開式霧化噴射冷卻技術的應用研究

唐小偉

（蘭州物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

霧化噴射冷卻技術是一種高效快速的強制冷卻手段。長期以來，霧化噴射冷卻技術在工業(yè)上的應用主要集中在動力、化工、冶金等各個方面，并且取得了顯著的經濟效益。工業(yè)上霧化噴射冷卻應用較早的是高爐降溫，它利用霧化水射流對爐體進行降溫，這種技術同以往的各種冷卻手段相比，具有更好的制冷效果和經濟性（如圖1所示）。

圖1 霧化噴射冷卻示意圖

圖2 不同換熱方式的換熱系數

2 霧化噴射冷卻機理分析

霧化噴射冷卻技術是將制冷工質通過霧化噴射組件霧化為微小液滴群后噴射到待冷卻物體的表面上，以強制對流及沸騰方式實現的冷卻。它具有冷卻效率高（如圖2所示）、冷卻溫度均勻、對被冷卻面形狀無任何要求等優(yōu)點。由于制冷工質與被冷卻面直接接觸，因此霧化噴射冷卻技術不僅具有冷卻效率高和溫度梯度小的潛在優(yōu)勢，而且沒有接觸熱阻。已有的研究表明，霧化噴射冷卻效果受霧化特性、噴嘴與被冷卻面之間距離、制冷劑質量流量、制冷工質熱物性參數等多種因素影響。

霧化噴射冷卻是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，這是一個非常復雜的物理過程，其換熱機理十分復雜，眾多影響因素相互牽連，給實驗研究帶來了很大困難。霧化噴射組件是整個霧化噴射冷卻系統的核心部件，制冷工質經霧化噴射組件完成部分節(jié)流循環(huán)，霧化后經噴嘴高速噴出，同周圍環(huán)境充分熱交換吸收大量的熱量，達到降低環(huán)境溫度的目的。

霧化噴射冷卻技術從機理上分析是強制對流和核態(tài)沸騰換熱的綜合體，制冷工質與被冷卻面及環(huán)境之間的換熱不僅僅是壁面問題，同時也是空間問題。由于其影響因素眾多，因此很難建立起準確的物理模型，但這并不影響霧化噴射冷卻技術的廣泛應用，霧化噴射冷卻技術的實際應用早于其理論研究。在現實生活和工業(yè)生產中，霧化噴射冷卻技術已經得到了很好的應用，它是一種新興的、廉價的快速制冷方式，采用霧化噴射冷卻技術不僅可以達到快速制冷的目的而且具有較好的經濟性。

3 開式霧化噴射冷卻系統方案

圖3 開式霧化噴射冷卻系統方案示意圖

開式霧化噴射冷卻系統由制冷劑貯瓶、閥門組件、節(jié)流組件、霧化噴射組件4個基本單元組成（見圖3），各個單元的功能如下：

1）制冷劑貯瓶用于存儲帶壓制冷劑。

2）閥門組件分為2個功能單元：制冷劑充罐控制與制冷劑流動控制。對制冷劑充灌控制可以采用單向閥或截止閥；對制冷劑流動控制可以采用電磁閥或電爆閥。

3）霧化噴射組件的作用是使節(jié)流膨脹后的制冷劑充分霧化，產生制冷效果。

開式霧化噴射冷卻系統進行制冷工作后對制冷劑不進行回收循環(huán)再利用，因此其制冷時間取決于制冷劑攜帶量。開式霧化噴射冷卻技術適用于短期內工作的高熱流密度設備的熱防護。

4 開式霧化噴射冷卻系統制冷工質分析

霧化噴射冷卻系統中制冷工質的選擇要根據實際應用場合，對于電子設備的冷卻，要求制冷工質不導電、無毒、化學性能穩(wěn)定、單位質量制冷量盡可能大、對內部材料無腐蝕并適合長期貯存。對于有電磁波透射要求（譬如高功率小口徑雷達天線）的高熱流密度設備進行冷卻時，要求制冷劑對電磁波不能吸收。對于非電子設備的冷卻，對制冷工質導電性能不做要求，但要求其無毒、化學性能穩(wěn)定、單位質量制冷量盡可能大。

制冷工質的選擇要綜合考慮各個因素。汽化潛熱的大小固然重要，但由于使用在特定環(huán)境下，因此也要滿足一些特定的要求，例如標準沸點，溶點，飽和蒸氣壓等。

常用的制冷劑包括R717與R22。R717（氨）有較好的熱力性質和熱物理性質，它在常溫及普通低溫范圍內壓力比較適中，單位容積制冷量大、黏性小、流動阻力小、密度小、傳熱性能好。R717（氨）是應用最早而且目前仍廣泛使用的制冷劑，主要在大型工業(yè)制冷裝置中使用。R717（氨）的主要缺點是有毒性，可燃可爆，其蒸氣無色，是刺激性氣體。空氣中R717（氨）蒸氣壓的容積濃度達到0.5%～0.6%時，能引起中毒；R717（氨）的燃點為1171℃，容積濃度到11%～14%時可點燃，容積濃度為16%～25%時會引起爆炸。純氨不腐蝕鋼鐵和有機材料，但在含水分時腐蝕鋅、銅。

