劉妮 李麗榮 黃千衛(wèi) 鐘澤民（上海理工大學能源與動力工程學院制冷技術研究所 上海 200093）

噴霧參數(shù)對噴霧冷卻換熱特性影響的實驗研究

劉妮 李麗榮 黃千衛(wèi) 鐘澤民
（上海理工大學能源與動力工程學院制冷技術研究所 上海 200093）

搭建了一套封閉式噴霧冷卻實驗系統(tǒng)（水為工質(zhì)），利用高速攝像儀對實驗進行了可視化研究，分析對比了噴霧高度和噴霧壓力在光滑表面及微結(jié)構(gòu)表面對噴霧冷卻換熱特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):相比于光滑表面，在微結(jié)構(gòu)表面上，噴霧高度和噴霧壓力對噴霧冷卻換熱的影響更加明顯。當噴霧高度較高時，降低噴霧高度可明顯提高熱流密度，直至噴霧高度較低且噴霧底圓與換熱面內(nèi)接時，繼續(xù)降低噴霧高度，熱流密度也略有上升；反之，提高噴霧高度則會降低熱流密度，減小工質(zhì)的有效流量，使換熱表面過早出現(xiàn)干涸，表面溫度均勻性變差。但大幅降低噴霧高度會延遲噴霧冷卻進入兩相區(qū)換熱，降低噴霧冷卻效率，并不利于換熱。所以，噴霧高度對噴霧冷卻換熱特性的影響具有兩面性，而噴霧壓力的影響則趨于單一性，增大噴霧壓力能提高噴霧冷卻熱流密度，增強表面溫度均勻性，尤其在單相區(qū)，隨著噴霧壓力的增大，熱流密度明顯增大，最后趨近于一個固定值。

噴霧冷卻；噴霧高度；噴霧壓力；CHF；溫度均勻性

噴霧冷卻是指液態(tài)工質(zhì)經(jīng)噴嘴霧化成細小液滴之后噴射到加熱表面，通過單相或兩相換熱機制帶走熱量的冷卻過程。Tan Shiwei［1］研究發(fā)現(xiàn)在整個噴霧冷卻過程中兩相換熱約占總換熱量的45%～65%，其余熱量主要由強迫對流帶走。如何提高噴霧冷卻的換熱能力和換熱效率是當前研究的熱點。噴霧高度直接影響換熱面接收到的工質(zhì)流量，而流量對噴霧冷卻的熱流密度有很大的影響，普遍研究表明［2-4］，熱流密度一般隨著流量的增加而提高，因為越大的噴射流量就意味著有越多的液滴參與換熱。

Sawyer M等［5］利用水滴與壁面間的相互作用研究了液滴速度對臨界熱流密度（CHF）的影響。研究表明，提高噴射頻率和液滴質(zhì)量流量有利于提高CHF。

韓豐云［6］對噴射錐角為30°的噴嘴在不同噴霧流量下的換熱能力進行了研究，結(jié)果表明:噴霧流量增大后，液滴速度增大，液滴索特直徑減小，液滴數(shù)密度增大，從而加快了液膜的排出，加強了液滴對液膜的擾動和沖刷，使得換熱能力增強。

然而Este K A等［7］發(fā)現(xiàn)大流量會降低噴霧冷卻效率，使單相換熱與兩相換熱的過渡變得不明顯。這說明并不是噴霧流量越大越好。

Visaria M等［8］針對噴射角度對噴霧冷卻換熱的影響進行了理論和實驗研究，通過改變噴射角度而改變實際到達加熱表面的工質(zhì)流量，研究了流量對噴霧冷卻換熱效果的影響。

Mudawar I等［9］通過建立受熱表面上流量分布的理論模型，分析了噴霧冷卻的臨界熱流密度。研究認為當噴霧完全覆蓋表面時的換熱效果最好，此時的噴霧高度為最佳噴霧高度。

謝寧寧等［10］采用垂直噴射，通過改變噴霧高度得到不同的有效流量，以研究流量對噴霧冷卻換熱特性的影響，指出在壓力不變的情況下，工質(zhì)流量越大則得到的熱流密度越大。

