低干度兩相流工質在矩形流道冷板內的換熱特性實驗研究

劉騰,錢吉裕,孔祥舉,曹鋒,束鵬程

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.中國電子科技集團第14研究所,210039,南京)

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低干度兩相流工質在矩形流道冷板內的換熱特性實驗研究

劉騰1,錢吉裕2,孔祥舉2,曹鋒1,束鵬程1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.中國電子科技集團第14研究所,210039,南京)

為了提高電子設備在兩相蒸發沸騰冷卻換熱系統中的冷卻效果,對低干度兩相流工質R22在矩形流道蒸發冷板內的換熱特性進行實驗研究。通過調節板式電加熱的輸入功率來控制工質進入蒸發冷板前的干度,從而得到不同負荷不同干度下系統的換熱性能,結果表明:在低干度、低充灌量以及低流量的兩相流蒸發冷卻系統中,系統的換熱能力隨著干度的增大而降低。通過分析系統內部壓力與流量的關系發現,系統內部壓力受氣液相比例影響,隨系統負荷增大而增大,系統流量隨系統內部壓力的增大而增大,最終達到特定工況下的最大值。由此可見,低干度、低充灌量、低流量的兩相流蒸發冷卻系統對電子設備的降溫效果是有利的,其可以降低系統能耗,保證系統運行安全,降低系統振動。該結果為板式兩相流蒸發冷卻系統設計提供了實驗依據。

兩相流;低干度;板式電加熱;蒸發冷板

進入21世紀以來,電子技術得到迅猛發展,電子設備在功率越來越大的同時體積也變得越來越小,不可避免地產生了高熱流密度。電子器件的高度集成、封裝密度以及不斷提高的工作頻率,使得電子器件的熱流密度迅速升高。研究表明,電子設備的失效原因超過55%是由溫度過高引起的(其余因素為灰塵6%、濕度19%、振動20%),而電子設備的運行實踐表明,隨著溫度的升高,電子元器件的失效率呈指數增長[1-2]。兩相流蒸發冷卻技術屬于間接液冷技術的范疇,是近年來電子設備冷卻最新的發展方向。隨著電子設備功率進一步加大和體積進一步縮小,傳統的冷卻技術已經越來越難以滿足當下的冷卻要求。隨著未來電子設備向高發熱量、高熱流密度、復雜回路及高控溫精度的發展,兩相流蒸發冷卻系統成為必然的發展趨勢[3]。因此,研究兩相流蒸發冷卻系統的換熱特性,分析其換熱效果隨流量、干度等因素的變化關系具有現實意義。

國內外已有許多學者做了大量實驗研究圓管內兩相換熱的現象,如瑞士的Ricardo研究了以R134a為工質,在水平圓管中不同飽和溫度下的兩相換熱,得出了不同干度對換熱效果的影響關系[4];上海交通大學的朱宇等學者研究了以R134a為工質,在水平圓管中填充物料對兩相流換熱系統的影響,分析了流態分布以及流態對換熱的影響[5]。雖然現階段對于圓管內兩相換熱的研究非常多元化也比較深入,但是在實際應用中使用圓管與發熱元件進行換熱顯然不能取得較好的換熱效果,因為接觸面積有限,所以冷板換熱就具有了更現實的應用價值。受加工工藝限制,冷板內部矩形流道居多,在系統運行時隨著流動距離增加熱負荷也增加,過高的干度容易使工質在短時間內被蒸干從而損傷元器件,尤其是在干度很小而負荷又很大的情況下,因此系統干度不易過低即便是換熱效果很好。同時,系統內充注過多的制冷劑在相變時會因為氣相的增加而造成系統內部產生氣塞現象,加劇系統振動,對換熱產生不利影響。系統運行時,過高的流量會使工質泵的負載增大,克服壓差做功變多,因此在滿足換熱需要時應盡量降低流量,達到節能。本實驗研究在低充灌量、低干度、低流量下矩形流道內的換熱情況。

1 兩相流蒸發冷板實驗介紹

1.1 兩相流蒸發冷板實驗原理

兩相流蒸發冷板實驗原理圖如圖1所示。本實驗采用制冷劑R22為工質,實驗時由風冷式冷凝器冷卻得到的液態工質儲存在14匹的立式儲液罐中,滑片式工質泵在變頻器的調節下低頻運行,為實驗循環提供動力[6-8]。工質泵將儲液罐中的液態制冷劑依次泵送至板式電加熱和冷板蒸發器中分別進行兩相沸騰換熱吸收熱負荷,然后流經風冷式冷凝器進行冷凝,實現兩相換熱循環?；焦べ|泵出口處依次設有視液鏡、干燥過濾器以及質量流量計用于觀察、過濾和檢測系統流量。工質泵與儲液器進液口之間設有手動旁通閥用于調節系統最小流量,為方便觀察各段相變特征,如圖1所示多處設有視液鏡以進行流態觀察。

