R134a 在微通道內(nèi)的流動沸騰兩相壓降特性研究

曹傳超 馮龍龍 賈洪偉

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

隨著電子器件的微型化發(fā)展，其散熱問題逐漸顯現(xiàn)出來。微尺度換熱相比常規(guī)尺度具有更大的傳熱系數(shù)，為目前散熱難題提供了一種重要途徑。壓降作為一個重要的流動特性參數(shù)，對微尺度流動換熱性能分析具有重要意義。學(xué)者們對通道內(nèi)流動沸騰壓降特性進(jìn)行了大量研究：Xu 等人[1]對R134 在不同管徑下進(jìn)行了流動沸騰壓降實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，摩擦壓降隨質(zhì)量通量的增加而變大，隨干度的增加先增后減，隨著飽和壓力和水力直徑的增加而減小，并且隨著熱通量幾乎保持恒定。Hwang 和Kim[2]的研究發(fā)現(xiàn)兩相流壓降隨干度和質(zhì)量通量的增加、內(nèi)徑的減小而增大?，F(xiàn)有的流動沸騰壓降預(yù)測模型常基于常規(guī)尺寸通道，忽略了一些重要因素的影響，如表面張力等。這對預(yù)測模型合理的應(yīng)用提出了要求。因此，本文基于對R134a在微細(xì)通道內(nèi)的壓降特性實(shí)驗(yàn)研究，對常用的壓降預(yù)測模型進(jìn)行了對比和評估。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)圖。經(jīng)冷卻水循環(huán)預(yù)冷的過冷制冷劑流經(jīng)干燥過濾器（DFS-052S-1/4，Hongsen）后，由精密可調(diào)齒輪泵（DMF-1-1B，Micropump）送至實(shí)驗(yàn)段。預(yù)熱段和實(shí)驗(yàn)段分別采用電阻絲將熱和直流短路加熱的方式。測試段管長300 mm，每隔25 mm 設(shè)置一只T 型熱電偶，并在進(jìn)出口通過四通接頭安裝鎧裝熱電偶和壓力傳感器。其中，熱電偶的不確定度約為±0.5 K，壓力傳感器的精度約為滿量程的0.25%。在實(shí)驗(yàn)段外部敷有保溫棉，用以減少實(shí)驗(yàn)漏熱。此外，為保證電極與回路的絕緣，在電極前后安裝了陶瓷管。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

2 數(shù)據(jù)處理

兩相流總壓力梯度(dp/dz)tp,total包含加速項(xiàng)(dp/dz)tp,a、摩擦項(xiàng)(dp/dz)tp,f和重力項(xiàng)(dp/dz)tp,g：

式中：dp/dz 表示實(shí)驗(yàn)段沿程壓力梯度大小。對于水平微細(xì)圓管，其重力壓降可忽略不計(jì)[3]。因此，只考慮兩相加速項(xiàng)和摩擦項(xiàng)。其中，加速項(xiàng)可以表示為：

式中：G、x、ρl和ρv分別表示質(zhì)量通量，干度，液相和氣相的密度。ε 表示空隙率（void fraction），本文的空隙率的計(jì)算采用Rouhanl 和Axelsson[4]的方法：

式中：g 和σ 分別表示重力加速度和表面張力。最終，兩相摩擦壓降項(xiàng)可以表示為：

式中：Δpmeasured 表示實(shí)驗(yàn)測得的進(jìn)出口壓差，L 表示實(shí)驗(yàn)段總管長。

3 結(jié)果與討論

從圖2 可以看到，摩擦壓力梯度隨著平均干度先增加后降低。這是由于在干度較低時(shí)，管內(nèi)的流型主要為泡狀流，其壓力梯度較小，而隨著干度的增加，不斷形成的小氣泡增大了與管壁處的摩擦，壓力梯度也隨之增大。當(dāng)熱流的進(jìn)一步增大，開始出現(xiàn)干涸，此時(shí)，流型開始向霧狀流過渡。而在霧狀流中，氣相占主導(dǎo)，液相以滴狀形式彌散存在，此時(shí)壓力梯度降低，這一現(xiàn)象也與Qi 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[5]。

圖2 壓力梯度的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的比較

表1 為本文選取的5 個常用的壓降預(yù)測模型及其基本信息，可以看到所選模型均適用于制冷劑流動沸騰的壓降預(yù)測。圖2 中也顯示了模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。總體而言，預(yù)測模型值的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但數(shù)值有一定偏差。以1 mm 管（G=1500 kg/(m2·s)）為例，如圖2 所示，Kim 和Mudawar[9]的模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但對于0.5 mm 管，卻有較大偏差，這主要是由于模型中管徑影響比重過大導(dǎo)致的。

表1 已有的兩相壓降模型介紹

將各模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，如圖3 所示?？梢钥吹?，各模型對0.5 mm 管的壓降預(yù)測結(jié)果均偏高，其誤差大多數(shù)處于+30%之外。相比之下，1 mm的管的壓降預(yù)測值比較集中，且預(yù)測效果較好，其中Kim 和Mudawar[9]的模型，準(zhǔn)確度最高。而對于0.5 mm管，誤差數(shù)據(jù)點(diǎn)分布比較分散，偏差較大。其原因?yàn)?.5 mm 管的尺寸更小，管內(nèi)流速更快，阻力變大的同時(shí)，不穩(wěn)定性更高，相應(yīng)的壓力波動比較大。

圖3 模型的預(yù)測結(jié)果的誤差分析

4 結(jié)論

本文對制冷劑R134a 在兩種微通道下的兩相壓降特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與壓降預(yù)測模型的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)論如下：

1）摩擦壓降梯度由于管內(nèi)的流型特性的影響，隨干度的升高，先增大后減小。這現(xiàn)象與模型預(yù)測結(jié)果一致。

2）在評估的5 種壓降預(yù)測模型中，Kim 和Mudawar 的模型對1 mm 管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)了較高的預(yù)測性能，而0.5 mm 管的實(shí)驗(yàn)數(shù)值被模型所高估。

3）相比于1 mm 管，0.5 mm 管的壓降數(shù)值更分散，這表明微細(xì)管徑流動沸騰中，不穩(wěn)定性導(dǎo)致的壓力波動也應(yīng)被考慮進(jìn)預(yù)測模型中。