羅小平，郭峰，謝鳴宇，張霖

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

微通道內(nèi)濃度對納米制冷劑流動沸騰壓降波動的影響

羅小平，郭峰，謝鳴宇，張霖

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

為探究濃度對納米制冷劑流動沸騰壓降及其波動的影響，使用Al2O3納米顆粒，采用Span-80作為分散劑，并通過超聲波振蕩技術分別制備出質量分數(shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的Al2O3/R141b納米制冷劑。設計系統(tǒng)壓力為175.8kPa，進行納米制冷劑在水力直徑為1.33mm矩形微通道內(nèi)的流動沸騰實驗。結果表明：納米粒子濃度對納米制冷劑流動沸騰壓降及其波動的影響十分顯著，實驗工況下，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%納米流體的壓降平均值比純制冷劑分別平均降低了9.4%、20.1%、23.2%、36%，壓降標準差分別平均降低了8.0%、22.7%、28.6%、33.9%，說明納米粒子濃度越高，壓降越小，波動越平緩。通過對實驗后的槽道進行掃描電鏡分析及表面靜態(tài)接觸角的測量，發(fā)現(xiàn)納米粒子在槽道表面發(fā)生了沉積，濃度越大，沉積作用越明顯，表面接觸角越小。證明了納米制冷劑流動沸騰壓降隨濃度升高而降低、壓降波動隨濃度升高而更加平緩的原因是：高濃度的納米流體在微通道壁面的沉積更多，減小了壁面的粗糙度而增大了壁面的潤濕性。

微通道；納米粒子；濃度；壓降波動

隨著電子設備逐漸向集成化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的大通道傳熱設備越來越不能滿足現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展。微通道換熱器具有空間小而換熱強度高的優(yōu)點，在航空電子設備、大規(guī)模集成電路的冷卻等領域得到了廣泛的應用[1-2]。相關研究表明，微電子系統(tǒng)中采用微通道換熱器后，散熱性與強制水冷及強制風冷換熱相比，提高了上百倍[3]。但在實際應用中，微通道換熱器由于換熱通道過小會出現(xiàn)壓降較大、壓力波動劇烈的問題，造成系統(tǒng)負荷較大、運行不穩(wěn)定，給設備的正常運行帶來了巨大的風險。為此，許多研究人員做了大量的工作。QI等[4]以液氮為工質，研究了其在水力直徑分別為0.531mm、0.834mm、1.042mm、1.931mm微通道內(nèi)兩相流動的壓降和不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在水力直徑為1.042mm和1.931mm微管內(nèi)ONB點附近會發(fā)生大幅度的壓降波動。BOGOJEVIC等[5]利用高速攝像儀觀察了去離子水在微通道內(nèi)的流動沸騰現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)通道內(nèi)出現(xiàn)回流時，進口壓力波動為高幅低頻振蕩，出口壓力波動為低幅高頻振蕩，去離子水入口過冷度、熱流密度、質量通量的變化都會影響波動幅度和頻率。彭小飛等[6]認為影響納米流體穩(wěn)定性的主要因素有納米粒子濃度、基液黏度及分散劑等，并通過實驗證實納米流體的黏度隨著納米顆粒體積分數(shù)和分散劑質量分數(shù)的增加而增大。徐立等[7]則分別以Al2O3納米流體及去離子水為實驗工質，發(fā)現(xiàn)納米粒子的加入會使微通道中流動沸騰的流型發(fā)生變化，并對流動沸騰的不穩(wěn)定性產(chǎn)生抑制作用。PENG等[8]采用R113制冷劑為基液的CuO納米流體，在水平光滑管中進行實驗，實驗中納米顆粒的質量分數(shù)為0～0.5%，實驗發(fā)現(xiàn)納米顆粒濃度對壓降有一定的影響。

