R134a閉式噴霧冷卻傳熱性能實驗研究

周年勇， 馮浩 許泓燁 劉文博 郭藝星 甘新海

(1 常州大學石油工程學院 常州 213164；2 新鄉航空工業(集團)有限公司 新鄉 453049)

噴霧冷卻過程的傳熱具有傳熱溫差小、工質用量少、無沸騰滯后性和熱通量大等優點。目前已初步應用到相關行業，可以解決激光器運行產生大量廢熱導致的設備損毀[1]、磨削加工產生回火和淬火燒傷形成變質層[2－3]、大功率電子設備運行時的高效穩定散熱需求[4]等問題。

噴霧冷卻傳熱性能的影響因素[4－5]有許多，包括噴嘴霧化特性、散熱表面特性、工質流體特性和工作環境特性等。曹磊等[6－8]認為噴霧流量增大對傳熱過程有促進作用并且存在上限，同時臨界熱流密度隨流量的增大而增大[9－10]。Li Qiang 等[7]認為過冷度的提高在大流量時對傳熱效果增強明顯，E.Cabrera等[11－12]在實驗中得出類似結論，并認為過冷度的影響在于改變顯熱與潛熱的比例，而錢春潮等[8]認為過冷度的影響不顯著。噴霧入口壓力對傳熱性能影響較為明顯[13]，入口壓力升高能夠提高臨界熱流密度[14－15]，其根本原因在于提高入口壓力能夠顯著增大噴霧流量，改善霧化效果。噴霧腔內壓力對傳熱影響很大，劉炅輝等[14－16]發現當腔內壓力增大時，臨界熱流密度和傳熱系數都有所提高，而表面溫度由于工質飽和溫度的提高會增大。J.L.Xie等[17]發現較大的噴霧空間和合理的排液設計能減少冷卻表面的制冷劑浸沒，這使得制冷劑蒸發份額明顯增大，相應地提高了臨界熱流密度。此外，表面粗糙度[12]、重力角度和噴霧距離[18]等均對傳熱有不同程度的影響。

目前，噴霧冷卻在臨界熱流密度、影響因素等方面的研究取得較大的進展，但在以制冷劑閉式噴霧冷卻系統中的研究結果存在部分爭議。在實際應用中，以制冷劑為工質的閉式噴霧冷卻為了確保冷卻系統安全可靠地運行，往往在核態沸騰轉折點之前以穩態工況運行。因此，本文搭建以R134a 為工質的閉式噴霧冷卻實驗臺，進一步研究穩態工況下制冷劑流量、過冷度、充注量等因素對表面傳熱性能的影響，揭示其作用機理，為噴霧冷卻技術的工程應用提供理論及數據支撐。

1 實驗系統原理

本文中的閉式循環噴霧冷卻系統如圖1所示，主要由噴霧腔、加熱系統、供液系統、測控系統組成。運行原理為:氣態制冷劑從氣液分離器流出，經壓縮機壓縮后進入預冷器進行初步冷卻，隨后進入冷凝器冷凝至過冷液態；過冷制冷劑流過流量計后，由噴嘴噴射至實驗段頂部表面；霧化良好的制冷劑液滴沖擊實驗段表面去除大量的熱；換熱后的制冷劑流入預冷器升溫，以確保管內制冷劑為氣態；氣態制冷劑流經水冷器以使制冷劑溫度達到壓縮機入口溫度要求；最后制冷劑回到氣液分離器中，完成一次循環。

圖1 閉式循環噴霧冷卻實驗系統Fig.1 Closed-loop spray cooling experimental system

圖2所示為加熱系統的熱源結構。實驗段為純銅材質，表面直徑為24 mm。在距離實驗段表面16.5 mm、24.5 mm、32.5 mm、40.5 mm 的中心放置K型熱電偶，從上至下依次為T1、T2、T3、T4。熱源加熱功率由智能參數測量儀(PW9901)控制，本實驗加熱功率范圍為350～600 W。另外，噴嘴由美國斯普瑞公司生產，型號為1/8GG-SS3002.5。

2 數據處理與誤差分析

2.1 數據處理方法

實驗段熱源圓柱的長度方向包覆巖棉絕熱保溫層，熱量僅沿實驗段軸向傳遞，因此實驗段逐步降溫的過程遵循一維導熱規律[16]。將傅里葉導熱定律簡化后，得到穩態下一維導熱熱流密度計算公式:

