平行小通道直冷板傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

胡凌韌 方奕棟，2 楊文量 徐丹 蘇林，2 李康，2

(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093；2 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200093)

液冷技術(shù)作為目前主流的冷卻技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電池冷卻、電子設(shè)備散熱等領(lǐng)域[1－2]。而冷板作為液冷系統(tǒng)中的重要部件，對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的換熱性能以及熱均勻性有較大的影響[3]。目前對(duì)于冷板的研究多集中于單相液冷板。A.Jarrett 等[4]設(shè)計(jì)了一塊具有螺旋矩形流道的液冷板，并利用CFD 技術(shù)建立了冷板的三維模型，分析了流道寬度以及進(jìn)出口位置對(duì)冷板冷卻性能和壓降的影響。Huo Yutao 等[5]設(shè)計(jì)了一塊小通道矩形冷板，分析了流道數(shù)量、流向、流量等因素對(duì)冷卻性能的影響，結(jié)果顯示冷卻性能會(huì)隨著流道數(shù)量以及流量的增加而增加，而流向?qū)鋮s性能的影響隨著流量的增加逐漸減弱。許時(shí)杰[6]采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)蛇形通道液冷板的散熱性能和壓力損失進(jìn)行了研究。安治國(guó)等[7]建立了鋰離子電池組以及冷板的有限元模型，分析了流道形狀和截面積對(duì)冷板換熱性能的影響。Qian Zhen 等[8]設(shè)計(jì)了一塊小通道鋰電池液冷板，利用CFD 技術(shù)分析了不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)冷板換熱性能的影響。結(jié)果表明，流道數(shù)量在5 根以內(nèi)時(shí)，數(shù)量的增加可提升冷卻效果；而當(dāng)流道超過(guò)5 根后，增加流道數(shù)量不再對(duì)冷卻性能有明顯影響。Fang Yidong 等[9]設(shè)計(jì)了一塊小通道冷板，采用CFD 模擬與實(shí)驗(yàn)方法，研究了冷板在熱負(fù)荷突增情況下瞬態(tài)傳熱性能。

目前對(duì)于單相液冷板的研究和應(yīng)用較為廣泛，但隨著芯片/電池等發(fā)熱元件的熱負(fù)荷逐年上升，單相液冷將難以滿足換熱需求[10－11]，因此基于制冷劑沸騰傳熱的兩相直冷技術(shù)作為一種替代方法越來(lái)越受到關(guān)注[12－17]。本文設(shè)計(jì)了一塊平行小通道直冷板，并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了該直冷板在不同工況下的壁面溫度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及傳熱特性，分析了不同流道間的換熱性能差異。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 直冷板結(jié)構(gòu)

直冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上至下依次為上蓋板(鋁合金)、玻璃視窗(石英)、底板(鋁合金)以及加熱塊(鋁合金)。玻璃視窗位于上蓋板和底板之間，其接觸面放置PTFE 墊片用于密封。上蓋板和底板通過(guò)螺栓夾緊固定。

圖1 直冷板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of direct cooling plate

圖2所示為直冷板流道結(jié)構(gòu)，整個(gè)流通區(qū)域加工在底板上，尺寸為240 mm×50 mm。流通區(qū)域包括兩段匯流區(qū)域以及中間的流道區(qū)域，制冷劑進(jìn)出口分別位于兩段匯流區(qū)域。流道區(qū)域的尺寸為140 mm×50 mm，共包含21 根橫截面積為1.5 mm×1.5 mm 的矩形小通道，通道間由0.5 mm 厚的肋片分隔。

圖2 直冷板流道結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of channel in direct cooling plate

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)回路和數(shù)據(jù)采集模塊兩部分組成。本實(shí)驗(yàn)采用的制冷劑為低壓制冷劑R1233zd(E)，該制冷劑在常壓下沸點(diǎn)約為18 ℃。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.3 Schematic of experimental system

制冷劑循環(huán)回路的主要部件包括:齒輪泵、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、預(yù)熱器、測(cè)試段、冷凝器、儲(chǔ)液罐以及兩個(gè)恒溫水浴。圖中T、P 分別為溫度、壓力傳感器測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，制冷劑在泵的驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)直冷板，吸收來(lái)自加熱塊的熱量并沸騰，隨后氣液兩相制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷凝水冷凝成液體，并最終流回儲(chǔ)液罐完成一次循環(huán)。預(yù)熱器對(duì)制冷劑進(jìn)行預(yù)加熱，以控制其在測(cè)試段進(jìn)口處的過(guò)冷度，冷凝器則確保進(jìn)入儲(chǔ)液罐的制冷劑處于過(guò)冷狀態(tài)，防止測(cè)試段進(jìn)口處制冷劑存在汽泡，影響質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)試精度。同時(shí)，為了使測(cè)試段加熱均勻，加熱塊內(nèi)共豎直放置了30 根加熱棒，在加熱塊與加熱棒以及底板接觸處均涂抹導(dǎo)熱硅脂，減小接觸熱阻。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存以及控制，由硬件、軟件兩部分組成。硬件部分包含傳感器以及采集器，傳感器包含熱電偶以及溫度/壓力傳感器。如圖4所示，每個(gè)熱電偶均以水平打孔的方式放置在流道底面下方2.5 mm 處。由于流道區(qū)域前匯流段的存在，不同流道之間制冷劑流量存在一定差異。為了研究不同流道間的換熱性能差異，中間流道(CH11)和上數(shù)第五根流道(CH5)下方各布置了6 個(gè)熱電偶。此外，直冷板前后各有一組溫度/壓力傳感器，用于采集直冷板進(jìn)出口處制冷劑的溫度及壓力。制冷劑的流量則由質(zhì)量流量計(jì)采集，各傳感器的精度見(jiàn)表1。測(cè)試軟件基于LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)。

