周正龍,舒碧芬,江景祥,黃 妍,喻祖康,崔高峻
(中山大學(xué)廣東省光伏技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)
為了解決現(xiàn)代電子產(chǎn)品如手機(jī)和電腦的高密度換熱難題,微通道換熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。微通道強(qiáng)化換熱技術(shù)具備換熱速率高、結(jié)構(gòu)尺寸微小等優(yōu)點(diǎn)[1-2],微通道強(qiáng)化傳熱手段一般分為有源強(qiáng)化和無源強(qiáng)化兩種方法。無源強(qiáng)化又稱為“被動(dòng)型”方法,一般指改變換熱表面的表面特性來達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的。微通道與常規(guī)尺寸的通道中流體的流動(dòng)相比,表面張力的作用遠(yuǎn)大于慣性力,通道的尺寸效應(yīng)對(duì)氣泡的形狀影響明顯,正因此微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱過程中的兩相流體流動(dòng)穩(wěn)定性與傳熱速率問題更加復(fù)雜。
改變換熱壁面粗糙度和潤(rùn)濕性都能對(duì)微通道流動(dòng)沸騰帶來顯著影響,主要體現(xiàn)在壓降特性、換熱速率兩個(gè)方面,整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與微通道壓降特性有直接關(guān)系,而換熱速率是系統(tǒng)最重要的性能指標(biāo)。文中通過改變微通道壁面的潤(rùn)濕性,即使微通道內(nèi)壁呈靜態(tài)接觸角為140°的疏水性表面,研究其對(duì)微通道換熱和壓降的影響。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1由四部分組成:流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)試采集系統(tǒng)、和微通道實(shí)驗(yàn)段。流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)包括儲(chǔ)液罐、過濾器、動(dòng)力泵、冷凝器和微量節(jié)流閥。電加熱系統(tǒng)包括直流電源、預(yù)熱器以及實(shí)驗(yàn)段處的加熱電阻絲。通過預(yù)熱器控制進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段工質(zhì)的干度,以及通過實(shí)驗(yàn)段電阻絲來控制實(shí)驗(yàn)段熱流。數(shù)據(jù)測(cè)試采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀、高速攝像儀、壓差變送器、熱電偶、壓力傳感器、流量計(jì)。微通道實(shí)驗(yàn)段包含0.55 mm*0.55 mm的微通道以及加熱電阻絲。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理
文中通過搭建循環(huán)回路的微通道試驗(yàn)臺(tái),研究疏水表面對(duì)微通道換熱和壓降性能的影響。
通過改變微量節(jié)流閥控制工質(zhì)的質(zhì)量流量,改變預(yù)熱器功率控制實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口干度。同時(shí)拍攝下不同干度下的工質(zhì)流體的流型圖。實(shí)驗(yàn)得到其熱流密度為q=6 060 W/m2下壓降隨進(jìn)口干度的變化的數(shù)據(jù)。如圖2-3所示。
圖2 普通表面微通道壓降
圖3 疏水表面微通道壓降
普通表面微通道和疏水表面微通道的壓降均隨實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口干度的增大而增大。但是,疏水表面微通道的壓降明顯大于普通表面微通道的壓降。這是由于疏水表面具有較大的表面張力,使通道內(nèi)的汽泡脫離頻率低且脫離直徑較大[3],疏水表面拉伸和擾動(dòng)液相中的汽泡,使其壓降明顯大于普通表面微通道的壓降。
制冷劑從儲(chǔ)液罐中流出為飽和狀態(tài),由于儲(chǔ)液罐到泵出口初始?jí)毫y(cè)量處的傳熱和壓降均較小,因此可認(rèn)為制冷劑流至初始?jí)毫y(cè)量處仍為飽和液體狀態(tài)。在換熱穩(wěn)定后,忽略實(shí)驗(yàn)段與周圍空氣換熱損失,實(shí)驗(yàn)段電阻絲對(duì)微通道的加熱量與微通道內(nèi)工質(zhì)與制冷劑對(duì)流換熱帶走的熱量相等。將微通道換熱看做等截面直肋導(dǎo)熱,則微通道換熱系數(shù)htp可由以下公式算出:
(1)
實(shí)驗(yàn)得到普通表面微通道與疏水表面微通道傳熱系數(shù)隨實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口干度變化。
圖4 普通表面微通道傳熱系數(shù)
圖5 疏水表面微通道傳熱系數(shù)
微通道的換熱速率在干度為0-0.3區(qū)間內(nèi)增大,疏水表面微通道的換熱系數(shù)平均值較普通表面微通道換熱系數(shù)平均值高約11.8%。值得注意的是疏水表面微通道換熱速率在干度為0.07附近出現(xiàn)極值,這是由于在此干度附近,疏水表面微通道內(nèi)工質(zhì)流型為泡狀流向環(huán)狀流劇烈轉(zhuǎn)變的中間過度狀態(tài),導(dǎo)致其換熱系數(shù)出現(xiàn)一極值點(diǎn)。
微通道的換熱速率在干度為0-0.3區(qū)間內(nèi)增大,疏水表面微通道的換熱系數(shù)平均值較普通表面微通道換熱系數(shù)平均值高約11.8%。值得注意的是疏水表面微通道換熱速率在干度為0.07附近出現(xiàn)極值,這是由于在此干度附近,疏水表面微通道內(nèi)工質(zhì)流型為泡狀流向環(huán)狀流劇烈轉(zhuǎn)變的中間過度狀態(tài),導(dǎo)致其換熱系數(shù)出現(xiàn)一極值點(diǎn)。
結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,疏水改性對(duì)微通道系統(tǒng)性能影響得出以下結(jié)論:
(1)相比普通表面微通道,疏水表面微通道的壓降有較大增大,其流型也相應(yīng)的更快的由泡狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流。
(2)疏水表面微通道的平均換熱系數(shù)比普通表面微通道的換熱系數(shù)高11.8%,具有更好的換熱效果,因?yàn)槠淞餍陀膳轄盍飨颦h(huán)狀流的劇烈轉(zhuǎn)變,其換熱速率在干度為0.07附近出現(xiàn)一極值點(diǎn)。