圖1 兩相流蒸發冷板實驗原理圖

1.2 實驗方法介紹

本實驗采用內置矩形流道的鋁合金冷板作為實驗的蒸發器,蒸發器冷板表面布置有如圖2所示的加熱單元,用于提供電子元件發熱所產生的熱負荷。單片加熱單元可以提供最大0.4 kW的發熱量,但是受限于加熱單元的表面最高安全溫度,本實驗最大使用功率為0.166 kW。通過對各加熱單元表面溫度的測量,可以得到不同電加熱負荷下的各組溫度數據,結合蒸發冷板進出口的視鏡流態研究實驗現象。實驗時蒸發器冷板加熱面向下安置,以避免在較高干度下氣相換熱弱于液相換熱所帶來的不利影響。

圖2 冷板蒸發器加熱單元布置圖

為了研究進口干度對兩相換熱的影響,實驗增設了板式電加熱,其結構圖如圖3所示。板式電加熱內設置有4根U型電加熱管,單根電加熱管可以提供最大1.5 kW的熱負荷,通過布置流道,制冷劑可以依次流過每一根電加熱管,實現充分的沸騰換熱。與以往的帶式電加熱不同,浸沒式的沸騰換熱為干度的理論計算提供了可能,板式電加熱上下表面貼有絕熱材料,可以近似認為不與環境進行熱交換。在低流量0.1 t/h和常溫26 ℃下,R22的飽和焓值分別為231.36 kJ/kg和413.25 kJ/kg,通過計算得到當干度為1時,系統所需功率為5.052 5 kW,所以6 kW的板式電加熱可以滿足本實驗的要求。

圖3 板式電加熱結構圖

干度實驗設有T型熱電偶和壓力傳感器,其中T型熱電偶測量范圍為-50～150 ℃,測量精度為±0.5 ℃;壓力傳感器測量范圍為0～6 MPa,測量精度為±0.05 MPa。為控制蒸發器與電加熱的負荷量,實驗采用可控硅等控制元件與WT500功率測試儀配合使用,以準確控制輸入功率,并使用YOKOGAWA公司生產的MV2000采集溫度、壓力及流量的數據。

實驗時環境溫度穩定在26 ℃左右,控制變頻器頻率為6 Hz,以0.2 kW為步長測得4 kW以內電加熱功率下的蒸發器熱負荷分別為0.1、0.5、1、1.5 kW時的換熱數據。為了驗證變工況以及變流量對兩相換熱的影響,分別實驗了28 ℃和10 Hz下的變干度工況換熱,并計算不同工況下的干度,得到其與系統換熱能力的變化關系,從而分析矩形流道下兩相沸騰換熱特性。

1.3 實驗數據處理依據

實驗中,進入蒸發冷板的干度值可由下式計算

hi=f(pi,Ti)

(1)

(2)

xo=f(ho,po)

(3)

式中:hi、ho分別為進入板式電加熱前、后工質的焓值;Win為輸入到板式電加熱內的功率,這里認為換熱是充分進行的;m為系統的質量流量;pi、po分別為板式電加熱進、出口壓力;Ti為進入板式電加熱前的溫度;xo為板式電加熱出口干度值。

(4)

(5)

(6)