表1 傳感器精度Tab.1 Accuracy of sensors

綜合考慮動(dòng)力電池/芯片發(fā)熱量[18]，選定實(shí)驗(yàn)加熱功率范圍為30～700 W(對(duì)應(yīng)加熱塊熱流密度q為0.5～10 W/cm2)。綜合考慮加熱功率以及泵和預(yù)熱器性能，確定制冷劑質(zhì)量流量以及進(jìn)口溫度。具體工況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

1.3 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

直冷板壁面溫度為:

式中:Twall，i為流道底面溫度，℃；Tc，i為熱電偶溫度，℃；q為加熱塊熱流密度，W/cm2；δup為熱電偶布點(diǎn)到流道底面的豎直距離，mm；λ為底板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

直冷板的當(dāng)?shù)貙?duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為:

式中:Tf，i為制冷劑局部溫度，℃(如果制冷劑為兩相態(tài)，則為其當(dāng)?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?；Qeff為制冷劑在直冷板內(nèi)的有效吸熱量，W。由于實(shí)驗(yàn)存在漏熱，制冷劑的有效吸熱量Qeff不等于加熱塊的加熱量，二者之間的關(guān)系由單相標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定為:

式中:Qheat為加熱塊加熱功率，W；Tin為制冷劑進(jìn)口溫度，℃。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的不確定度為:

式中:δR表示計(jì)算參數(shù)R的不確定度，其值由多個(gè)獨(dú)立參數(shù)Xi決定，δX表示獨(dú)立參數(shù)Xi的不確定度。由上可知表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的不確定度可以表示為:

式中:Tsat，i表示制冷劑局部飽和溫度。

表3所示為測(cè)量參數(shù)及計(jì)算參數(shù)不確定度。

表3 測(cè)量參數(shù)不確定度Tab.3 Uncertainties of the parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 壁面溫度

壁面溫度分布是考量直冷板換熱性能的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于電池、芯片等發(fā)熱元件，更好的溫度分布可以延長(zhǎng)其使用壽命。

圖5所示為制冷劑入口溫度15 ℃、質(zhì)量流量150 kg/h 時(shí)，中間流道壁面溫度沿流動(dòng)方向的變化。當(dāng)熱流密度為0.5 W/cm2時(shí)，壁面溫度沿流動(dòng)方向逐漸上升；當(dāng)熱流密度升至6 W/cm2以上時(shí)，壁面溫度呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。這是由于制冷劑在直冷板入口存在一定過(guò)冷度，當(dāng)熱流密度較低時(shí)，制冷劑在直冷板內(nèi)部為單相流動(dòng)。而在高熱流密度下，制冷劑在直冷板流道內(nèi)吸熱達(dá)到飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗔鲃?dòng)，其沸騰傳熱沿流動(dòng)方向逐漸增強(qiáng)，同時(shí)飽和壓力及飽和溫度則由于沿程摩擦損失而逐漸下降，使得壁面溫度在流道出口區(qū)域逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5 中間流道壁面溫度沿流動(dòng)方向的變化Fig.5 Variation of wall temperature of CH11 along flow direction

此外，對(duì)比熱流密度為6 W/cm2及10 W/cm2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)熱流密度為10 W/cm2時(shí)，直冷板壁面溫度有所升高，但壁面最大溫差并沒(méi)有顯著上升，兩個(gè)熱流密度下的壁面最大溫差分別為2.5 ℃和2.9 ℃，表明兩相冷卻在高熱流密度條件下也能保證換熱過(guò)程的溫度均勻性。此外，在高熱流密度下，流道進(jìn)口及出口的壁面溫度明顯低于其他測(cè)點(diǎn)，這可能是流道進(jìn)口及出口處的壁面熱流密度較低所導(dǎo)致的。

圖6所示為制冷劑入口溫度15 ℃、質(zhì)量流量150 kg/h 時(shí)，CH11 與CH5 壁面溫度沿流動(dòng)方向的變化。在不同熱流密度下，CH11 與CH5 的壁面溫度沿流動(dòng)方向的變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)先增加后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。CH5 壁面溫度的變化相比CH11 更為平緩，這是由于直冷板入口匯流段的分流作用，使得CH5內(nèi)部制冷劑流量小于CH11，其內(nèi)部的制冷劑更早進(jìn)入沸騰狀態(tài)，致使CH5 內(nèi)制冷劑沸騰換熱更劇烈。

