陳玉敏 劉東堯

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 210094）

兩種不同工質(zhì)在微通道內(nèi)沸騰換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

陳玉敏 劉東堯

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 210094）

為研究流體物性、流動(dòng)和換熱過程的狀態(tài)參量對(duì)微通道內(nèi)沸騰換熱特性的影響規(guī)律，本文采用去離子水和無水乙醇在當(dāng)量直徑為0.293 mm的矩形微通道進(jìn)行了不同質(zhì)量流量和熱流密度條件下的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，分析總結(jié)了流體的熱物性、質(zhì)量流量、熱流密度、干度和Bo數(shù)等參量對(duì)沸騰換熱系數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：沸騰換熱系數(shù)隨著熱流密度、干度和Bo數(shù)的增大而降低，核態(tài)沸騰占主導(dǎo)地位；相同的質(zhì)量流量和熱流密度條件下，去離子水的沸騰換熱系數(shù)明顯高于無水乙醇的沸騰換熱系數(shù)，并且前者的換熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的增大而增大，而后者變化不明顯。根據(jù)考慮了通道尺寸效應(yīng)及流體物性參量總結(jié)出的換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)去離子水和無水乙醇的平均絕對(duì)誤差分別為14.2%和16.6%，可認(rèn)為該關(guān)聯(lián)式適用于微通道內(nèi)沸騰換熱系數(shù)的預(yù)測(cè)。

微通道；流動(dòng)沸騰；熱流密度；實(shí)驗(yàn)研究；換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，電子器件的集成化和高頻化程度不斷提高，同時(shí)電子器件的特征尺寸不斷減小，導(dǎo)致芯片的熱流密度不斷增加。微尺度通道內(nèi)的傳熱問題自上個(gè)世紀(jì)80年代在高密度微電子器件冷卻的工程背景下被提出至今，已在國(guó)際上引起了前所未有的研究熱潮。傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)由于存在換熱效率低、出現(xiàn)故障頻率高、能量損失高等弊端已不再使用［1］。尺度微小化為微尺度沸騰換熱帶來了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：一方面，微小的尺度能夠滿足電子設(shè)備和機(jī)械設(shè)備緊湊化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)冷卻散熱方式設(shè)備體積大、單位空間熱流密度低，很難達(dá)到有限空間內(nèi)高效冷卻要求的不足；另一方面，微尺度沸騰換熱通過相變換熱，將沸騰換熱特性與微尺度效應(yīng)相結(jié)合，不僅可以充分利用微細(xì)通道的強(qiáng)化傳熱作用以及工質(zhì)流動(dòng)沸騰過程中傳遞大量的汽化潛熱，而且可以保持液體溫度的恒定，增大換熱量，在不提高換熱設(shè)備的運(yùn)行溫度的同時(shí)保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。電子器件散熱情況的好壞以及表面溫度的均勻性直接影響設(shè)備運(yùn)行狀況，據(jù)研究表明，單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度每升高10℃，系統(tǒng)可靠性將降低50%，超過55%的電子設(shè)備失效是由于溫度過高引起的［2］?？萍嫉目焖侔l(fā)展、工藝加工水平（光刻技術(shù)、微放電加工技術(shù)等）的提高和生產(chǎn)的實(shí)際需要更是推動(dòng)了微尺度傳熱的發(fā)展。因此，隨著微尺度換熱研究的不斷深入，必將突破更多的微電子器件和緊湊換熱器件的設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸。