其中,T0i、Ti分別為功率輸入前、后各個加熱單元的溫度。

2 實驗數據處理與分析

2.1 兩相沸騰換熱壓力流量變化

兩相沸騰換熱在低充灌量、低干度、低流量下進行,受相變換熱影響,內部壓力與流量表現出了顯著變化,其壓力與負荷變化情況如圖4所示。

圖4 電加熱功率與內部壓力的變化關系圖

由圖4可見:隨著電加熱輸入功率的逐漸增大,不同工況下內部壓力的變化趨勢是一致的,均隨負荷增大而增大;隨蒸發溫度升高,電加熱的內部壓力要明顯高于相同負荷下變頻率時的內部壓力,說明環境溫度是制約系統內部壓力的一個重要參數。6 Hz、26 ℃時的系統干度要高于相同負荷下10 Hz、26 ℃時的系統干度,但由圖4可見內部壓力卻低于其他2種工況,說明工質氣液相比例對系統內部壓力的影響要低于流量變化的影響。產生這種隨負荷增大系統壓力增大的原因主要是系統內部產生的氣塞現象,隨著兩相沸騰換熱的進行,在相同條件下系統干度隨著負荷增大而增大,當兩相工質流經諸如冷凝器等部件時,氣相在空間上部、液相在空間下部,根據質量守恒氣相流速必然高于液相流速,而由于液相堆積造成氣相不能迅速通過某些流道的截面使得內部壓力逐漸增大,隨著流量增加氣塞會逐漸加劇,同時會伴隨著兩相流系統的振動,這與實驗產生的現象也相符合。

圖5 兩相流蒸發系統流量-壓力變化關系圖

圖5給出了系統內部流量隨系統內部壓力變化的關系。由圖可見,不同頻率下流量均隨壓力的增大而增大,相同壓力下高頻流量大于低頻流量。由于6 Hz的工況整合了26、28 ℃兩種環境溫度下的數據,所以其壓力變化的范圍大于10 Hz工況壓力變化的范圍,受環境溫度影響,其最高壓力高于10 Hz工況。流量之所以會對內部壓力敏感主要是因為本實驗是在低充灌量下進行的,由前面分析可見高充灌量對于兩相流制冷系統是不利的,會加劇系統振動。在較低充灌量時,系統在常態下可以觀察到滑片式工質泵出口視鏡為半滿狀態,隨著系統負荷增大,干度增大,系統內部壓力增大,使得滑片式工質泵背壓增大。增大的背壓使得氣相工質被壓縮,慢慢地湮沒于液相工質之中,隨著液體慢慢充滿視鏡,不可壓縮液體流過質量流量計的流量慢慢增大,系統流量也隨之提高,在相同壓力下,受工質泵轉速限制,10 Hz工況下的流量近似于6 Hz工況下的2倍,這也與理論相符合。在兩相流制冷系統中系統流量受系統壓力影響明顯,而系統自身壓力又與系統負荷有關,因此系統流量嚴格來說不會是一個恒定值,所以計算干度時所采用的流量值是瞬時值,而非恒定值,但是流量卻存在某一變頻赫茲數下的最大值,因此本實驗在6、10 Hz兩種不同工況下,定性分析流量對系統換熱的影響。

2.2 兩相沸騰換熱干度與負荷的關系

圖6 加熱單元平均溫度與電加熱功率變化關系圖

圖6從宏觀上給出了不同工況下系統加熱單元的平均溫度與電加熱功率之間的變化關系。由圖可見,隨著電加熱功率的增大,加熱單元溫度基本呈線性增加,隨著加熱單元由0.1 kW變化至1.5 kW,可以看到在不同工況下加熱單元的平均溫度隨功率每增大0.5 kW增加約20 ℃。在相同的加熱單元功率下,可以看到蒸發溫度對于系統換熱影響更加明顯,而流量對于系統換熱影響并不顯著,因為6 Hz與10 Hz工況下,圖中兩者變化曲線基本重合,加熱單元的溫度變化基本相同。圖7通過式(1)～(6)將溫度與功率的關系轉換成了名義換熱系數與干度之間的關系。

圖7 名義換熱系數與干度變化關系圖

如圖7所示,由于變頻器頻率的增加,流量增大導致在相同的電加熱負荷下干度變小,所以10 Hz下的干度變化范圍小于6 Hz下的變化范圍?？梢姷透啥认?在x≤0.4的范圍內,名義換熱系數隨著干度的增大而減小。這是因為在此干度范圍內兩相流態以間歇活塞流為主,占主導作用的是核態沸騰換熱,氣化核心個數影響換熱的強弱,隨著干度增加氣化核心數減少,換熱強度被抑制,其整個過程的相變流態如圖8所示。不同工況下流態形式不變,僅是劇烈程度改變,所以僅以6 Hz、26 ℃的工況為例給出。

