍具优势，同时表明间隙高度造成的传热差异随热流密度增大先增大后变小；1 mm通道内临界热流密度为2 mm通道的83%，表明间隙高度的降低会使得临界热流密度降低．     

微通道中临界热流密度的实验研究

对当量直径0.5 mm,有效加热长度45.0 mm的微通道进行了临界热流密度的实验研究.表明临界热流密度随工质质量流速和进口过冷度的增加而增加.基于实验数据给出了临界热流密度与Weber数、进口过冷度的关联式.实验还发现微通道中的临界热流密度现象不同于常规通道.微通道中临界热流密度的产生是由于微通道的蒸汽阻塞.在达到临界热流密度之前,微通道的流动和传热主要是周期性的过冷流动沸腾,从微通道逸出的汽泡和进入微通道的液体反复交替冲刷微通道.一旦达到临界热流密度,微通道中的流动和传热主要是一个蒸汽周期性逸出的过程.一直持续到过热蒸汽的出现,直到最后整个微通道被过热蒸汽阻塞.     

微细通道内表面活性剂对Al2O3/R141b流动沸腾传热的影响

为了探究微细通道内表面活性剂对纳米流体制冷剂Al_2O_3/R141b流动沸腾传热的影响,采用二步法制备了添加0.2%(质量分数,余同)SDBS、0.3%SDBS、0.3%CTAB、0.4%CTAB、0.1%Span80、0.2%Span80的改性纳米流体制冷剂与0.1%Al_2O_3/R141b纯纳米流体制冷剂共7种实验工质.设计系统压力为170 kPa、热流密度为9.4～33.5 kW/m~2、质量流率为219.9～439.8 kg/(m~2·s),在高、宽分别为2.0、1.0 mm的矩形截面微细通道内进行流动沸腾传热实验.研究结果表明:表面活性剂对纳米流体制冷剂饱和沸腾区的流动沸腾传热系数影响十分显著;在选用的热流密度及质量流率范围内,采用前述6种添加了表面活性剂的纳米流体制冷剂时,饱和沸腾区平均传热系数较采用纯纳米流体制冷剂时分别提升27.7%、17.9%、13.8%、8.9%、7.9%、5.3%;表面活性剂强化因子SEF随质量流率的变化规律不明显,在同一质量流率下SEF随着热流密度的增大而减小,其中阴离子型表面活性剂SDBS对纳米流体流动沸腾传热的效果最好,阳离子型表面活性剂CTAB次之,非离子型表面活性剂Span80最差.     

微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降特性研究

为探究微柱群通道流动沸腾两相摩擦压降的影响因素,对高度和直径均为500 mm的微圆柱组成的叉排微柱群通道进行了实验研究,并借助高速摄像仪对通道内不同加热功率的气液两相流型进行了记录分析。实验中质量流速范围341~598.3 kg·m~(-2)·s~(-1),热流密度范围20~160 W·cm~(-2),工质出口干度范围0~0.2。实验结果表明,两相摩擦压降随着质量流速的增大而增大,随着热流密度的增大呈线性增长;工质进口过冷度对两相摩擦的影响随着出口干度的升高逐渐减弱。通过可视化研究发现,随着热流密度的增大,微通道内流动沸腾的流型变化依次为泡状流、环状流,环状流区两相摩擦压降明显高于泡状流区。     

R410A在5 mm管内的沸腾换热及压降特性

为了研究制冷剂R410A在5 mm内螺纹铜管内的沸腾换热及压降特性,以磁驱泵提供循环动力、均匀缠绕在测试段上的电加热丝提供热量以及冷水机组提供循环冷量的方式搭建了测试实验台,并对R410A在5 mm内螺纹管内的流动沸腾换热系数及压降进行了测试.分析讨论了不同蒸发温度下,制冷剂质量流量密度和管壁热流密度对管内制冷剂流动沸腾换热系数以及压降特性的影响.研究结果表明:5mm内螺纹管内R410A的流动沸腾换热系数分别在质量流量密度位于191.28和344.3kg/(m2·s)处达到峰值;其流动沸腾换热系数随着管壁热流密度增大最初呈现增大的趋势,在热流密度30 kW/m2后逐渐平稳;而R410A在5 mm内螺纹管内的压降均随质量流量密度和管壁热流密度的增大而增大,其中压降和管壁热流密度的关系呈较为明显的线性变化.     