微尺度傳熱被廣泛地用于微電子機(jī)械（MEMS和MST）和計(jì)算機(jī)CPU的冷卻、石油化工的催化反應(yīng)、航空航天艙內(nèi)熱環(huán)境控制、材料加工過程以及低溫制冷與機(jī)車空調(diào)等對(duì)換熱量要求較大和空間要求苛刻的行業(yè)領(lǐng)域。Piasecka M［3］研究了微針肋槽道中的流動(dòng)沸騰換熱，觀察了槽道中介質(zhì)在發(fā)生流動(dòng)沸騰前的現(xiàn)象。Popov I A等［4］實(shí)驗(yàn)研究了微結(jié)構(gòu)表面的沸騰換熱特性，分析了不同尺寸和形狀的微結(jié)構(gòu)表面沸騰換熱現(xiàn)象。Yuan W等［5］分別針對(duì)熱流密度、蒸氣質(zhì)量以及通道水力直徑對(duì)于微空間內(nèi)沸騰換熱的影響進(jìn)行了研究。鄭志皋等［6］對(duì)單面加熱豎直矩形窄通道進(jìn)行了可視化的實(shí)驗(yàn)研究，探究矩形窄通道內(nèi)流動(dòng)沸騰及傳熱現(xiàn)象的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)矩形窄通道流動(dòng)沸騰過程的換熱系數(shù)存在最大值，此時(shí)以飽和核沸騰為主。鄧聰?shù)龋?］以制冷劑R22為工質(zhì)在水力直徑為0.92 mm，1.33 mm和2 mm的矩形微通道內(nèi)進(jìn)行了流動(dòng)沸騰及可視化實(shí)驗(yàn)，分析和比較了制冷劑在三種水力直徑下的傳熱效果，并擬合出了新的傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。姜林林等［8］針對(duì)CO2在微細(xì)管道內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱特性及其過程中發(fā)生的干涸特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究，采用紅外成像觀測(cè)與換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究定量與定性地分析了不同工況下的換熱系數(shù)。魏進(jìn)家等［9］對(duì)自主開發(fā)的微米級(jí)柱狀微結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化沸騰換熱研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，與其他強(qiáng)化沸騰換熱表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，總結(jié)并分析了各種強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。葛琪林等［10］在內(nèi)徑為2 mm的水平不銹鋼微通道內(nèi)對(duì)R410A的沸騰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干度大于0.5時(shí)，隨著熱流密度的上升，沸騰換熱系數(shù)顯著上升；當(dāng)干度小于0.5時(shí)，熱流密度對(duì)換熱系數(shù)的影響十分微弱。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流率和飽和溫度對(duì)換熱系數(shù)的影響很小。銀了飛等［11］以去離子水為工質(zhì)，利用可視化手段實(shí)驗(yàn)研究矩形截面微通道（1 mm×0.5 mm）內(nèi)發(fā)生流動(dòng)沸騰時(shí)氣泡的生長(zhǎng)和受限現(xiàn)象。通過對(duì)比不同運(yùn)行工況下的氣泡受限現(xiàn)象，分析討論了氣泡受限過程中其界面形狀變化規(guī)律及影響因素。

雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)不同結(jié)構(gòu)和尺寸的微通道采用各種常用的或潛在的換熱工質(zhì)進(jìn)行了較為廣泛的實(shí)驗(yàn)研究和分析，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并總結(jié)出若干種能預(yù)測(cè)微通道內(nèi)沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。但是，由于實(shí)驗(yàn)條件和工況的差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)并不能得到令人滿意的結(jié)論，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的規(guī)律甚至相互矛盾。Lee H J等［12］曾在前人的研究基礎(chǔ)上，通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，歸納出能夠以較低平均絕對(duì)誤差（MAE）計(jì)算微通道內(nèi)沸騰換熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套多通道并聯(lián)的小／微通道的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)裝置，采用水為工質(zhì)研究通道特征尺寸、流動(dòng)和傳熱條件對(duì)沸騰換熱特性的影響，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正［13］。本文主要研究不同工質(zhì)在當(dāng)量直徑為0.293 mm的微通道的沸騰換熱特性，通過改變工質(zhì)種類、流動(dòng)和換熱條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算與流動(dòng)換熱相關(guān)的參量及其對(duì)換熱特性的影響，進(jìn)一步檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的適用性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

研究所用的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟與前期實(shí)驗(yàn)工作基本相同［13］，圖1給出了該實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)顯恒流泵1將恒溫槽4內(nèi)的恒溫流體通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)2送至微通道模塊3；微通道模塊底部的加熱棒由穩(wěn)壓電源6提供加熱功率，完成對(duì)通道模塊的加熱；在微通道模塊換熱面下部采用T熱電偶組合5和Agilent數(shù)據(jù)采集器7完成溫度的監(jiān)測(cè)，并由計(jì)算機(jī)8保存和顯示；沸騰后的流體由微通道模塊出口引入冷凝器9返回恒溫槽4。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 The equipment figure of experimentation

微通道模塊的結(jié)構(gòu)及測(cè)溫點(diǎn)的分布示意圖如圖2所示，微通道實(shí)驗(yàn)段通道長(zhǎng)度為52 mm，平行排布了61條寬0.2 mm和高0.55 mm的微通道，每個(gè)通道的當(dāng)量直徑為0.293 mm。

圖2 微通道模塊測(cè)溫點(diǎn)示意圖Fig.2 Tem perature measuring points of m icro-channels module