(a)無負荷

(b)2.5 kW

(c)4 kW圖8 6 Hz、26 ℃下不同電加熱負荷流態變化過程圖

與文獻[4]所得到的干度-換熱系數變化圖(圖9)相對比,可以看到在低干度、低流量下變化趨勢是相似的,因為流態以間歇活塞流為主,換熱機理不變。在相同的加熱單元熱負荷和干度下,可以看到增大流量并未有效提高換熱效果,因為核態沸騰換熱與邊界層換熱理論不同,對于速度并不敏感,在間歇活塞流的流態下速度的提高不會對邊界層厚度有太大的改變。由圖7還可以看到,改變蒸發溫度對于兩相沸騰換熱而言名義換熱系數其實并未改變。這主要是因為在相同負荷與干度條件下,改變環境溫度會改變系統內部的飽和壓力,但卻不會改變加熱單元所能冷卻的溫差,同樣從換熱機理而言,流態不會隨環境溫度的改變而改變,主導換熱的依舊是核態沸騰換熱,所以換熱強度基本不變,僅僅是溫度在宏觀量上的整體平移。但是,從圖6以及前面的分析可以得出,較低的環境溫度對于系統換熱而言還是有利的,因為它可以降低系統內部壓力,從而降低工質泵的能耗。兩相流制冷系統不隨環境溫度的改變而影響換熱溫差的特性也體現出了系統本身的自適應性和可預測性。

質量流速為300 kg/(m2·s);熱流密度為7.5 kW/m2圖9 水平圓管兩相流干度-換熱系數變化圖[4]

2.3 兩相流蒸發冷板各點換熱溫度分布

圖10給出了蒸發冷板各點加熱單元溫度隨功率變化的曲線,由于溫度變化的趨勢是相同的,僅以電加熱功率為1 kW、變頻器頻率為6 Hz、環境溫度為26 ℃的工況為例,來分析各點溫度沿流道的分布。

圖10 蒸發冷板各點加熱單元溫度變化曲線

如圖10所示,隨加熱功率的增加,各點加熱單元穩定溫度隨之增大,受流態和幾何尺寸影響,流道初始時的加熱單元穩定溫度變化較為明顯,并且隨著功率的增加差異更加明顯。由圖2可知,加熱單元3與7受幾何分布的影響熱流密度最大,加熱單元2、4、6、8的熱流密度最小。由圖10可見,加熱單元3的穩定溫度最高,這與其熱流密度最大有直接關系,而加熱單元7相對加熱單元3的溫度明顯降低,說明換熱效果較好。這是因為加熱單元7處于流道下游,工質沿蛇形管矩形流道流動,在U型彎道處受離心作用影響,會出現某個局部位置邊界層厚度變薄,而流動的擾動勢必會使局部換熱加強,加熱單元3處于流道進口處,受上游擾動影響較小,擾動較加熱單元7相比較弱,所以仍以核態換熱為主,因而穩定溫度較高。加熱單元1處于流道入口第一點,流態以分層流為主,因此換熱效果差于其下游點;加熱單元2熱流密度較小,又因其是分層流擾動后的第一點,離心作用使得分層流局部熱膜變薄,換熱加強。雖然流道內存在局部擾動但是整體還是以間歇活塞流為主,因此后面各點溫度較為均勻;出口處加熱單元9因下游流道平坦,因而與之前流道的綜合作用不同,從視鏡可見其流態為間歇活塞流,因此擾動對其影響并不敏感,所以溫度較高,但整體而言,矩形流道換熱平板對于電子元器件的降溫還是有利的,因為其幾何尺寸在一定程度上影響了換熱效果。

3 結 論

本文通過實驗得到了在低干度、低充灌量、低流量即相變換熱時工質干度小于0.4,系統整體充灌量在50%左右,系統最大流量小于0.45 t/h的條件下,15 mm×8 mm的矩形流道中的換熱特性,其降溫效果受加熱單元布置及冷板內部幾何參數影響,定量結果并不具有普遍的適用效果,但此條件下的換熱機理與規律適用于一般制冷工質,可以為一般制冷工質提供實驗依據。

(1)在低干度、低充灌量的兩相流制冷系統中,系統的換熱能力隨著干度的增大而減弱,因為其流態始終為間歇活塞流,以核態沸騰換熱為主,不隨流量變化而顯著變化。

(2)在低干度、低充灌量下的兩相流制冷系統中,其內部壓力隨系統負荷增加而逐漸增大,因此在實際應用中應盡量保證蒸發溫度不要太高,以免造成系統振動加劇。

(3)在低干度、低充灌量下的兩相流制冷系統中,流量的增大不會顯著提高系統換熱性能,因此在實際應用中應合理使用較低轉速,在節能的同時可以減弱氣塞對系統振動的影響。

(4)通過實驗監測矩形流道冷板的加熱單元溫度,可以看出蛇形管流道可以影響加熱單元原有的局部換熱特性,對換熱是有利的,與銅管相比,矩形冷板更適合于電子兩相流制冷系統的換熱。

[1] JANICKI M, NAPIERALSKI A. Modelling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model [J]. Microelectronics Journal, 2000, 31(9/10): 781-785.