Ω型凹槽微通道内的汽泡行为及流动沸腾特性

针对Ω型凹槽微通道内流动沸腾,运用VOF(volume of fluid)模型和用户自定义函数,对微通道内发生的一系列汽泡行为进行了数值模拟.结合Ω型凹槽微通道内汽泡成核生长、聚并、脱离的动态演变过程,分析Ω型凹槽微通道流动沸腾换热的特点.结果表明:与平直微通道相比,Ω型凹槽微通道内的汽泡行为较为不同,汽泡脱离周期缩短,主流区温度降低,汽泡与受热壁面之间存在液体薄层,有助于提升流动沸腾换热的稳定性、可靠性;不同的凹槽结构(凹槽深度H、凹腔直径D)强化传热效果不同;H=50μm,D=80μm的Ω型凹槽微通道,其换热系数最高;H=30μm,D=50μm的凹槽微通道则对应最低的换热系数;凹腔直径对微通道内的压降影响较为明显,较大的凹腔直径对应较高的压力损失.     

表面张力对矩形微通道汽液两相流动换热的影响

为探究表面张力对微通道内水溶液流动沸腾的影响,针对0.2 mm×20.0 mm的矩形微通道,底面恒热流(q=200 k W·m-2)加热的工况进行数值模拟.采取VOF多相流模型和用户自定义函数建模,应用几何重构的方法追踪汽液两相界面迁移的变化.通过计算得到表面张力σ分别为0.035,0.045,0.059 N·m-1(纯水)时,微通道内水溶液流动沸腾过程中汽泡沿流动方向的成长、聚并等演变行为和相应的汽液两相流的流型发展状况(泡状流、弹状流和拉伸汽泡流).结果表明:与σ=0.059 N·m-1相比,σ=0.035 N·m-1时,单个汽泡尺寸减小约1/2,流型转变滞后,且通道进出口压降Δp波动幅度减小约2.1 k Pa,加热壁面温度超过400 K的区域减少3/4,最高过热温度从1 600 K降到1 000 K;不同的表面张力,微通道内流动方向上的汽泡演变过程有所差别,但均会依次出现泡状流、弹状流和拉伸汽泡流的流型变化规律;减小表面张力,有助于提高汽液两相流的流动稳定性,进而保证微通道内相变换热的可靠性.     

液氮在狭缝通道内受迫流动沸腾换热的实验研究

对液氮在0．5－1．5mm狭缝通道内受迫流动沸腾换热的情况进行了研究,实验结果表明：液氮在弦月形猴缝通道中的受迫流动沸腾换热系数是传统大直径光管池沸腾的3－5倍,与热虹吸狭缝通道内沸腾传热相比,当热流密度高于10kW/m2时,受迫流动沸腾在换热温差和换热系数两方面有明显优势,液氮受迫流动沸腾换热系数随质量流速的增加而增加,随热流密度增加的趋势更为显著,狭缝间隙尺寸减少,换热效果增强,弦月形通道与环缝通道相比,在相同的条件下,弦月形通道显示更好的换热效果。     

R410A-油混合物在7 mm水平直光管内流动沸腾的换热特性Ⅰ.实验研究

实验研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直光管内的流动沸腾换热特性.实验测试管长度2 m、外径7 mm.实验工况的蒸发温度为5°C,质量流率为200~400 kg/(m2.s),热流密度为7.56~15.1 kW/m2,入口干度x=0.2~0.7,干度变化为0.2,油的平均质量分数wno=0~5%.实验结果表明,R410A-油混合物管内流动沸腾的换热系数随质量流率的增大而增大;在x<0.7的工况下,油的存在总是增大换热,当wno从0增长到5%时,换热系数最大可增加61%.在x=0.8的高干度情况下,换热系数在wno=1%时达到最大值,然后随着wno的增大换热系数逐渐降低.     