Hsieh C C等［11］在實驗中發(fā)現(xiàn)噴霧高度對臨界熱流密度會產(chǎn)生很大影響，噴霧高度越小，臨界熱流密度越大。類似地，Cheng W L等［12-13］的研究結(jié)果顯示:當噴霧完全覆蓋受熱表面時并不是最佳噴霧距離，隨著噴霧距離縮小，熱流密度逐漸增大，當噴霧距離由9.3 mm（完全覆蓋熱源表面）縮小到3.3 mm時，其熱流密度相對增加量約為21%。

此外，在噴霧冷卻過程中，由于液體在泵或高壓氣體作用下，從噴嘴噴出破碎成微小霧滴噴射到換熱表面上進行換熱，所以噴霧壓力會直接影響霧滴的參數(shù)（如:霧滴速度、粒子數(shù)密度和粒徑大小等），而霧滴參數(shù)會影響液滴與液膜間的相互作用，從而進一步影響液體在換熱面上的流動和換熱。

Chen R H等［14-15］研究了噴霧參數(shù)（噴霧流速、霧滴密度、霧滴粒徑）對噴霧冷卻臨界熱流密度的影響。結(jié)果表明:提高噴霧流速和增加平均霧滴數(shù)通量可以同時提高換熱系數(shù)和CHF；減小霧滴粒徑能提高換熱系數(shù)，但對CHF無明顯影響。

陳東芳［16］研究了霧滴粒徑和霧滴速度對噴霧冷卻的影響，增大進口壓力和霧滴速度可以提高換熱系數(shù)，并指出，隨著進口壓力的增加，霧化效果更好，霧滴粒徑變小，導致單個霧滴質(zhì)量減??；由沖量定理可知，即使在霧滴質(zhì)量減少的情況下，霧滴速度的增加也能夠增強液膜擾動，從而提高噴霧冷卻的換熱系數(shù)和CHF。

Abbasi B等［17-18］假設可根據(jù)噴霧壓力預測單相區(qū)的平均換熱系數(shù)，以此建立了理論模型，結(jié)合實驗方法探究了實心噴嘴、空心噴嘴和平口噴嘴在不同噴霧壓力對噴霧冷卻的影響。結(jié)果表明，平均換熱系數(shù)理論預測值與實驗值相差在25%以內(nèi)，說明噴霧壓力可用于預測單相區(qū)的平均換熱系數(shù)。進一步研究發(fā)現(xiàn)臨界熱流密度CHF隨著噴霧壓力升高而增大。

Yan ZB等［19］以R134a為冷卻工質(zhì)，用氣助霧化噴嘴進行實驗研究。結(jié)果表明，在較低的表面溫度情況下，隨著噴嘴進口壓力增大，表面溫差降低，蒸發(fā)壓力對表面最大溫差影響不大。

司春強等［20］研究了氣助霧化噴霧冷卻在無沸騰區(qū)的換熱能力及表面溫度均勻性，得出結(jié)論:在保持熱流密度不變和噴嘴進口水溫不變的情況下，氣液比較低時，溫度均勻性較好，但過度降低氣液比，溫度均勻性會變差。換熱能力最好發(fā)生在氣體壓力和液體壓力相當時，過大增加氣體壓力，會增大耗氣率，不會明顯強化換熱。

孫紀遠等［21］和趙銳［22］發(fā)現(xiàn)隨著噴霧壓力的增大，噴霧流量增大，在相同水平的熱流密度下，換熱表面平均溫度降低，說明換熱效果增強，進一步指出噴霧壓力對噴霧曲線的影響是明顯的。

噴霧高度和噴霧壓力對噴霧冷卻性能的影響已經(jīng)被廣泛關注，而怎樣的高度和壓力為最優(yōu)值，對噴霧冷卻換熱效果更好，以及噴霧高度和噴霧壓力影響噴霧冷卻換熱特性的確切機制，是當前研究的熱點與重點。筆者搭建了一套密閉式噴霧冷卻系統(tǒng)，研究了噴霧參數(shù)對光滑表面和微結(jié)構(gòu)表面噴霧冷卻換熱特性的影響。