以上研究多集中在對純制冷劑或單一濃度納米制冷劑波動影響因素的分析，而許多研究已經(jīng)證明納米粒子濃度對納米制冷劑在微通道換熱器的沸騰換熱性能有十分顯著的影響，并在各種工況下找到了最利于傳熱的最佳納米粒子濃度，但加入納米顆粒會對微通道換熱器系統(tǒng)運行的負荷和穩(wěn)定性產(chǎn)生何種影響，目前尚無一致結論。因此，本文針對這一問題，制備不同質量分數(shù)納米制冷劑Al2O3/R141b為實驗工質，采用1mm×2mm矩形微通道，探究濃度的變化對微通道流動沸騰波動特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)介紹及納米制冷劑的制備

1.1 實驗平臺介紹

圖1為本實驗平臺簡圖。本實驗系統(tǒng)主要由兩部分組成：工質流動回路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。工質流動回路主要由磁力泵、過濾器、轉子流量計、預熱器、實驗段、冷凝器等設備組成。實驗開始時，納米流體由注液口注入系統(tǒng)中，待系統(tǒng)壓力達到一定值時，關閉注液口閥門，開啟磁力泵，使工質能夠在整個系統(tǒng)中循環(huán)運行。實驗時，納米流體經(jīng)過預熱器預熱到既定溫度，然后以液態(tài)向上流入實驗段，在實驗段經(jīng)過流動沸騰后，以氣液兩相狀態(tài)從出口流出，經(jīng)冷凝器充分冷凝后，又以全液相返回磁力泵，完成一個循環(huán)并開始下一個循環(huán)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括Pt100熱電阻、壓力傳感器、溫度變送器、數(shù)據(jù)采集模塊及工控機等，用來采集實驗段所測量的溫度、壓力等數(shù)據(jù)。

1.2 實驗段結構

微通道實驗段是本文實驗的關鍵研究對象，如圖2所示為其構成模型圖。

圖1 實驗系統(tǒng)流程圖

圖2 微通道實驗段結構圖

本實驗中，微通道基座、試件及蓋板皆由牌號為6063-T5的鋁材料加工而成，因實驗工質R141b有極強的腐蝕性，因此選用耐腐蝕強的聚四氟乙烯墊片。微通道試件采用電火花線切割的方式加工得到，共有18條平行矩形通道，如圖3所示。每條微通道尺寸為1mm×2mm×240mm，具體尺寸參數(shù)見表1。

圖3 微通道試件模型

表1 微通道試件尺寸參數(shù) 單位：mm

1.3 納米制冷劑的制備

本實驗納米制冷劑的配制選用R141b純制冷劑和Al2O3納米顆粒。其中Al2O3納米顆粒為SH-A25型，純度達到99.99%，性質穩(wěn)定。采用LA960DRY型激光粒度分析儀測試其粒徑分布，如圖4。

圖4 納米顆粒的粒徑分析圖

經(jīng)測試，納米顆粒的中徑為25.235nm，平均直徑為28.912nm。

為制備出性能良好穩(wěn)定的納米制冷劑，本實驗采用兩步法[9]，即先獲取Al2O3納米顆粒，再把納米顆粒加入基液中，同時選用Span-80作為分散劑來配制納米流體。為進一步確保Al2O3納米顆粒能夠分散均勻，采用超聲波振動儀，對配制的納米制冷劑進行振蕩。以配制質量分數(shù)為質量分數(shù)為0.1%的納米流體為例，首先取體積為2L的R141b純制冷劑，在電子天平上稱取質量為溶液質量0.1%的納米顆粒加入到R141b純制冷劑中，然后稱取質量為初次混合液質量0.1%的Span-80分散劑，并加入制冷劑溶液中；接著將溶液放入超聲波振蕩儀中振蕩，振蕩頻率28kHz，振蕩時間2h，最后得到穩(wěn)定均勻的質量分數(shù)0.1%納米制冷劑Al2O3/R141b。采用同樣的方法再配制質量分數(shù)為0.2%、0.3%、0.4%的納米制冷劑。

為驗證實驗用工質具有穩(wěn)定性，對配制好的納米流體做了透射比實驗，實驗結果如圖5所示，一段時間后，不同濃度納米制冷劑的透射比都趨于穩(wěn)定，說明此時納米制冷劑已經(jīng)分散穩(wěn)定。圖6即為配制好的納米制冷劑試樣。

