采用R134a工質的相變噴霧冷卻性能實驗研究

錢洋,劉炅輝,李玫,劉秀芳,侯予

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

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采用R134a工質的相變噴霧冷卻性能實驗研究

錢洋,劉炅輝,李玫,劉秀芳,侯予

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

為了研究大熱流密度相變噴霧的冷卻特性,搭建了以R134a為冷卻工質的閉式循環噴霧實驗臺,開展了采用R134a工質的相變噴霧冷卻性能實驗。實驗工況為:噴霧高度13 mm,噴霧腔壓力0.2 MPa,噴嘴入口溫度0 ℃,噴霧流量范圍為0.210 7～0.355 8 L/min。實驗結果表明:當噴霧流量保持不變時,增大加熱功率,熱流密度增大,表面換熱系數先快速升高最后有所下降;隨著噴霧流量從0.210 7 L/min增加到0.355 8 L/min,臨界熱流密度呈現上升趨勢;當流量為0.355 8 L/min時,獲得最高的臨界熱流密度(CHF)為94.75 W/cm2,此時冷卻表面的壁面溫度為35.42 ℃。這說明使用環保工質R134a作為冷卻劑的噴霧冷卻系統能同時滿足高熱流密度和低換熱表面溫度的要求,具有良好、穩定的換熱冷卻能力。

噴霧冷卻;相變換熱;R134a;臨界熱流密度;實驗研究

隨著科學技術的發展,雖然電子設備在材料和性能方面有所改進,但是對于大功率、高通量的電子設備的散熱、溫度控制還是變得越來越困難。如今,一些服務器和超級電腦處理器中的熱流密度已經超過了75 W/cm2,在一些高功率的激光技術領域中,熱流密度更高。因此,需要設計一種穩定可靠的冷卻系統和溫度控制系統來保證設備的正常工作。相變噴霧冷卻相比于自然對流、熱管散熱等傳統的散熱方式,具有冷卻均勻、散熱功率高、無沸騰滯后效應、系統結構簡單等優點,因此被認為是解決高功率電子元件最有發展前景的一種新型的冷卻方式[1]。

在噴霧冷卻系統中,工質流體首先通過噴嘴霧化,流體工質破碎為小液滴,然后噴射到被冷卻表面,通過單相或兩相換熱帶走大量的熱量[2]。Lin等人在閉式系統中采用多噴嘴陣列的方式對FC-87換熱性能進行了研究[3],實驗發現,FC-87的臨界熱流密度(CHF)值可以達到90 W/cm2,此時被冷卻表面溫度為90 ℃。Yang等人用水作為制冷工質,采用氣體霧化噴嘴進行了研究[4],發現水的CHF值可以達到900 W/cm2,對應的表面溫度為160 ℃。Coursey等人將PF-5060制冷劑噴射到微槽道表面上進行了噴霧冷卻研究[5],發現CHF達到120 W/cm2,加熱表面被冷卻到70 ℃。雖然采用上述冷卻工質進行噴霧冷卻可以獲得很高的CHF值,但是由于這些工質具有較高的沸點使得冷卻表面的溫度無法維持在一個較低的溫區,對大多數的電子器件而言,為了使其能夠保證正常工作,工作溫度應該盡量保持在80 ℃以下,并且溫度越低越均勻,從而電子器件能長期穩定高負荷地工作[6]。為此,重慶大學王宏等人采用氨制冷劑對激光器件冷卻進行冷卻,獲得了310 W/cm2的熱流密度[7]。雖然氨具有很大的汽化潛熱,使其能夠達到很高的熱流密度,但是采用氨作為冷卻劑具有很大的危險性。西安交通大學侯予等人采用R22工質[8],達到了276.1 W/cm2的熱流密度,其對應的被冷卻表面溫度為26.8 ℃,同時開展了不同噴嘴結構、不同熱力學工況對相變噴霧冷卻性能的研究[9]。雖然R22制冷劑是一種安全的制冷劑,但R22屬于HCFCS類制冷劑,對臭氧層危害很大,而R134a制冷劑有較高的汽化潛熱值以及適中的沸點,能夠同時滿足大功率電子元件對于高熱流密度和低表面溫度的要求。因此,本文在R22閉式相變噴霧冷卻系統的基礎上設計并搭建了以R134a為冷卻工質的相變噴霧冷卻實驗臺,研究了不同的加熱功率以及噴霧流量對相變噴霧冷卻性能的影響。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