1　實驗裝置及方法

如圖1所示，實驗系統(tǒng)主要由供液噴霧系統(tǒng)、模擬熱源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大部分組成。噴霧工質(zhì)（蒸餾水）在微型泵的增壓作用下，依次經(jīng)過緩沖罐、預熱器、過濾器、流量計，然后經(jīng)噴嘴霧化噴射到熱源表面（2 cm2紫銅圓形表面），換熱之后的工質(zhì)在噴霧室內(nèi)被盤管冷卻，然后返回儲液罐，進行下一個循環(huán)。

熱源主要由導熱銅柱、銅塊基座和電加熱棒組成。銅塊基座的直徑為80 mm，銅柱的直徑為16 mm，通過其底部螺栓安裝在銅塊基座之上。在銅塊基座的底部均勻分布7個盲孔，每孔內(nèi)置一個功率為100 W的電加熱棒，總加熱功率700 W。為減少熱損失，熱源上除噴霧表面以外的其余散熱面都包裹一層硅酸鋁保溫棉（導熱系數(shù)λ=0.04 W/（m·K））。為能精確測量試驗銅柱的軸向溫度分布，在銅柱的三層截面上鉆孔內(nèi)置7個K型熱電偶（精度±0.1℃），熱電偶位置示意圖見圖2。

本實驗中采用了方形直肋微結(jié)構(gòu)表面，表面微槽直接在紫銅表面雕刻而成，采用數(shù)控機床加工，精度為±0.02 mm。

所有的溫度信號和壓力信號均由Angilent34970A數(shù)據(jù)采集儀采集并輸入到計算機。利用高清攝像機對加熱表面進行拍攝，觀察換熱表面的液體分布情況和沸騰現(xiàn)象。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

圖2　熱電偶分布圖Fig.2 The distribution diagram of thermocouples

2　噴霧性能評價參數(shù)及誤差分析

熱流密度:通過銅塊基座被加熱的試驗銅柱中豎直方向可視為一維導熱。因此，實驗中先算出每一層截面上熱電偶的平均溫度T1，T2和T3，再由傅立葉導熱定律可推導出銅柱熱流密度。在此采用三層截面之間算得兩次熱流密度再取平均值的方式，即:

式中:λ為銅的導熱系數(shù)；δ為相鄰兩層熱電偶的豎直間距。

熱源表面平均溫度:通過第一層熱電偶的平均溫度和熱流密度推導出熱源表面平均溫度:

式中:Tw為換熱表面的平均溫度；δ1為第一層熱電偶至換熱表面的豎直距離。

換熱系數(shù):噴霧冷卻換熱系數(shù)為熱流密度與表面平均溫度和工質(zhì)入口溫度之差的比值，即:

式中:Tin為噴嘴入口處的工質(zhì)溫度。

表面溫差:噴霧冷卻存在溫度不均勻性，筆者利用表面三點溫度之間的最大差值ΔT反映表面溫度分布的不均勻程度，根據(jù)銅柱內(nèi)第一層熱電偶（K1，K4，K7）的溫度及其熱流密度可以推導出換熱表面上對應三點的溫度Tw1，Tw4和Tw7，即:

對熱流密度和表面溫度進行誤差分析。截面距離誤差和溫度測量誤差分別為±0.1 mm和±0.2℃。熱流密度誤差為εq，表示為:

式中:εx為截面距離誤差；Δx為不同截面之間距離；εt為溫度測量誤差；Δt為不同截面上熱電偶的溫差。根據(jù)實驗測量數(shù)值計算熱流誤差εq在2.2%左右。

表面溫度的誤差εTw可表示為:

式中:ΔT12為截面1和截面2溫差；Δx12為截面1和截面2之間距離；Δx02為換熱表面和截面2之間距離。計算可以得到表面溫度誤差在5.4%。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1高度及流量對噴霧冷卻的影響