[2] 呂洪濤. 電子設備散熱技術探討 [J]. 電子機械工程, 2011, 27(5): 8-11. LV Hongtao. Discussion on cooling techniques for electronic equipment [J]. Electro-Mechanical Engineering, 2011, 27(5): 8-11.

[3] HOA C, DEMOLDER B, ALEXANDRE A. Roadmap for developing heat pipes for ALCATEL SPACE’s satellites [J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(9): 1099-1108.

[4] RICARDO J, JOHN R. Flow boiling in horizontal smooth tubes: new heat transfer results for R-134a at three saturation temperatures [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(7): 1289-1298.

[5] ZHU Yu, HU Haitao, SUN Shuo. Heat transfer measurements and correlation of refrigerant flow boiling in tube filled with copper foam [J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 38(10): 215-226.

[6] 鄧定國, 束鵬程. 回轉壓縮機 [M]. 北京: 機械工業出版社, 2001: 219-228.

[7] 繆道平, 吳業正. 制冷壓縮機 [M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2011: 247-260.

[8] 趙學科. 旋葉式壓縮機型線設計與理論研究 [D]. 重慶: 重慶大學, 2011: 8-14.

[本刊相關文獻鏈接]

殷翔,錢吉裕,孔祥舉,等.天線陣面沸騰換熱的數值分析及優化.2014,48(11):64-69.[doi:10.7652/xjtuxb201411011]

施東曉,畢勤成,周榮啟.磁性液體兩相界面演變特性的數值研究.2014,48(9):123-129.[doi:10.7652/xjtuxb201409021]

翟強,朱永生,閆柯,等.高速角接觸軸承油氣潤滑兩相流動特性數值研究.2014,48(6):86-90.[doi:10.7652/xjtuxb 201406015]

何聯格,左正興,向建華.氣缸蓋中兩相流沸騰換熱熱機耦合仿真分析.2013,47(7):23-28.[doi:10.7652/xjtuxb2013070 05]

何聯格,左正興,向建華.氣缸蓋冷卻水腔內兩相流動沸騰傳熱仿真研究.2013,47(1):21-26.[doi:10.7652/xjtuxb2013 01005]

馮永昌,李會雄,王太.Richtmyer-Meshkov不穩定性的格子Boltzmann數值模擬.2012,46(11):44-48.[doi:10.7652/xjtuxb201211009]

孫東亮,徐進良,王麗.求解兩相蒸發和冷凝問題的氣液相變模型.2012,46(7):7-11.[doi:10.7652/xjtuxb201207002]

張冬青,楊冬,劉計武,等.超臨界循環流化床下降水冷屏流量分配特性試驗研究.2012,46(5):32-37.[doi:10.7652/xjtuxb201205006]

(編輯 荊樹蓉)

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Low Quality Two-Phase Working Medium in Cool Plate Evaporation with Rectangular Channels

LIU Teng1,QIAN Jiyu2,KONG Xiangju2,CAO Feng1,SHU Pengcheng1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. CETC The fourteenth Research Institute, Nanjing 210039, China)

The heat transfer performance of the low quality two-phase working medium R22 in cool plate evaporation with rectangular channels was experimentally studied with the purpose of improving the cooling effect of electronic equipment in two-phase boiling heat transfer system. The quality of working medium before performing cool plate evaporation can be determined by controlling the input power of board-type electric heating, hence the heat transfer performance can be obtained under different system loadings and qualities. The results showed that the heat transfer performance in two-phase boiling heat transfer system under the condition of low quality，low charge and low flow rates decreased with the increase of quality. The relationship between the system pressure and flow rate was analyzed. It was showed that the system pressure increased with the system loading under the influence of vapor-liquid ratio, and the system flow increased with the system pressure until reaching the maximum under special working conditions. So the two-phase boiling heat transfer system has a positive impact on the cooling of electronic equipment under the condition of low quality, low charge and low flow, and the system can operate safely with a reduced vibration and energy consumption. In addition, the results can provide an experimental base for designing the board-type two-phase boiling heat transfer system.

two-phase flow; low quality; board-type electric heating; cool plate evaporation

2014-07-08。

劉騰(1988—),男,碩士生;曹鋒(通信作者),男,教授。

時間:2014-10-15

10.7652/xjtuxb201501010

TB654

A

0253-987X(2015)01-0059-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141015.1753.007.html