本文實驗中所采用的閉式相變噴霧冷卻系統流程如圖1所示。實驗系統分為供液和噴霧系統、數據采集系統及加熱模塊3個部分。

(a)實物圖

(b)流程圖圖1 閉式相變噴霧冷卻系統實物圖以及流程圖

在供液和噴霧系統中,經壓縮機壓縮后的R134a制冷劑通過恒溫水箱冷凝后進入過冷器,由另一套獨立的制冷系統來冷卻。從過冷器出來的過冷工質被分為兩股,一股工質經過一段電加熱帶使溫度控制在0 ℃后,經過噴嘴霧化后噴射冷卻紫銅熱源表面,之后經過噴霧腔出口與通過旁通調節閥降壓后的另一股工質匯合后進入儲液罐,完成整個噴霧冷卻過程。為了對噴霧腔壓力以及系統壓力進行準確控制以保證系統的穩定運行,在實驗過程中通過針閥(入口調節閥和出口調節閥)以及旁通管路中的節流部件(旁通調節閥)對壓力進行調節,實驗中噴霧腔壓力波動值在±0.01 MPa以內。

加熱模塊如圖2所示,加熱元件材料為紫銅,元件上表面為直徑16 mm的圓形平面,即為噴霧冷卻表面,紫銅棒上端與膠木板接觸處涂有低溫膠以達到密封及絕熱的目的。紫銅棒下部位加熱段,由6根加熱功率分別為120 W的電加熱棒進行加熱,加熱棒的輸入功率通過調節變壓器來控制。為了減小加熱模塊的熱量損失,在加熱元件四周包裹了石棉以達到絕熱目的。紫銅棒下部有聚四氟乙烯墊塊保護,起到絕熱、支撐作用。實驗中溫度測量使用直徑為0.125 mm的銅-康銅熱電偶。

圖2 加熱模塊示意圖

熱電偶布置方式如圖3所示,在噴霧冷卻表面下方布置了3層熱電偶,每層溫度測量面的間距為7 mm,每層布置兩根熱電偶,分別測量圓心處以及距圓心8 mm處的溫度。中心處熱電偶所測量的溫度將用來計算噴霧冷卻的熱流密度、換熱系數以及壁面溫度,距圓心8mm處的熱電偶用來觀察平面溫度的不均勻性。數據采集系統是由一個內置PCI CEC488GPIB通用接口卡的主頻為2.4 Hz的工控機和Keithley 2700數據萬用表組成。

圖3 熱電偶布置示意圖

1.2 數據處理與誤差分析

在本文實驗中,熱流密度q、被冷卻表面溫度Tw和表面換熱系數h是最重要的3個參數。

由于加熱元件四周包裹了絕熱材料進行絕熱,通過計算以及模擬可以得出,實驗中漏熱量小于5%,因此在計算時可以近似認為加熱元件四周都是絕熱的,故而整個加熱過程可以簡化看作是沿著銅棒軸向的一維導熱問題。此外為了避免系統運行參數的波動影響到最后數據的可靠性,實驗中所有數據點都是在實驗參數穩定至少30 min后采集的。因此,根據傅里葉導熱定律得到

(1)

(2)

噴霧冷卻表面換熱系數計算式為

(3)

式中:Tin為噴霧流體溫度。

實驗前熱電偶都進行了統一標定,在-40～250 ℃溫度范圍內的測溫誤差為±0.5 ℃。此外,熱電偶之間的距離測量誤差為±0.05 mm,壓力真空表在-0.1～2.4 MPa壓力范圍內的測量誤差為±1.6%。根據Kline等人總結的誤差傳遞函數[10],由熱流密度、被冷卻表面溫度、表面換熱系數的計算公式,可以得到熱流密度、被冷卻表面溫度、表面換熱系數的誤差分別為±1.3%、±3.8%和±2.05%。