3.1.1噴霧高度對熱流密度的影響

本研究中的所有實驗均為垂直噴射（噴嘴軸線與換熱面法線平行），垂直噴射的優(yōu)點是可以避免換熱表面上形成過厚的液膜，液滴沖擊速度大。實驗參數(shù)如表1所示。此外，實驗中噴射高度對換熱表面上工質(zhì)的有效流量影響很大，其工質(zhì)的有效流量與高度關系已列入表2。

表1　實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

表2　有效流量與噴霧高度關系Tab.2 Effective flow rate and spray height

圖3所示為不同噴霧高度下光滑表面與方肋表面的噴霧冷卻曲線。從圖中可以看出，降低噴霧高度即增加表面工質(zhì)的有效流量能提高噴霧冷卻的熱流密度，光滑表面和方形肋片表面都表現(xiàn)出了相同的結(jié)果。因為降低噴霧高度可以提高工質(zhì)的有效流量，意味著有更多的工質(zhì)參與換熱，帶走更多的熱量，這與其他研究者的結(jié)論相同［10］。噴霧冷卻在小流量工況下比大流量工況下先進入兩相區(qū)換熱，并且單相區(qū)向兩相區(qū)過渡比較明顯。因為隨著表面溫度的升高，有更多的液體參與相變換熱，熱流密度迅速增加，小流量的工況下液體蒸發(fā)率高于大流量工況，相變換熱占總量的比例大，因此從單相區(qū)向兩相區(qū)過渡時比較明顯。但是由于工質(zhì)有效流量小，熱流密度進一步升高時就容易出現(xiàn)干涸，隨著干涸區(qū)域的逐漸擴大，最終達到臨界熱流密度（CHF）。

圖3　不同噴霧高度下熱源表面噴霧冷卻曲線Fig.3 The curves for spray cooling of surfaces under the different spray heights

3.1.2噴霧高度對表面平均換熱系數(shù)的影響

圖4所示為不同高度下光滑表面與方肋表面平均換熱系數(shù)隨熱流密度的變化。從圖中可知，隨著噴霧高度的降低，平均換熱系數(shù)增大。這是因為降低噴霧高度，增大了液滴的速度，加強了對表面的沖刷，強化了換熱。在單相區(qū)，方肋表面與光滑表面的平均換熱系數(shù)的變化幅度基本一致。進入兩相區(qū)后，隨著熱流密度增大，方肋表面各高度下的平均換熱系數(shù)增幅明顯大于光滑表面，而且不同高度下平均換熱系數(shù)差距變小。這說明兩相區(qū)內(nèi)相變換熱起主導作用，且表面微結(jié)構(gòu)的存在加強了相變換熱，強迫對流換熱量占總換熱量的比例越來越小，此時噴霧高度對熱流密度及換熱系數(shù)的影響遠不如單相區(qū)。

圖4　不同噴霧高度下平均熱流密度Fig.4 Heat transfer coefficient for spray cooling of surfaces in different spray height

圖5所示為熱流密度為80W/m2時不同噴霧高度下方形肋片表面液體分布情況。在此熱流密度下，噴霧高度為H=6 mm時，噴霧冷卻仍處于單相區(qū)換熱。H=8 mm時，表面開始出現(xiàn)細小氣泡，噴霧冷卻即將進入兩相區(qū)。H=10 mm時，噴霧冷卻完全處于兩相區(qū)，大量的氣泡生長和破裂，相鄰微槽間氣泡生長合并，出現(xiàn)局部劇烈沸騰現(xiàn)象。增大噴霧高度，工質(zhì)有效流量減小，液膜整體變薄，大部分區(qū)域液膜厚度低于微槽深度，氣泡合并現(xiàn)象減弱，表面中心區(qū)域由于缺少液體開始出現(xiàn)干涸現(xiàn)象。繼續(xù)增大噴霧高度，當H=14 mm時，表面中心區(qū)域的干涸面積進一步擴大，液膜變薄，縮短了氣泡生長周期，此時液膜厚度整體低于微槽深度，不存在相鄰微槽間氣泡的合并現(xiàn)象。