截面形状对微通道流动沸腾影响的数值研究

针对换流阀元件在工作时需要高效冷却的要求,采用全氟己烷类液体为工质的微通道相变冷却代替传统水冷系统,并对其在圆形、方形、三角形和梯形4种截面形状微通道内的流动沸腾特性进行了数值模拟,质量流量范围为0.000 1～0.002 kg/s,热流密度范围为50～500 kW/m~2。数值分析结果表明:通道内的锐角边会限制气泡的生长,加速气泡的融合、破碎;局部换热系数沿流动方向逐渐增大,相同当量直径下三角形通道局部换热系数最大,圆形次之,梯形最小;随着热流密度与质量流量增大,4种通道的平均换热系数均增大,当质量流量增大19倍时,换热系数增大0.11～0.32倍,压降增大5.62～8.98倍;当热流密度增大9倍时,换热系数增大0.16～0.20倍,压降增大1.08～1.53倍;三角形通道的性能因子最大,综合换热性能最佳。该研究可为换流阀微通道相变冷却系统的设计提供理论依据。     

微肋阵通道沸腾起始点实验研究

以去离子水为工质,在质量流速G=292.8~412.2 kg/(m²·s),入口温度T_in=50.6~81.5 °C,热流密度q"=10.1~87.1 W/cm²的条件下,对圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道内沸腾起始点特性进行了实验研究。对微肋阵通道内单相对流传热和两相沸腾传热过程的分析结果表明,壁温和压降曲线的变化趋势均可作为沸腾起始点的判定依据。通过分析各实验参数对沸腾起始点热流密度的影响趋势,发现微肋阵通道内沸腾起始点热流密度随质量流速的增大而增大,但是随着入口温度的增大而减小;在相同工况条件下,圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道沸腾起始点热流密度依次减小。     

R134a在螺旋管内的流动沸腾传热

制冷剂R134a作为CFCs类工质的替代物已经投入商业应用,螺旋管具有传热效率高、结构紧凑等优点,在各种工业领域中被广泛使用,研究R134a在螺旋管内的流动沸腾传热性能对制冷系统中新型蒸发器的设计具有重要意义。实验测量了R134a在管内径10mm,螺旋直径180mm,螺纹节距50mm的紫铜螺旋管内的流动沸腾传热系数。实验段外缠电阻丝加热,热流密度q=3-21.2kW/m^2,质量流量G＝150－420kg/(m^2.s)。实验表明,由于二次流的存在,螺旋管对流动沸腾传热具有一定的强化作用,而且在低干度区的强化效果比高干度区更好。     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。     

芯片表面微翅片强化FC-72流动沸腾传热

为采用高效传热技术来提高芯片的冷却效率 ,保证芯片的正常工作 ,研究了不带电介质FC 72在微翅片尺寸 (厚度×翅片高 )分别为 5 0μm× 190μm ,5 0μm× 2 5 0μm ,10 0μm× 15 0μm和 10 0μm× 30 0μm的 4种强化面芯片表面的流动与沸腾传热性能 ,探讨了FC 72过冷度对沸腾传热的影响 ,并与光滑面芯片的沸腾传热性能进行了对比 .实验结果表明 ,随着FC 72过冷度的增大 ,所有实验芯片的临界热流密度增大 .强化面芯片的临界热流密度所对应的壁温低于 85℃ ,而光滑面芯片的临界热流密度所对应的壁温高于85℃ .在相同过冷度下 ,强化面芯片的最大热流密度是光滑面芯片的 7～ 9倍 ,表明微翅片结构能显著地强化不带电介质FC 72的沸腾传热     