圖5 不同時間段納米制冷劑投射比

圖6 不同質量分數(shù)的納米制冷劑

1.4 實驗主要測量參數(shù)

實驗段測量參數(shù)主要包括：實驗段進出口壓力，本實驗采用HC3160-HVG4型壓力傳感器測量，頻率300Hz，精度為0.5%F.S；實驗段溫度，采用Pt100熱電阻測得，誤差為0.1%；流量測量，采用渦輪流量計測量，誤差為0.5%。

2 流動沸騰壓降波動的數(shù)據(jù)處理

本實驗中，納米流體在具有一定過冷度的條件下進入實驗段，在沿著流動方向流動的過程中，流體不斷從壁面吸收熱量。當壁面過熱度達到一定值后，貼近壁面的流體就會產(chǎn)生小氣泡，這些氣泡會逐漸長大，當?shù)竭_一定體積后，原有的力學平衡將會打破，這些氣泡就會脫離壁面，進入主流體區(qū)域。小氣泡在主流區(qū)匯合成大氣泡，就會阻塞上游流體的通過，導致流動阻力增大，下游流量暫時性降低，流道進出口壓降升高；而當這種氣泡流出微通道后，上游的液體立即填充，進出口壓降又會有所降低，從而使整個實驗段進出口壓降出現(xiàn)了波動的現(xiàn)象。

（1）水力直徑Dh如式(1)。

（2）工質流速平均流速u如式(2)。

式中，V為工質的體積流量，m3/h；Sch=WchHch為單個微通道的流通面積，m2；N為微通道條數(shù)，N=18。

（3）質量通量G如式(3)。

式中，ρL為工質液態(tài)密度，kg/m3。

因加熱板傳給工質的熱量有一定損失，故定義平均有效熱流密度，利用傅里葉定理計算[式(4)]。

（4）平均有效熱流密度qeff如式(4)。

式中，ΔTi為每對測溫孔處上下的溫度差，ΔTi=[T2–T1,T4–T3,T6–T5,T8–T7]，℃；k為材料的導熱系數(shù)，取k=201W/(m·℃)；δ為上下測溫孔的距離，取20mm。

（5）入口過冷度ΔTsub如式(5)。

式中，Tsat為操作壓力下工質的飽和溫度，℃；Tin為工質入口溫度。

（6）總壓降ΔPtot為進出口壓力傳感器所測壓力值的差。

流動沸騰過程中進出口局部壓降的波動幅度與頻率直接影響著流動沸騰系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導致系統(tǒng)中動力源負荷也會產(chǎn)生波動。對于實驗中所測的進出口壓力波動信號的處理，先將其差值壓降波動認為是隨時間變化的一組離散序列數(shù)據(jù)，這樣就可以運用數(shù)理統(tǒng)計學中的兩個特征參數(shù)均值與標準差對壓降波動信號進行定量表征，以便于好分析壓降波動信號的特性。

均值如式(6)。

式中，N為樣本數(shù)量；ΔPi為第i個樣本值。

均值反映了壓降波動信號變化的中心趨勢，代表在一定時間區(qū)域內(nèi)，壓降信號的平均水平，由于流動沸騰過程中的壓降值是一直在波動的，故采用均值來對實驗段壓降在某一工況下的平均值進行表征。

標準差如式(7)。

標準差體現(xiàn)了離散序列在均值上下的離散程度，即壓降波動信號與壓降均值的離散程度，本文采用標準差作為衡量壓降波動水平的指標，標準差越大，說明壓降波動越劇烈。

3 結果與分析

為了探究濃度改變對納米制冷劑壓降及其波動的影響，本實驗分別以純制冷劑和4種不同濃度納米制冷劑為實驗工質，實驗時調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)到某一工況，待系統(tǒng)相對穩(wěn)定時采集微通道進出口壓力數(shù)據(jù)，計算出進出口壓降。實驗系統(tǒng)壓力設定為175.8kPa，質量通量183.1kg/(m2·s)變化到457.8kg/(m2·s)，熱流密度從24kW/m2變化到40kW/m2。