在微通道模塊換熱面下部沿?zé)崃鞣较蛏喜贾?組熱電偶記錄沿流動(dòng)方向溫度的分布和變化；同時(shí)在微通道的入口水槽和出口水槽各放置一只熱電偶，用來監(jiān)控流體的入口和出口溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中8組熱電偶測(cè)點(diǎn)處于傳熱模塊中間位置，并且同時(shí)排布了61條通道，降低了熱量的橫向傳遞對(duì)熱流的影響。因此，可利用兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)間的溫差、間距和材料的導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的熱流密度，并根據(jù)測(cè)點(diǎn)的外插得到微通道換熱表面的壁面溫度。

根據(jù)傅里葉定律，沿兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間從上到下的熱流密度可表示為：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)位置處的熱流密度的計(jì)算表明，沿著流動(dòng)方向上熱流密度的值是變化的。這是因?yàn)榱黧w流經(jīng)通道時(shí)，其溫度或干度的變化影響了表面上的沸騰換熱。為了對(duì)每一種加熱條件下給出一個(gè)確定的熱流密度，將各測(cè)點(diǎn)的熱流密度進(jìn)行平均，可得到表現(xiàn)整個(gè)微通道壁面的熱流密度平均值：

式中：qx″為各測(cè)點(diǎn)處的熱流密度，W／m2。

從加熱模塊橫截面上傳來的熱量，除了在微通道表面上與流體進(jìn)行熱交換，被流體吸收外，還有部分熱量損失到周圍環(huán)境中。此熱量的損失與對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量和熱流密度相關(guān)。這里通過確定質(zhì)量流量調(diào)節(jié)下的單相流的熱平衡計(jì)算熱效率。

單相流動(dòng)時(shí)流體流過微通道吸收的熱量可以用進(jìn)出口溫差和流量計(jì)算出來，則熱效率為工質(zhì)吸收的熱量與加熱模塊橫截面上的熱量之比：

式中：Tout為微通道出口處工質(zhì)溫度，K；Tin為微通道入口處工質(zhì)溫度，K；cpm為工質(zhì)的定壓比熱容，J／（kg·K）；為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg／（m2·s）；Amcb為加熱模塊橫截面積，m2。

起沸點(diǎn)是微通道內(nèi)工質(zhì)達(dá)到當(dāng)?shù)仫柡蜏囟葧r(shí)的位置與微通道入口之間的距離，根據(jù)能量守恒可得：

式中：Dw為加熱壁面潤(rùn)濕周長(zhǎng)，m；lB為入口與起沸點(diǎn)之間的距離，m；Tsat為流體的當(dāng)?shù)仫柡蜏囟?，K。

當(dāng)工質(zhì)沸騰之后，部分液體吸收壁面的熱量并汽化。液體汽化的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為干度，由能量平衡可得不同位置處的干度的表達(dá)式為：

式中：lx為所需干度點(diǎn)離入口的距離，m；hfg為工質(zhì)的汽化潛熱，J／kg；X為lx處的干度。

根據(jù)牛頓冷卻定律可以推導(dǎo)出微通道內(nèi)工質(zhì)沸騰后形成氣液兩相流流動(dòng)時(shí)沸騰換熱系數(shù)的表達(dá)式［12］：

式中：w為微通道的寬度，m；δ為相鄰兩微通道間的壁面厚度，m；d為微通道的深度，m；ηfin為表示肋片系數(shù)，其計(jì)算式為：

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)行不同工質(zhì)、質(zhì)量流量和熱流密度條件下的換熱特性實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試并記錄相關(guān)參數(shù)。采用前述數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算相關(guān)參量，分析比較流體物性、質(zhì)量流量、熱流密度、干度和沸騰數(shù)等參量對(duì)換熱特性的影響。

2.2.1 局部沸騰換熱系數(shù)的變化規(guī)律

目前，揚(yáng)州市出臺(tái)了多項(xiàng)惠補(bǔ)政策，支持秸稈還田、收儲(chǔ)和綜合利用各個(gè)環(huán)節(jié)，如秸稈機(jī)械化還田標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)補(bǔ)助為20元/667m2(高郵和寶應(yīng)按省政府有關(guān)政策文件25元/667m2)，秸稈收貯補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)不低于50元/t，利用秸稈的補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)不低于25元/t，對(duì)于秸稈收貯和利用的補(bǔ)貼力度遠(yuǎn)低于機(jī)械還田，相對(duì)于較高的運(yùn)行成本，政策補(bǔ)貼難以體現(xiàn)支持效果，極大影響秸稈收貯和利用產(chǎn)業(yè)主體的積極性。部分政策支持門檻較高，難以惠及小規(guī)模秸稈利用主體；對(duì)新建項(xiàng)目支持力度大，對(duì)建成后的常態(tài)化運(yùn)行和終端產(chǎn)品扶持力度不足[13]。不少企業(yè)發(fā)展面臨困局，盈利空間受到擠壓，生存環(huán)境十分嚴(yán)峻。