2 實驗結果與分析

為了研究不同流量以及加熱功率對噴霧冷卻性能的影響,在實驗中選用Spraying Systems Co.生產的B1/4TT+TG-0.3壓力旋流式實心錐噴嘴,其噴嘴孔徑為0.46 mm。實驗前根據R22工質噴霧的實驗結果及理論分析[8],并結合產品手冊提供的霧場角等參數計算得到:當噴霧高度為13 mm時,霧場可以恰好完全覆蓋冷卻面,從而獲得最理想的噴霧冷卻效果。實驗中,噴霧腔壓力為0.2 MPa,噴嘴入口處溫度為0 ℃時,改變噴霧流量,分別對流量為0.210 7、0.260 4、0.295 1、0.329 8、0.355 8 L/min的5個不同工況進行研究。

2.1 流量對臨界熱流密度的影響

當過熱度比較小時,由圖4可以看出隨過熱度的增加熱流密度變化比較小,這是因為加熱功率較小。壁面溫度低,換熱還處于以強制對流換熱為主的單相換熱區,相變換熱所占換熱量的比率微小,所以導致熱流密度變化不大。當持續增加加熱功率、過熱度繼續增大時,熱流密度增加幅度變大,說明此時表面核態沸騰和二次成核沸騰越來越強,導致換熱效果增強。持續增加加熱功率,壁面過熱度超過30 ℃時,熱流密度曲線呈現出斜率減小的趨勢。在臨界熱流密度附近熱流密度的增加微小,這是因為隨著過熱度的增加,換熱過程進入了以表面核態沸騰和二次成核沸騰為主的相變換熱區域。在臨界熱流密度附近,由于核態沸騰點已經趨于飽和,紫銅面上液體區域已經沒有多余的空間繼續發展核態沸騰,甚至被冷卻表面的液膜處出現了干涸區,此時由于蒸汽膜導熱熱阻較大,致使表面換熱性能變差、熱流密度維持基本恒定,直至CHF的出現。

由圖4可以看出,隨著制冷劑流量的增大,加熱表面的熱流密度也隨之增大。這是因為隨著制冷劑流量的增大,霧化液滴的速度、數量都增加,不僅有足夠多的溫度較低的液滴不斷地沖刷加熱表面并帶走熱量,而且霧化液滴沖擊擾動表面液膜的能力增強,使得附壁邊界層減薄,傳熱得到了強化。此外,在接近CHF區域,由于液滴的增多,使得對液膜中氣泡的撞擊次數增加,對于氣泡的破碎以及二次成核有促進作用,因此大流量帶來了更高的熱流密度。實驗中最大的CHF值達到94.75 W/cm2。

圖4 流量對熱流密度的影響

2.2 流量對換熱系數的影響

由圖5可以看出,換熱系數在熱流密度小于10 W/cm2時,由于換熱以單相導熱對流為主,相變換熱所占比例較小,此時流量對換熱的影響不大,不同流量下的換熱曲線膠著在一起,并且快速上升。當熱流密度繼續增加,相變換熱以及核態沸騰換熱所占比例增加,換熱效果改善,換熱系數保持持續上升的狀態,直至熱流密度達到50 W/cm2左右,此時由于換熱面有限,冷卻表面的核態沸騰點達到極致,換熱系數趨于穩定,此后換熱系數變化不大,基本維持定值。當熱流密度持續升高,換熱面出現干涸現象,從而換熱系數出現急劇下降的趨勢直至達到CHF值。

圖5 流量對換熱系數的影響

此外,隨著流量的增加,大流量下換熱系數維持在峰值的時間較長。由圖5可以觀察得,當噴霧流量為0.210 7 L/min時,換熱系數維持在峰值的熱流密度區間為55～65 W/cm2,而在流量增加到0.355 8 L/min時,換熱系數維持在峰值的熱流密度區域為60～90 W/cm2。這是由于較大的流量所帶來的液滴數量增加,以及對液面撞擊效果的加強,使得氣泡可以及時地破碎并脫離換熱表面,導致換熱系數在大流量下可以維持較長時間的峰值區域。