3.1 實驗結果

圖7反映了4種濃度的納米流體在不同質量通量下的流動沸騰壓降波動情況。實驗結果表明：當熱流密度恒定時，不同質量分數(shù)納米制冷劑流動沸騰總壓降隨著質量通量的升高而升高，壓降波動則隨著質量通量的升高反而變得平緩了。在熱流密度為24kW/m2、質量通量由183.1kg/(m2·s)上升到457.8kg/(m2·s)的實驗工況下，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的納米流體壓降平均值分別上升了10.6%、11.4%、20.3%、127%，壓降標準差則分別下降了15.9%、21.8%、21.5%、14.1%。分析認為，在相同的熱流密度下，由于質量通量的增加，液體與壁面摩擦增強，液體與壁面未脫離的氣泡之間的摩擦也會增強，這些因素都導致了總壓降的增加；而質量通量的增加，則使流體進入兩相流動沸騰的區(qū)域延后，生成的小氣泡在較短的時間內(nèi)就會快速流過實驗段，另外，流速增大，也會促使小氣泡快速流走，有效降低了壓力的波動。

圖8反映了4種濃度納米流體在熱流密度上升時的壓降波動對比情況。實驗結果表明：當質量通量一定時，不同質量分數(shù)納米制冷劑流動沸騰總壓降隨著熱流密度的升高而升高，壓降波動隨著熱流密度的升高變得更加劇烈，這與文獻[10]的結論一致。在質量通量保持在274.7kg/(m2·s)，熱流密度由24kW/m2升至40kW/m2的工況下，4種濃度納米流體的壓降平均值分別上升了48.4%、22.0%、27.9%、64.6%；壓降標準差分別上升了34.7%、24.8%、19.3%、18.7%。分析認為，熱流密度的增加可以活化更多的成核地點，因而增加了氣泡的數(shù)量，更多的小氣泡有可能在主流區(qū)匯聚成大氣流，阻塞流道，平均壓降因此而增大；而熱流密度的增加，導致流道內(nèi)生成的小氣泡增多，小氣泡有可能匯聚成大氣泡，從而造成實驗段進出口壓降的劇烈波動。

圖9反映了4種濃度的納米流體在各個工況下的壓降平均值及標準差的對比情況。實驗結果表明納米粒子濃度越高，納米制冷劑流動沸騰總壓降越小，壓降波動越平緩。圖9(a)、(b)得出在熱流密度恒定為24kW/m2、質量通量由183.1kg/m2s升至457.8kg/m2s的工況下，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%納米流體的壓降平均值比純制冷劑分別平均降低了10.2%、16.1%、20.1%、37.4%，壓降標準差分別平均降低了10.4%、22.7%、27.7%、38.0%；圖9(c)、(d)可以得出質量通量為274.7kg(m2·s)、熱流密度由24kW/m2升至40kW/m2時，0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的納米流體壓降平均值比純制冷劑分別平均降低了8.5%、24%、26.3%、34.6%，壓降標準差分別平均降低了5.6%、22.6%、29.4%、29.8%。

圖7 不同質量通量下納米制冷劑的壓降波動對比圖

圖8 不同熱流密度下納米制冷劑的壓降波動對比圖

圖9 不同質量分數(shù)納米流體壓降平均值及標準差在各個工況下的對比圖

3.2 納米顆粒濃度對波動的影響機理

從前文可以看出，納米流體中納米顆粒質量分數(shù)的提高可以有效降低納米制冷劑流動沸騰總壓降，并起到抑制壓降波動的作用。分析認為這一現(xiàn)象與納米顆粒在壁面的沉積有相當大的關系。文獻[11-12]認為流體中納米級的顆粒具有較大的比表面積和較高的表面能，容易沉積在換熱表面，并且納米顆粒的質量分數(shù)越大，沉積越嚴重。當納米顆粒接近換熱面時，主要受范德華力、雙電層斥力和玻恩斥力的作用，一些納米顆粒穿過流動邊界層到達換熱表面后，并不會全部附著于換熱面，其中部分的納米顆粒還會從換熱表面反彈回去。因此，納米顆粒附著于壁面是一種概率性事件，其概率受到納米顆粒的浮力、顆粒直徑、換熱面的表面能和換熱壁粗糙度等因素限制[10]。