通過測(cè)量微通道換熱面下部的8組位置處的溫度值，可以推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)位置處的熱流密度和通道表面溫度，根據(jù)式（6）可以計(jì)算對(duì)應(yīng)位置上的局部沸騰換熱系數(shù)。圖3和圖4分別給出了去離子水在99.4 kg／（m2·s）質(zhì)量流量條件下和無水乙醇在79 kg／（m2·s）質(zhì)量流量下，各測(cè)點(diǎn)位置處的局部沸騰換熱系數(shù)在不同熱流密度條件下的變化規(guī)律。圖中的熱流密度值是已經(jīng)考慮熱量損失以后的沸騰換熱段的幾個(gè)有效熱流密度的平均值。

從圖3和圖4可以看出，不同位置處的局部沸騰換熱系數(shù)隨著兩相流體在微通道內(nèi)的流動(dòng)逐漸下降，在流體達(dá)到飽和溫度開始沸騰的起始階段，沸騰換熱系數(shù)下降較為明顯，這主要是由于流體在微通道中達(dá)到沸點(diǎn)后開始汽化，氣泡一旦形成將快速發(fā)展為達(dá)到微通道當(dāng)量直徑的尺寸，導(dǎo)致局部阻塞造成傳熱惡化；隨著氣泡沿著通道的流動(dòng)，將不斷合并和擴(kuò)展，發(fā)展形成彈狀流和環(huán)狀流，在沒有達(dá)到蒸干的條件下，沸騰換熱趨于穩(wěn)定。在其他幾種流量條件下，局部沸騰換熱系數(shù)也有相同特征。

圖3 去離子水在99.4 kg／（m2·s）時(shí)局部沸騰換熱系數(shù)Fig.3 The local boiling heat transfer coefficient of deionized water under mass flow rate of 99.4 kg／（m2·s）

圖4 無水乙醇在79 kg／（m2·s）時(shí)局部沸騰換熱系數(shù)Fig.4 The local boiling heat transfer coefficient of anhydrous ethanol under mass flow rate of 79 kg／（m2·s）

將起沸點(diǎn)后各測(cè)點(diǎn)的熱流密度及通道表面溫度取平均值，可以計(jì)算對(duì)應(yīng)條件下的兩相沸騰換熱系數(shù)平均值。圖5所示為兩種工質(zhì)在不同流量下的平均沸騰換熱系數(shù)。從圖5可以看出，兩種工質(zhì)平均沸騰換熱系數(shù)隨著熱流密度的增大而減??；相對(duì)于熱流密度，質(zhì)量流量對(duì)平均沸騰換熱系數(shù)影響較小，可以認(rèn)為核態(tài)沸騰占主導(dǎo)地位。比較兩種工質(zhì)的平均沸騰換熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的質(zhì)量流量和熱流密度條件下，去離子水的換熱系數(shù)明顯高于無水乙醇，作為換熱工質(zhì)，去離子水比無水乙醇更理想。

圖5 兩種工質(zhì)在不同流量下的平均沸騰換熱系數(shù)Fig.5 The average boiling heat transfer coefficient of the working fluid under different mass flow rates

2.2.2 干度對(duì)局部沸騰換熱系數(shù)的影響

由公式5計(jì)算出的當(dāng)?shù)馗啥瓤梢苑治鲈诜序v過程中隨著氣相質(zhì)量的增大沸騰換熱系數(shù)的變化規(guī)律。圖6和圖7分別給出了去離子水在質(zhì)量流量為49.7 kg／（m2·s）和無水乙醇在質(zhì)量流量為39.5 kg／（m2·s）的條件下局部沸騰換熱系數(shù)隨干度的變化規(guī)律。

從圖6和圖7可以看到，使用去離子水和無水乙醇作為工質(zhì)的情況相似，隨著干度的增加，沸騰換熱系數(shù)減小；且在剛開始沸騰時(shí)，沸騰換熱系數(shù)減小的趨勢(shì)非常明顯，而隨著工質(zhì)的流動(dòng)，當(dāng)干度的數(shù)值相對(duì)較高之后，沸騰換熱系數(shù)減小的趨勢(shì)開始逐漸減緩。在熱流密度較低的情況下，干度對(duì)傳熱系數(shù)的影響較大，隨著熱流密度的增大，干度的影響逐漸降低。對(duì)于這兩種流體的其他幾種質(zhì)量流量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律。