式中:q為實驗段軸向熱流密度，W/m2；λ為純銅導熱系數，W/(m·℃)。

其中，沿實驗段軸向的溫度梯度為:

圖2 熱源結構Fig.2 Structure of heat source

式中:Tn為熱電偶測點溫度，℃；xn為熱電偶距實驗段表面距離，m。

由于實驗段軸向溫度分布呈一維特性，則實驗段表面溫度為:

閉式噴霧實驗中，腔內壓力下的飽和溫度基本等于腔內溫度。將實驗段表面的對流邊界條件與熱流密度邊界條件耦合，得到實驗段表面傳熱系數:

式中:Tc為噴霧腔內溫度，℃。

在對流及沸騰傳熱過程中，噴霧冷卻傳熱性能可由無量綱數雷諾數Re、韋伯數We、雅各布數Ja反映，相關的定義式如下:

式中:ρ為密度，kg/m3；Gv為體積流量，L/min；D為實驗段當量直徑，m；μ為動力黏度，Pa·s；cp為比熱容，J/(kg·℃)；u0為噴霧液滴速度，m/s；d32為液滴索特平均直徑，m；Tc為腔內溫度，℃；Tsat為制冷劑飽和溫度，℃；γlh為制冷劑汽化潛熱值，kJ/kg。

2.2 誤差分析

根據誤差傳遞公式[15]，實驗中熱流密度、加熱表面溫度、表面傳熱系數的不確定度分別為±5.6 %、±2.9 %和±5.4 %。

表1 測量參數及精度Tab.1 Measurement data and accuracy of devices

3 結果與討論

為研究噴霧冷卻傳熱的影響因素及傳熱規律，在一定流量、過冷度及制冷劑充注量下，多次調節加熱功率，進行穩態實驗。

3.1 流量對傳熱過程的影響

在充注量為0.95 kg、無過冷度條件下，研究各加熱功率下流量變化對噴霧換熱性能的影響。由圖3、圖4 可知，表面傳熱系數隨流量增大而逐漸增大，表面溫度隨流量增大而逐漸降低。

圖3 表面傳熱系數隨流量變化Fig.3 Variations of heat transfer coefficient with different flowrate

圖4 表面溫度隨流量變化Fig.4 Variations of surface temperature with different flowrate

在熱流密度較低時，流量增大顯著地促進了表面對流換熱強度。因此表面傳熱系數有較明顯的提高，表面溫度也隨之下降。在高熱流密度下，表面換熱系數增幅較小，表面溫度下降有限。流量從0.20 L/min增至0.25 L/min，在高熱流密度(84.02 ～ 105.25 W/cm2)下表面傳熱系數平均提升4.2 %，在低熱流密度(45.93～72.55 W/cm2)下表面傳熱系數平均提升5.6 %。

3.2 過冷度對傳熱過程的影響

在制冷劑流量為0.184 L/min、充注量為0.95 kg條件下，研究不同加熱功率下過冷度變化對噴霧冷卻換熱性能的影響。由圖5、圖6 可知，相比較高的熱流密度，在低熱流密度時表面傳熱系數提升較大；表面溫度隨過冷度提高而有所降低，但在高熱流密度下過冷度增大導致表面溫度升高。過冷度從5 ℃增至8 ℃，高熱流密度下表面傳熱系數平均提升0.9 %，低熱流密度下平均提升2.0 %。

圖5 表面傳熱系數隨過冷度變化Fig.5 Variations of heat transfer coefficient with different subcooling degree

圖6 表面溫度隨過冷度變化Fig.6 Variations of surface temperature with different subcooling degree

對以上結果進一步分析，低熱流密度下，隨著過冷度的增大，表面傳熱系數逐漸增大，但增幅逐漸變緩；高熱流密度下，隨著過冷度的增大，表面傳熱系數呈先增大再減小的趨勢。這是由于熱流密度較低時，系統的蒸發壓力較低，且系統飽和溫度受過冷度的影響較小，制冷劑經噴嘴節流后，狀態點處于兩相區。此時，噴射向熱源表面的制冷劑混有一定量的閃發蒸氣，閃發蒸氣在一定程度上會阻礙換熱，而增大過冷度，使得節流后的狀態點向飽和液體點靠近，減少了閃發蒸氣量，提升了換熱能力，使得傳熱系數增大；但是隨著熱流密度的增大，系統的蒸發壓力逐漸提高，隨著過冷度的增大，節流后的狀態點從兩相區逐漸過渡到液相區，制冷劑從液相區開始蒸發，沸騰換熱的份額降低，相應的表面傳熱系數也會減小。由于不同熱流密度下換熱方式的改變導致顯熱與潛熱份額比例發生變化，所以不同研究人員對過冷度的影響存在爭議。