為檢驗納米流體沸騰流動過程中納米顆粒的沉積情況，本實驗采用掃描電鏡分析技術，測試了4種不同濃度納米流體試驗后的微槽道底面沉積情況，如圖10。從圖10中明顯可以看出，Al2O3納米顆粒質量分數(shù)為0.4%的納米制冷劑，其實驗后槽道沉積的納米顆粒最多，0.1%時沉積最少，即納米粒子濃度越大，沉積越多。為明確工質中納米顆粒的沉淀量，對實驗后的納米制冷劑進行透射比實驗，實驗結果如圖11。從圖11中可以看出，實驗后納米流體依然保持穩(wěn)定，比較圖5和圖9可以發(fā)現(xiàn)實驗后質量分數(shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的納米流體透射比改變分別僅為1%、1.1%、1.15%、1.2%，由此可以說明4種濃度納米制冷劑在流動沸騰過程中納米顆粒沉積量相對于各自的總量來說都是非常少的，遠遠沒有沉淀完全。

圖10 4種質量分數(shù)的納米流體實驗后的槽道電鏡圖

圖11 實驗后4種濃度納米制冷劑的透射比

文獻[13]認為沉積在傳熱表面的納米顆粒主要從兩方面影響換熱面的表面特性：表面粗糙度和表面潤濕性。本實驗中微通道試件是在鋁合金板上通過電火花線切割加工而成，其表面粗糙度為微米級別，而本實驗中采用的納米顆粒平均直徑為28.912nm，根據(jù)文獻[14]，這將會使納米顆粒的附著首先在圖12中的凹坑中產(chǎn)生，從而引起換熱壁面粗糙度的降低，且納米流體濃度越大，附著就越嚴重。沸騰過程中，氣泡主要在凹坑處產(chǎn)生，表面粗糙度降低后，汽化核心密度會因此減少，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量則會減少，從而降低了實驗段的平均壓降；納米顆粒濃度越大，表面粗糙度就越低，平均壓降也就越低。ALAM和LEE等[15]研究發(fā)現(xiàn)，微通道表面粗糙度的降低可以一定程度上抑制沸騰不穩(wěn)定性，使流體的壓降波動更加平緩。

表面潤濕性對壓降及其波動的影響主要是影響氣泡的生長和脫離。納米制冷劑流動沸騰過程中，單個氣泡主要受到浮力FB、工質對氣泡的拖曳力FD以及表面張力在豎直方向上的分量Fs的作用，如圖13。AL-HAYES和WINTERTON[16]認為其中的FS就是與接觸角相關的力，這說明了換熱面潤濕性與氣泡的脫離直徑有關。

圖12 納米顆粒在表面凹坑中的附著

圖13 單個氣泡在豎直壁面豎直方向的受力

根據(jù)文獻[17]，生成一個氣泡所需的焓和表面接觸角的關系滿足公式(8)，從式(8)可看出，接觸角越小，生成一個氣泡所需要的能量越大，導致生成的氣泡數(shù)越少，對流動的阻力越小，壓降越低，波動越平緩。

本實驗采用JY-82A視頻接觸角測定儀，利用去離子水作為測試液，測定了4種質量分數(shù)的納米流體試驗后微通道的壁面接觸角，測定結果如表2。

表2 不同濃度的納米制冷劑沸騰后壁面接觸角

從表2可以看出，隨著納米粒子濃度增加，實驗后壁面接觸角越來越小，意味著壁面的潤濕性則越來越大。而表面潤濕性的提高會使氣泡的脫離直徑減小，脫離頻率增大，不利于受限氣泡的生成，就會造成壓降減小，同時流道內(nèi)大氣泡的減少對于壓降波動而言，會使壓降波動更加平緩，流動沸騰不穩(wěn)定在一定程度上得到了抑制，納米顆粒濃度越大，這種影響也越顯著。另外，WASAN等[18]通過實驗發(fā)現(xiàn)，懸浮在基液中的納米顆粒會使氣液固三相線朝著氣相一方移動，這也會使得氣泡脫離加熱面時的直徑變小，脫離頻率變快，使得壓降降低，波動變得平緩。