R22的飽和壓力特性與氨相近，標準蒸發(fā)溫度等與氨也接近，但其單位制冷量與氨相差較多。R22廣泛應用于家用空調器以及中型冷水機組中，其無色、無味、不燃、不爆，對金屬無腐蝕，使用安全。R22傳熱性能不如氨，流動性差，流動阻力損失大。R22是極性分子，對天然橡膠、樹脂、塑料等非金屬材料有腐蝕（膨潤）作用。

由于水的汽化潛熱極高，在20℃時的汽化潛熱達到了2 454.09 kJ/kg，因此純水是一種非常好的制冷劑，它可以用于對導電性能、電磁波透射性能不做要求的高熱流密度設備冷卻。

5 霧化特性對冷卻效果的影響分析

霧化噴射組件的霧化效果及霧化后流動換熱情況由霧化噴射組件的內部結構及布置方式決定。噴霧過程是一個瞬變的、多維多相的復雜過程，它是工質噴射、噴束擴展、霧化、液滴破碎、汽化、液滴碰撞聚合、混合、噴霧撞壁等過程的綜合和疊加，存在強烈的氣液耦合。

液體薄膜破裂成霧滴的方式有3種:周緣破裂、穿孔破裂和波浪破裂。但破裂的過程是一樣的，即先由薄膜裂化成液絲，液絲再斷裂成霧滴。液力式霧化的霧滴，其運動軌跡在不考慮風力等情況的影響下，可以近似認為是直線運動，霧滴的重力與從噴頭獲得能量相比可以忽略不計。液力式霧化方式產生的霧型主要取決于噴嘴的形式和噴霧壓力，其霧形如圖4所示[1]。

圖4 液力式霧化的霧形

圖5 同一結構不同噴口直徑霧化噴射組件制冷劑液體工作壓力pL與霧化角度α試驗曲線

通過測量制冷劑液體在不同工作壓力下的霧化錐角試驗可以看出（試驗結果如圖5所示），霧化噴射組件噴嘴壓降越大其質量流量越高，霧化錐角隨噴嘴壓降增大而上下波動劇烈，但整體處于一個較小的范圍之內變化。

對霧化過程進行計算機數值仿真，其霧化張角越大，霧化擴散出現的位置越提前，液滴霧化越充分，液滴直徑越小，分布越均勻。當液體被分離為小霧滴時，霧滴的直徑越小，與空氣接觸的表面積越大，霧滴在空氣中的存在時間越短，飛行距離越近。隨著霧滴直徑的增大，霧滴在空氣中存在的時間和飛行的距離增大，霧滴在空氣中汽化的時間也隨著增大。由于霧滴從一定高度噴出，超過一定直徑范圍的霧滴會迅速落至被冷卻對象表面，使得霧滴的實際汽化時間大大縮短，并且霧滴飛行距離較霧滴存在時間對霧滴直徑更為敏感。因此，要取得較好的制冷效果，須嚴格控制霧滴的直徑在合理的范圍之內。試驗表明，霧化噴射冷卻系統霧滴直徑一般控制在50～100 μm之內。

霧化噴射冷卻過程是大量霧化后的微小液滴群撞擊被冷卻壁面的行為，通過強制對流及核沸騰方式實現冷卻。霧化噴射組件由于制冷劑霧化液滴高速流動的黏性作用，帶動周邊的氣體工質進行運動，實現強制對流冷卻。因此霧化液滴速度越高，其所帶來的對流冷卻效應越好。霧化液滴在被冷卻表面上充分吸收熱量完成相變過程實現核沸騰冷卻，因此霧化液滴直徑越小，單個液滴完成相變所需要吸收的熱量越少，越容易實現核沸騰過程，其冷卻效果越好。

霧化噴射過程中如果忽略重力的影響，根據貝努利方程可以得到噴嘴出口處的速度V與壓力的關系

式中 Δp為噴嘴入口和出口的壓差，它近似等于液體的工作壓力pL；ρL為液體密度。

實際上，制冷劑液體在霧化噴射組件出口處并不是充滿了整個噴口，其中心部分有一個空氣芯，使實際的流通面積變小。因此可引入一個流量系數β，將其定義為實際流量與理論流量之比。于是，質量流量qM可表示為

圖6 同一結構、不同噴口直徑霧化噴射組件制冷劑液體工作壓力pL與質量流量G試驗曲線

通過測量制冷劑液體在不同工作壓力下的質量流量試驗可以看出（試驗結果如圖6所示），霧化噴射冷卻系統中增大霧化噴射組件的壓力差（進口/出口），則制冷劑質量流量增大，可明顯提升霧化噴射冷卻的換熱效果。其原因在于噴射液體的流量增加，則噴嘴進口壓力隨之增大，霧化形成的液滴平均直徑將會變小，液滴更細密，分布更均勻，液滴與熱表面換熱面積也會增大，導致換熱系數增高，提高其冷卻效果[2]。