3.2噴霧壓力對噴霧冷卻的影響

本研究中，壓力實驗的噴霧高度為12 mm。對不同噴霧高度下的有效流量進行測量后發(fā)現(xiàn)，當噴霧高度H=12 mm時，工質(zhì)有效流量基本不隨噴霧壓力變化，因此可以更加準確地分析噴霧壓力對噴霧冷卻換熱性能的影響。實驗中壓力變化范圍為230～600 kPa。

圖5　不同噴霧高度下方形肋片表面液體分布Fig.5 Fluid distribution of square pin fins surface under different spray heights

3.2.1不同噴霧壓力對熱流密度的影響

從圖6可知，隨著噴霧壓力的增大，噴霧冷卻曲線向左上方移動，即沿著更高熱流密度，更低表面溫度方向移動。具體表現(xiàn)為在相同的表面溫度下，增大噴霧壓力可以增大熱流密度。例如光滑表面對應溫度為95℃時，各噴霧壓力對應的熱流密度依次為55.9 W/cm2，61.7 W/cm2，66.1 W/cm2，70.6 W/cm2和73.8W/cm2。前面提到，在H=12 mm時，換熱表面工質(zhì)有效流量基本相當，因此改變噴霧壓力主要是通過改變液滴速度，進而影響噴霧冷卻換熱效果。壓力越大，液體出口速度大，液膜移動速度快，強迫對流效果好。但由熱流密度增幅可知，隨著噴霧壓力的增大，熱流密度的增幅逐漸減小。這就意味著隨著噴霧壓力的增大，熱流密度越來越趨近于固定值。在單相區(qū)當其他條件保持不變時，壓力的增大主要有兩方面的影響:一方面液滴速度增大，加快了換熱表面上液膜的排出，液滴容易穿透液膜，加強了液膜擾動，起到強化換熱的作用；另一方面液滴對換熱表面沖擊的阻礙作用不再明顯，換熱能力得到很好的改善。在高壓力工況下，上方液體對液膜的沖刷力遠遠大于毛細力，此時的換熱情況與光滑表面類似。

圖6　不同噴霧壓力下兩種表面噴霧冷卻曲線Fig.6 The curves for spray cooling of surfaces under different spray pressures

3.2.2不同噴霧壓力對表面換熱系數(shù)的影響

由圖7（a）可知，對于光滑表面，在單相區(qū)隨著熱流密度增加平均換熱系數(shù)逐漸增大，不同噴霧壓力間平均換熱系數(shù)差距較大，因為噴霧冷卻在單相區(qū)主要以強迫對流為主，所以增大噴霧壓力能夠有效地提高對流換熱系數(shù)。進入兩相區(qū)后由于工質(zhì)的相變，平均換熱系數(shù)迅速增大，但不同噴霧壓力間平均換熱系數(shù)差距變小。在兩相區(qū)噴霧冷卻換熱方式以相變換熱為主，強迫對流占總換熱量的份額較小，因此，相比于單相區(qū)，改變噴霧壓力對平均換熱系數(shù)的影響較小。

圖7　不同噴霧壓力下兩種表面平均換熱系數(shù)Fig.7 Heat transfer coefficient of surfaces under different spray pressures

由圖7（b）可知，對于方形肋片表面，不同噴霧壓力下的平均熱流密度曲線均出現(xiàn)一個相同的趨勢。在熱流密度較小時，平均換熱系數(shù)隨著熱流密度的增加出現(xiàn)明顯的增大，隨后很長一段時間保持穩(wěn)定，基本不隨熱流密度變化，直到進入兩相區(qū)后平均換熱系數(shù)出現(xiàn)突升。本實驗中方形肋片表面最大換熱系數(shù)為1.55 W/（cm2·K），相同條件下光滑表面的最大換熱系數(shù)為1.31 W/（cm2·K）。方形肋片表面噴霧冷卻在兩相區(qū)換熱時，液膜厚度整體低于微槽高度，在毛細力作用下液體重新分布，形成均勻穩(wěn)定的液膜，有效促進了液膜的蒸發(fā)，強化了換熱效果。對比圖7 （a）和（b）可知，噴霧冷卻由單相區(qū)向兩相區(qū)過渡時，方形肋片表面比光滑表面更加明顯，因為微結(jié)構(gòu)表面工質(zhì)相變份額更大。