2.2.3 Bo數(shù)對(duì)平均沸騰換熱系數(shù)的影響

Bo數(shù)（沸騰數(shù)）是描述在一定質(zhì)量流量條件下，流體的吸熱量和工質(zhì)汽化潛熱間比例關(guān)系的無量綱量，是影響沸騰換熱特性的主要因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出平均沸騰換熱系數(shù)隨著Bo數(shù)的變化規(guī)律。圖8給出了去離子水和無水乙醇在微通道內(nèi)沸騰流動(dòng)時(shí)的沸騰換熱系數(shù)隨著Bo數(shù)的變化規(guī)律。

圖6 去離子水在49.7 kg／（m2·s）時(shí)局部沸騰換熱系數(shù)隨干度變化規(guī)律Fig.6 Variation of local boiling heat transfer coefficient with dryness of deionized water under mass flow rate of 49.7 kg／（m2·s）

圖7 無水乙醇在39.5 kg／（m2·s）時(shí)局部沸騰換熱系數(shù)隨干度變化規(guī)律Fig.7 Variation of local boiling heat transfer coefficient with dryness of ethanol under mass flow rate of 39.5 kg／（m2·s）

從圖8可以看出，兩種流體的沸騰換熱系數(shù)都隨Bo數(shù)的增加而減小，即隨著熱流密度的增加，沸騰換熱系數(shù)不斷減小。從曲線的變化趨勢(shì)可以看出，熱流密度對(duì)沸騰換熱系數(shù)的影響很大，進(jìn)一步說明微通道內(nèi)的沸騰換熱以核態(tài)沸騰為主。比較不同工質(zhì)的沸騰換熱系數(shù)隨Bo數(shù)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)：去離子水的沸騰換熱系數(shù)隨著Bo數(shù)的增大，下降速率更大；隨著質(zhì)量流量的增加，沸騰換熱系數(shù)降低，但是達(dá)到一定質(zhì)量流量后，去離子水的沸騰換熱系數(shù)變化不明顯；而對(duì)于無水乙醇，雖然隨著質(zhì)量流量的增大沸騰換熱系數(shù)降低，但是Bo數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響逐漸降低。

圖8 兩種工質(zhì)的換熱系數(shù)與Bo數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship among heat transfer coefficient，Bo and mass flux

3 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的驗(yàn)證計(jì)算

由于微通道的尺度效應(yīng)，工質(zhì)在通道中的流動(dòng)沸騰換熱現(xiàn)象與常規(guī)尺寸有較大的區(qū)別，影響流體在微通道流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的因素很多，包括通道結(jié)構(gòu)尺寸、工質(zhì)的物性、實(shí)驗(yàn)工況等。很多研究人員根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)和分析，提出了不同的沸騰傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型，也總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。由于目前對(duì)于各項(xiàng)因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響機(jī)制尚未達(dá)成一致結(jié)論，導(dǎo)致所提出的模型不具備廣泛的適用性。

在筆者的前期工作中，曾采用去離子水作為工質(zhì)在不同當(dāng)量直徑的微／小通道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過大量的數(shù)據(jù)分析總結(jié)出能以較小平均絕對(duì)誤差計(jì)算沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式［13］：

式中除了沸騰數(shù)、韋伯?dāng)?shù)外，還引入了考慮與流體表面張力、浮力、通道尺寸相關(guān)的無量綱量邦德數(shù)（Bn）。將本文實(shí)驗(yàn)研究得到的沸騰換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值hexp與關(guān)聯(lián)式（8）計(jì)算得到的沸騰換熱系數(shù)預(yù)測(cè)值hpre進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值的誤差絕大部分在±25%范圍內(nèi)：對(duì)于水，其平均絕對(duì)誤差MAE=14.2%，83.1%的實(shí)驗(yàn)值位于預(yù)測(cè)值的±25%范圍內(nèi)；對(duì)于乙醇，其平均絕對(duì)誤差MAE=16.6%，79%的實(shí)驗(yàn)值位于預(yù)測(cè)值的±25%范圍內(nèi)。可見，該關(guān)聯(lián)式對(duì)本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果比較理想，充分考慮了因換熱工質(zhì)熱物性不同造成的影響，該式具有較高的精度，能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