綜上所述，在同一熱流密度下，當過冷度足夠大時，隨著過冷度的增大，表面傳熱系數均會呈現先增大再減小的趨勢。但從數值上來說，提高過冷度對噴霧相變冷卻傳熱性能的增強效果極其有限。

3.3 制冷劑充注量對傳熱過程的影響

實驗通過改變制冷劑充注量來研究噴霧換熱性能的變化。腔內壓力隨充注量增加顯著增大，隨流量和過冷度的變化無明顯變化，因此僅在充注量改變時分析無量綱數對傳熱性能的影響。

由圖7 可知，隨著充注量增加，表面傳熱系數先有較大幅度的提升而后趨于穩定。相比較低的熱流密度，較高熱流密度下的表面傳熱系數隨充注量增加提升幅度更大。當充注量從0.95 kg 增至1.25 kg，高熱流密度下表面傳熱系數平均提升11.2 %，低熱流密度下平均僅提升4.9 %。

圖7 表面傳熱系數隨充注量變化Fig.7 Variations of heat transfer coefficient with different charge

由圖8 可知，表面溫度隨著換熱系數的提高出現明顯上升。這是由于在閉式噴霧系統中，制冷劑充注量提高使得噴霧制冷循環曲線上移，冷凝溫度提高，進而導致噴嘴出口溫度上升。相比較低的熱流密度，高熱流密度下表面沸騰換熱較強，表面溫度上升得到控制。

圖8 表面溫度隨充注量變化Fig.8 Variations of surface temperature with different charge

圖9、圖10、圖11所示分別為噴霧冷卻無量綱參數Re數、We數和Ja數隨充注量的變化曲線。由圖9、圖10 可知，隨著制冷劑充注量的增加，Re數和We數均先明顯增大而后增幅有所放緩。由圖11 可知，Ja數隨著充注量增加大幅降低，并且隨著熱流密度提高也略微減小。

圖9 Re 隨充注量變化Fig.9 Variations of Re with different charge

圖10 We 隨充注量變化Fig.10 Variations of We with different charge

綜合圖7～圖11 分析，當處于較低的熱流密度時，表面以對流換熱方式為主。充注量增加引起制冷劑流量增大、噴霧霧化效果增強；同時Ja數減小，核態沸騰受抑制進一步使傳熱向對流方式轉變。因此，表面傳熱系數的變化趨勢幾乎正比于Re數與We數。較高熱流密度下，充注量從0.95 增至1.05 kg，Ja數降低的負面影響很小，而表面核態沸騰強度明顯增大。這使得表面傳熱系數明顯增大，相應的表面溫度有所下降。當充注量繼續增加時，Ja數進一步減小使得核態沸騰受抑制，由于此時流量增大和霧化效果較好，兩者的共同作用使得表面傳熱系數進一步提高，但增幅受限制。

圖11 Ja 隨充注量變化Fig.11 Variations of Ja with different charge

本實驗中，制冷劑充注量為1.05 kg 左右時，充注量增加對表面換熱性能的促進作用達到最大，表面傳熱系數比充注量為0.95 kg 時有較明顯提高，且此時表面溫度也被控制在較低的水平。因此對于閉式噴霧冷卻系統，存在最佳制冷劑充注量使得換熱性能處于較高水平。

4 結論

本文以R134a 為工質進行了閉式噴霧冷卻傳熱實驗，研究了制冷劑流量、過冷度及制冷劑充注量對表面換熱性能的影響。得到結論如下:

1)增大制冷劑流量能夠有效提升噴霧冷卻的傳熱性能，且低熱流密度下提升效果更佳；

2)提高過冷度對表面傳熱系數的提升作用有限。過冷度從5 ℃增至8 ℃，低熱流密度時表面傳熱系數提升2.0 %，高熱流密度時僅提升0.9 %；

3)增大制冷劑充注量，表面傳熱系數先大幅提升后趨于穩定。當充注量從0.95 kg 增至1.25 kg，高熱流密度時傳熱系數提升11.2 %，低熱流密度時提升4.9 %；

4)存在一個最佳制冷劑充注量使閉式噴霧冷卻系統傳熱性能達到最佳，本文實驗條件下最佳充注量約為1.05 kg。