4　結(jié)論

用高速攝像儀對噴霧冷卻中光滑表面和微結(jié)構(gòu)表面的液體分布進行了可視化研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1）噴霧高度對噴霧冷卻換熱特性的影響具有兩面性。相比于光滑表面，在方形直肋表面上，噴霧高度和噴霧壓力對噴霧冷卻換熱的影響更加明顯。當噴霧高度較高時，降低噴霧高度可明顯提高熱流密度，直至噴霧高度較低且噴霧底圓與換熱面內(nèi)接時，繼續(xù)降低噴霧高度，熱流密度也略有上升；反之，提高噴霧高度會降低熱流密度，減小工質(zhì)的有效流量，使換熱表面過早出現(xiàn)干涸，表面溫度均勻性變差。但大幅降低噴霧高度會延遲噴霧冷卻進入兩相區(qū)換熱，降低噴霧冷卻效率，并不利于換熱。

2）噴霧壓力對噴霧冷卻換熱特性的影響趨于單一性，增大噴霧壓力能提高噴霧冷卻熱流密度，增強表面溫度均勻性，尤其在單相區(qū)，隨著噴霧壓力的增大，熱流密度明顯增大，最后趨近于一個固定值。

3）表面微結(jié)構(gòu)的存在能夠提高工質(zhì)蒸發(fā)率，使噴霧提前進入兩相區(qū)。與光滑表面相比，方形肋表面的噴霧冷卻效果由單相區(qū)向兩相區(qū)過渡時更加明顯。

符號說明

CHF——臨界熱流密度，W/cm2

λ——導熱系數(shù)，W/（m·K）

q——熱流密度，W/cm2

T——溫度，℃

Δ

T——表面溫差，℃

δ——熱電偶距換熱表面距離，mm

h——換熱系數(shù)，W/（cm2·K）

Tw——換熱表面平均溫度，℃

Tin——噴嘴入口處工質(zhì)溫度，℃

εq——熱流密度誤差

εx——截面距離誤差

Δx——截面與換熱面之間距離，mm

εt——溫度測量誤差

Δt——截面間熱電偶的溫差，℃

εTw——表面溫度的誤差

H——噴霧高度，mm

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Li Lirong，female，graduate student，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 18301932868，E-mail:llr_320@163.com.Research fields:electronic cooling.

The Influence of Spray Parameters on Heat Transfer Characteristics in Spray Cooling

Liu Ni Li Lirong Huang Qianwei Zhong Zemin
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Testing system is builtup to study the heat transfer characteristics ofmicro-structure and smooth surface under the conditions of different spray heightand spray pressure.The experiment is carried out in a closed loop spray cooling system with water as theworking fluid with high speed camera.The experimental results indicate that both the spray height and spray pressure playmore significant role in the spray cooling performance of themicro-structure surface than smooth surface.When the spray height staying in a high level，decreasing it until the critical height as indicated can obviously improve the heat flux，acquire higher CHF；Continually reducing the spray height can still slightly improve the heat flux，buta largemargin reduction of the spray height can result in a decrease of heat flux and even delay the time of transition to two phase region.Thus the influence of spray height has two sides，different from the spray pressure，whose effect is monistic.Increasing the spray pressure can improve the heat flux and enhance the uniformity of the temperature distribution，especially in single phase region，and the heat flux increase obviously until to a stable value with the increasing of spray pressure.

spray cooling；spray height；spray pressure；CHF；temperature uniformity

About the

TK124；TK172

A

0253-4339（2016）05-0093-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.093

2015年7月30日

簡介

李麗榮，女，在讀研究生，上海理工大學能源與動力工程學院，18301932868，E-mail:llr_320@163.com。研究方向:電子元件冷卻技術。