圖6 不同流道內(nèi)壁面溫度變化Fig.6 Variation of wall temperature in different channels

圖7所示為熱流密度為10 W/cm2時(shí)，不同位置壁面溫度隨制冷劑流量的變化。其中Twall，3與Twall，9分別位于CH11 進(jìn)出口附近，Twall，4與Twall，10則分別位于CH5 進(jìn)出口附近。兩根流道進(jìn)口段壁面溫度均隨著制冷劑流量的增加而減小，而流道出口段壁面溫度則未出現(xiàn)單調(diào)下降，而是隨著流量上升呈現(xiàn)先平穩(wěn)變化后明顯下降的變化趨勢(shì)。這是由于在流道進(jìn)口段存在過(guò)冷度，制冷劑處于單相流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)換熱以單相對(duì)流為主，因此壁面溫度隨流量增加而下降。而在流道出口處，制冷劑已進(jìn)入沸騰狀態(tài)，與直冷板壁面間的換熱包括強(qiáng)制對(duì)流及核態(tài)沸騰。當(dāng)流量較小時(shí)，制冷劑在冷板內(nèi)換熱機(jī)理以核態(tài)沸騰為主，流量的增加促進(jìn)了接觸面上的強(qiáng)制對(duì)流，但同時(shí)也導(dǎo)致氣化核心減少，氣泡生成受到抑制，從而在一定程度上削弱了核態(tài)沸騰；而隨著流量的進(jìn)一步上升，單相強(qiáng)制對(duì)流逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，此時(shí)流量的增加在提升了換熱效果，使得直冷板出口處壁面溫度降低。

圖7 不同流道進(jìn)出口附近壁面溫度變化Fig.7 Varaition of wall temperature in different channels near inlet and outlet

2.2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

相比于壁面溫度，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可從另一個(gè)方面反應(yīng)直冷板的表面?zhèn)鳠崮芰?。圖8所示為制冷劑入口溫度15 ℃、流量150 kg/h 時(shí)，CH11 當(dāng)?shù)乇砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向的變化。在低熱流密度下(0.5～2 W/cm2)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不沿流動(dòng)方向改變；而在高熱流密度工況(6～10 W/cm2)下，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向逐漸上升，這是由于制冷劑在冷板進(jìn)口處呈過(guò)冷態(tài)，制冷劑與直冷板間保持單相對(duì)流表面?zhèn)鳠?，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)僅與雷諾數(shù)相關(guān)，因此在流量不變的條件下，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不發(fā)生變化；隨著流動(dòng)的進(jìn)行，制冷劑逐漸達(dá)到飽和溫度，氣泡的產(chǎn)生和脫離強(qiáng)化了表面?zhèn)鳠?，此時(shí)表面?zhèn)鳠釞C(jī)理開(kāi)始以核態(tài)沸騰為主，因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿冷板方向呈逐漸上升趨勢(shì)。當(dāng)熱流密度為6 W/cm2、8 W/cm2、10 W/cm2時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增幅分別為20.3%、20.9%、21.2%，熱流密度為10 W/cm2時(shí)增幅最大，此時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從進(jìn)口處的6 800 W/(m2·k)升至出口處的8 200 W/(m2·k)。

圖8 中間流道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向變化Fig.8 Varaition of local heat transfer coefficent of CH11 along flow deriction

圖9 為制冷劑入口溫度15 ℃、流量150 kg/h時(shí)，CH5 和CH11 在不同加熱功率下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向的變化。在低熱流密度下，兩根流道的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本相同，且沿流動(dòng)方向變化幅度較??；而在高熱流密度下，兩根流道內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均沿著流動(dòng)方向呈上升趨勢(shì)，但CH5 的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)顯著高于CH11，同時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)也更為明顯，其差值從入口處的7%升至出口處的24%。這是由于相比于CH11，CH5 內(nèi)的制冷劑流量較少，核態(tài)沸騰更劇烈，制冷劑的沿程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)更高。

圖9 不同流道當(dāng)?shù)乇砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)Fig.9 Local heat transfer coefficent in different channels

3 結(jié)論

本文基于泵循環(huán)兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同工況下平行小通道直冷板的傳熱特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下:

1)當(dāng)熱流密度較低時(shí)，壁面溫度沿流動(dòng)方向呈單調(diào)上升；而在高熱流密度下，壁面溫度沿流動(dòng)方向呈先上升后平緩的趨勢(shì)。

2)在高熱流密度下，流道進(jìn)口附近壁面溫度隨著流量的上升而降低，流道出口附近壁面溫度則隨流量的上升呈先上升后降低的趨勢(shì)。

3)當(dāng)熱流密度較低時(shí)，不同流道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均沿流動(dòng)方向基本保持不變；而在高熱流密度下，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向呈上升趨勢(shì)，當(dāng)熱流密度為10 W/cm2時(shí)增幅最大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從進(jìn)口處的6 800 W/(m2·k)升至出口處8 200 W/(m2·k)，增幅為21%。

4)與中間流道相比，周邊流道壁面溫度更低，同時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)更高，且表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的差值沿著流動(dòng)方向逐漸增加，相差范圍為7%～24%。