4 結論

本文采用物理法和化學法相結合的方式配制出質量分數(shù)為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的γ-Al2O3-R141b納米制冷劑，利用設計搭建的實驗平臺，探究不同工況下納米粒子濃度對流動沸騰壓降波動的影響，得出以下結論。

（1）不同質量分數(shù)納米流體的壓降及其波動隨著熱流密度和質量通量的改變而改變：本實驗條件下，4種濃度納米流體的壓降都隨著質量通量的提高而增大，隨著熱流密度的降低而減?。粔航挡▌觿t隨著質量通量的提高而更加平穩(wěn)，隨著熱流密度的升高而更加劇烈。

（2）納米粒子濃度對納米流體的壓降及其波動有著顯著的影響：實驗工況下，質量通量由183.1kg/(m2·s)上升到457.8kg/(m2·s)，熱流密度由24kW/m2增加到40kW/m2，納米粒子濃度越高，納米制冷劑流動沸騰總壓降越小，波動越平緩。0.4%納米流體的壓降平均值和壓降標準差比0.1%的流體分別降低了29.9%、30.7%。

（3）通過掃描電鏡分析及表面靜態(tài)接觸角的測量發(fā)現(xiàn)，高濃度納米粒子造成納米制冷劑流動沸騰總壓降減小、壓降波動更加平緩的原因是納米顆粒沉積在微通道表面，降低了表面的粗糙度、增大了其潤濕性。表面粗糙度越小，潤濕性越高，則壓降越小，壓降波動越平緩。

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Influence of nanoparticles concentrations on pressure drop fluctuation of nano-refrigerant flow boiling in microchannels

LUO Xiaoping，GUO Feng，XIE Mingyu，ZHANG Lin
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Nano-refrigerants（0.1%—0.4%Al2O3/R141b） which used Span-80 as a dispersant were manufactured by ultrasonic vibration. They were used as working fluids to investigate the effect of nanoparticles concentrations on flow boiling pressure drop fluctuation under the designed conditions. An experiment on flow boiling of nano-refrigerant was conducted in rectangular microchannels with the hydraulic diameter of 1.33mm.The results showed that nanoparticles concentrations have significant impact on flow boiling pressure drop fluctuation of Al2O3/R141b. Under certain conditions，the average pressure drop of the 0.1%，0.2%，0.3%，0.4wt% nanofluids decreased by 9.4%，20.1%，23.2% and 36%，respectively，than the pure refrigerant，The standard deviation of the pressure drop was reduced on average 8.0%，22.7%，28.6% and 33.9%，accordingly. That indicates that total pressure drop decreases and the fluctuation is more gradual with the increase of nanoparticles concentrations. Scanning electron microscopy（SEM）and measuring surface static contact angle revealed that the deposition of nanoparticles on the surface of microchannels is more pronounced and the surface static contact angle become smaller with the increase of concentration. It proves that the cause ofthe influence of nanoparticles concentrations on flow boiling pressure drop and fluctuation is nano-refrigerant with higher concentration deposits more，reducing the roughness of the wall surface but increasing the wettability of the wall surface.

microchannels；nanoparticles；concentrations；pressure drop fluctuation

TK124

：A

：1000–6613（2017）05–1649–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.013

2016-10-11；修改稿日期：2016-11-30。

國家自然科學基金項目（21276090）。

及聯(lián)系人：羅小平（1967—），教授，博士生導師，主要研究方向為微通道換熱器相變傳熱、EHD強化沸騰傳熱及其控制。E-mail：mmxpluo@scut.edu.cn。