此外,實驗中換熱系數在流量達到最大值,即0.355 8 L/min時達到實驗中的最大值,其值為25.98 kW/(m2·K)。

2.3 流量對臨界熱流密度的影響

臨界熱流密度作為噴霧冷卻的重要參數,反映出噴霧工質的最大冷卻能力。定義在熱流密度維持穩定狀況下的最后一個穩定工況點所對應的熱流密度為臨界熱流密度,當熱流密度大于該工況下的臨界熱流密度時,壁面溫度會由于冷卻面換熱惡化而導致冷卻壁面溫度階躍。在本次實驗中,由圖6可得,CHF值隨著流量的增加呈現出線性增加的趨勢。這是由于隨著流量的增加,導致沖擊冷卻壁面的霧化顆粒增加,對壁面上氣泡的沖擊加劇,換熱效果得到改善。此外,由于顆粒數的增加,提高了顆粒與冷卻壁面液膜之間的二次成核換熱,也提高了換熱效果。因此,隨著流量的增加,CHF呈現出線性增加的趨勢。

圖6 流量對臨界熱流密度的影響

在本文的5種不同流量下,所能達到的臨界熱流密度為75.11～94.75 W/cm2,而換熱系數為23.29～25.98 kW/(m2·K)。冷卻表面溫度維持在25.4～35.4 ℃。由以上結果可以看出,該閉式循環噴霧冷卻系統在使用R134a為冷卻工質時,不僅可以獲得較高的換熱效率,而且可以使被冷卻表面維持在一個比較低的溫度,保證了電子器件正常穩定地工作。

3 結 論

本文以R134a為冷卻工質,通過實驗研究了不同加熱功率以及噴霧流量對相變噴霧冷卻性能的影響,實驗結果表明:

(1)當噴霧流量保持不變時,隨著加熱功率的不斷增大,被冷卻表面的過熱度也隨之增大,熱流密度增大,表面換熱系數先升高在接近臨界熱流密度時又有所下降;

(2)在其他實驗條件保持不變的情況下,流量對噴霧冷卻性能有很顯著的影響,熱流密度、表面換熱系數都隨流量的增大而增大;

(3)實驗中,CHF隨著流量的增加呈現出線性增加的趨勢,表明流量對提高噴霧冷卻性能有積極作用;

(4)以R134a為冷卻工質的噴霧冷卻系統能同時滿足高熱流密度、低換熱表面溫度的要求,實驗中噴霧流量為0.355 8 L/min時,CHF達到94.75 W/cm2,換熱系數為25.98 kW/(m2·K)。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Phase Change Spray Cooling with R134a

QIAN Yang,LIU Jionghui,LI Mei,LIU Xiufang,HOU Yu

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A closed loop spray cooling system with R134a refrigerant was designed, and experiments of cooling performance were conducted to make a deep study on high heat flux phase change spray cooling mechanism. The experiments were conducted at the spray height of 13 mm, the spray chamber pressure of 0.2 MPa and the inlet temperature of 0 ℃. The range of flow rate was from 0.210 7 L/min to 0.355 8 L/min. The results show that the heat flux increases steadily with an increase in the power input when the flow rate keeps unchanged. Moreover, the heat transfer coefficient rises rapidly first and then fall1. The heat flux has an increasing trend when the flow rate increases form 0.210 7 L/min to 0.355 8 L/min, and the maximum heat flux with value 94.75 W/cm2is obtained when the flow rate is 0.355 8 L/min. Meanwhile, the spray cooling surface temperature keeps at 35.42 ℃. The results of experiments indicate that R134a has a stable heat cooling capacity as a spray cooling refrigerant and meets the requirement of high heat flux with low temperature of cooling surface.

spray cooling; phase change heat transfer; R134a; critical heat flux; experimental study

2014-07-02。

錢洋(1991—),男,碩士生;侯予(通信作者),男,教授,博士生導師。

中國科學院低溫工程學重點實驗室開放課題(CRYO201409);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目。

時間:2014-10-23

10.7652/xjtuxb201501016

TB61

A

0253-987X(2015)01-0097-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141023.1634.002.html