在實際應用中，霧化噴射組件與被冷卻表面之間存在一個最佳距離。霧化噴射冷卻試驗表明噴嘴距離被冷卻表面較遠，霧化液滴不能充分覆蓋被冷卻表面，冷卻效果不好。噴嘴距離被冷卻表面較近，被冷卻表面溫度反而升高，冷卻效果下降。從對噴射狀態(tài)的觀察來看，當噴嘴距熱表面距離變近，飛濺液滴數量變多，實際噴射到表面上的液滴量減小；另一方面，噴射距離變近后，在噴射角度不變的情況下，實際噴射到熱表面的面積減小，冷卻效果下降，因此霧化噴射冷卻系統在實際應用過程中存在一個最佳噴射距離[2]。

對于霧化噴射冷卻系統，令制冷劑的制冷量（即制冷劑汽化潛熱）為q0，被冷卻對象需要的冷量為Φ，則存在如下關系：

由于冷卻過程中不可能所有制冷劑完全充分霧化，因此引入霧化效率系數λ，

令噴嘴直徑為FC，經過換算，可得：

由此可見，在霧化噴射冷卻系統中，霧化噴射組件的壓力差與被冷卻對象所需要冷量的二次方相關。

在霧化噴射冷卻系統的實際應用中應結合制冷工質熱物理性質、制冷量大小、噴嘴與被冷卻面的相對距離、霧化噴射組件的布置形式等綜合考慮，合理的選擇霧化噴射組件的結構形式及關鍵尺寸并確定霧化噴射組件的最低/最高工作壓力。

6 環(huán)境外熱流對冷卻效果的影響分析

對于制冷工質不進行回收再循環(huán)利用的開式霧化噴射冷卻系統，制冷劑存儲于高壓容器內，制冷過程中由于制冷劑的不斷消耗使制冷劑貯瓶內的壓力不斷下降，而霧化噴射冷卻系統又是為高熱流密度設備進行散熱，工作環(huán)境中的外熱流長時間作用于制冷劑直接影響制冷劑貯瓶內的壓力，壓力影響制冷劑的質量流量，進而影響制冷效果與制冷時間，因此有必要分析環(huán)境外熱流對開式霧化噴射冷卻系統制冷效果的影響。

隨著環(huán)境溫度的升高，制冷劑貯瓶內的壓力也在不斷的升高。制冷劑貯瓶內的壓力變化速率與環(huán)境溫度變化速率線性相關。當環(huán)境溫度上升至某一溫度并保持恒溫后，由于熱容的存在，此時制冷劑仍不斷的吸收外界熱量，制冷劑貯瓶內的壓力仍持續(xù)升高，直到制冷劑在該環(huán)境下達到飽和蒸氣壓為止，此后制冷劑不再吸收環(huán)境熱量，制冷劑與外界環(huán)境達到熱平衡。在開式霧化噴射冷卻系統的實際應用中，由于制冷劑吸收外熱流的速率較慢，而貯瓶內制冷劑不斷減少，引起制冷劑工作壓力的迅速下降。因此為了簡化設計，可以忽略在制冷過程中環(huán)境外熱流對不斷減少的制冷劑工作壓力作用的影響，只需考慮制冷劑減少引起的壓降損失及環(huán)境外熱流在霧化噴射冷卻裝置工作前對制冷劑壓力的影響。

霧化噴射冷卻系統具有恒定的流阻，而流阻和制冷劑壓力共同作用并影響制冷劑質量流量，從而對制冷效果產生影響。由于系統中流阻恒定，制冷劑壓力和質量流量成正比關系。因此帶壓制冷劑貯瓶必須滿足霧化噴射組件全程工作中對最低/最高工作壓力的需求。

7 結論

霧化噴射冷卻技術具有冷卻效率高、冷卻溫度均勻、沒有接觸熱阻、對被冷卻面形狀無任何要求等優(yōu)點，因此它是一種非常有前景的高熱流強制冷卻方式。因其換熱強烈，具有很高的臨界熱流密度（CHF），非常適用于一些對溫度要求很嚴格的領域。開式霧化噴射冷卻技術是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Э焖購姛崃骼鋮s方式，它非常適合于高速飛行器等短期內工作的高熱流密度設備的散熱及熱防護。

[1]喬宇鋒，毛寬民，黃其柏.液力式霧化制冷研究[J]，科學技術與工程，2004，（03）：214～217.

[2]陶毓伽，淮秀蘭，王磊等.雙噴嘴霧化噴射冷卻實驗研究[C].中國工程熱物理學會學術會議論文，073400.