水平管内工质R152a的流动沸腾传热特性研究

采用直流电源加热不锈钢管的方式,设置热流密度为31～73 kW/m²,质量流速为248～460 kg/(m²·s),研究工质R152a于高蒸发温度为60～80℃时在水平管内的流动沸腾传热特性,并将实验结果与文献报道的3个传热关联式的预测值进行比较。结果表明：工质R152a的流动沸腾传热系数随着蒸发温度的升高而减小,随着干度的变化呈现先减小后增大再减小的趋势,质量流速的变化对流动沸腾传热系数的影响较小;3个传热关联式的预测值与实验值的平均绝对偏差均偏大。     

梯形微通道气液分相强化换热实验研究

针对微通道换热器强化沸腾换热,提出分段式梯形换热结构,该结构可实现气泡在表面张力驱动下间断性流向通道两侧,保持中间加热区为液体,实现气液分相流动,进而强化沸腾换热性能。采用无水乙醇为工质,实验研究直肋和梯形结构铜基表面在热流密度为160~320 kW/m²和工质流量为0.4~2.0 g/s时壁温、换热系数等参数变化规律。结果表明：在饱和沸腾区,梯形分相结构可有效实现气液分离,进而降低壁面温度,大幅提高换热系数;如在25 mm位置处,5段结构换热系数比平行结构换热系数提高了60.4%;在单相加热区,换热面积为主要影响因素,直肋结构换热系数略大,但换热系数比饱和沸腾时小一个数量级。平均换热系数分析得到5段结构微通道比平行结构微通道提高了53.8%,可见分段式结构可实现气液分相流动,有效提高沸腾换热的平均换热系数,增强整体换热能力。     

矩形双通道饱和沸腾传热特性试验研究

针对船舰核反应堆内板式燃料狭窄通道间高温高压条件下沸腾传热问题,通过试验的方法对并联窄矩形通道内去离子水上升流动沸腾传热和流量分配规律展开了研究。设计了板式燃料电加热模拟体,制作了适用于高参数下的并联矩形窄缝通道流通结构,解决了高温高压下试验段密封、绝缘和热膨胀等问题。试验段本体为宽高比39.4的并联矩形通道,试验工况为入口压力2.1～10 MPa、入口温度80～299℃、质量流速1 000～1 500 kg/(m~2·s)、热流密度100～300 kW/m~2。结果表明:2毫米级窄缝矩形通道内单相传热特性与常规圆形通道内传热规律无明显差异;通道内工质沸腾后,热流密度成为沸腾传热主导因素,质量流速对换热特性影响减弱;从壁温、质量流速、热流密度和压力分析双通道传热特性差异,发现相同工况条件下双通道相同位置传热系数偏差不超过±7%,从传热角度看两个并联矩形通道流量分配趋于均匀;将试验数据与5个现存沸腾传热关联式进行了对比,并以Kim公式为基础对关联式进行了改进,拟合得到一个新关联式,改进后的关联式与试验数据吻合良好,分别有77.1%、96.4%的预测值与试验值偏差在±10%、±20%范围内。     

环状狭缝通道流动沸腾压降的实验研究

以蒸馏水为工质 ,对压力范围 2 .0～ 3.5MPa ,质量流量 5～ 18kg/h ,热流密度 0～ 2 10kW /m2 ,间隙为1～ 2mm的环状狭缝通道中的流动沸腾进行了实验研究 .分析了影响流动总压降的诸因素 ,如进口压力、进口水温和质量流量等 .模拟出了计算摩擦压降的经验关系式 ,试验数据与计算结果误差约± 15 % ,此关系式可以用来预测该实验范围内的摩擦压降     

狭缝流动沸腾强化传热机理的探讨

假定总热流密度来自对流和汽泡潜热两种成份的叠加,从理论上分析了狭缝通道中流动沸腾传热的机理,揭示了沸腾换热系数与通道尺寸之间的关系,从而证明了狭缝通道能强化传热,并以间隙为1mm和1．5mm的环形狭缝通道中流动沸腾传热的实验数据进行了检验。