圖9 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.9 The prediction Liu′s correlation with experimental data of htp

4 結(jié)論

本文通過在多排并行的0.2 mm×0.55 mm的矩形微通道（當(dāng)量直徑為0.293 mm）內(nèi)進(jìn)行去離子水和無水乙醇的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析不同熱流密度條件下通道內(nèi)沸騰換熱系數(shù)的影響因素和變化規(guī)律，探討了流體的種類、熱流密度、質(zhì)量流量對(duì)微尺度通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的影響，研究結(jié)果對(duì)理解微通道內(nèi)沸騰換熱機(jī)制有著一定的意義。通過分析討論初步得到以下結(jié)論：

1）流體的比熱容、沸點(diǎn)、汽化潛熱等物性參量的差異對(duì)沸騰換熱特性有明顯影響，在近似的流動(dòng)和換熱條件下去離子水的平均沸騰換熱系數(shù)為11.8～62.8 kW／（m2·K），無水乙醇的平均沸騰換熱系數(shù)為6.2～18.4 kW／（m2·K），去離子水的沸騰換熱系數(shù)明顯大于無水乙醇。

2）通道內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)隨著熱流密度的增大呈下降趨勢(shì)，在熱流密度較低的情況下，沸騰換熱系數(shù)隨著干度的增加快速下降，隨著熱流密度的增大，干度對(duì)沸騰換熱系數(shù)的影響逐漸降低；微通道內(nèi)的傳熱機(jī)制為核態(tài)沸騰占主導(dǎo)地位。

3）沸騰換熱系數(shù)對(duì)質(zhì)量流量的依賴性很小，但兩者的關(guān)系依然存在，就所選兩種工質(zhì)來說，質(zhì)量流量對(duì)去離子水的沸騰換熱系數(shù)影響較小，對(duì)無水乙醇的沸騰換熱系數(shù)影響較大。

4）通過沸騰換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)值的對(duì)比，確定了所總結(jié)出的關(guān)聯(lián)式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)計(jì)算較為可靠，計(jì)算結(jié)果對(duì)去離子水的平均絕對(duì)誤差為 14.2%，83.1%的實(shí)驗(yàn)值位于預(yù)測(cè)值的±25%范圍內(nèi)，對(duì)無水乙醇的平均絕對(duì)誤差為16.6%，79%的實(shí)驗(yàn)值位于預(yù)測(cè)值的±25%范圍內(nèi)，能滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

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About the corresponding author

Liu Dongyao，male，research fellow，School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，+86 25 84315484，E-mail：liudong＠njust.edu.cn.Research fields：study on heat transfer mechanism and applications of flow under the condition of micro-scale.

Experimental Study on the Boiling Heat Transfer Characteristics in Micro-channel with Two Different Working Medium

Chen Yumin Liu Dongyao

（School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094，China）

Experiments are performed in rectangular micro-channels（dH=0.293 mm）under the condition of different mass flux and heat flux to evaluate the flow boiling heat transfer characteristics with deionized water and anhydrous ethanol.Research in micro-channels is aimed at studying the influence rule of state parameters of fluid properties，flow and heat transfer process of boiling heat transfer characteristics.According to the calculation and comparison of experimental data，the relationship between boiling heat transfer coefficient and thermal physical properties of fluid，mass flux，heat flux，vapor qualities，Boiling number are presented respectively.The results show that boiling heat transfer coefficient decreases with the increasing of heat flux，vapor qualities and Boiling number.Nucleate boiling is dominant in the process of heat transfer.Under the same condition the boiling heat transfer coefficient of deionized water is obviously higher than the boiling heat transfer coefficient of anhydrous ethanol.The heat transfer coefficient of deionized water increases with the increasing of mass flux，but anhydrous ethanol has no significant changes with mass flux.The results from heat transfer correlation taking scale effect and fluid properties into consideration have 14.2%and 16.6%MAE（Mean Absolute Error）for deionized water and anhydrous ethanol respectively.It proves that the heat transfer correlation has good applicability of predicting the boiling heat transfer coefficient in micro-channels.

micro-channels；flow boiling；heat flux；experimental study；heat transfer coefficient correlation

TK124；TQ051.5

0253-4339（2016）06-0007-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.007

簡(jiǎn)介

劉東堯，男，研究員，南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，（025）84315484，E-mail：liudong＠njust.edu.cn。研究方向：微尺度條件下的流動(dòng)和傳熱機(jī)理與應(yīng)用。

2016年4月20日