(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

沸騰換熱具有比單相流換熱更高的熱流密度和表面?zhèn)鳠嵯禂?，在制冷空調系統(tǒng)換熱器中具有重要應用。泡沫金屬具有金屬材料的高導熱率特點，因其高孔隙率和復雜的幾何結構而具有超大比表面積[1]，能夠有效提高傳熱面積[2-3]、減小邊界層熱阻[4]、增加發(fā)泡點[5]，有望成為強化沸騰換熱的重要材料。為了將泡沫金屬應用于制冷空調系統(tǒng)換熱器，應明確泡沫金屬結構變化對制冷劑池沸騰換熱的影響規(guī)律。

目前國內外對泡沫金屬表面池沸騰換熱研究包括電子冷卻液[6-7]、水[8-14]及制冷工質[15-18]。針對電子冷卻液的研究結果表明，低孔隙率和高孔密度有助于強化泡沫金屬中的池沸騰換熱[6]，但在高孔密度泡沫金屬中，隨著厚度減小，沸騰換熱先惡化后加強[7]。針對水在開孔泡沫金屬中的池沸騰傳熱研究結果顯示，泡沫金屬可以降低沸騰起始過熱度，增大表面?zhèn)鳠嵯禂?，但在泡沫金屬厚度達到30 mm時，由于氣泡逸出受限，沸騰換熱弱于平表面[8]。目前已有研究開發(fā)了水[12-14]和含油制冷劑[15-18]在泡沫金屬表面沸騰換熱的關聯(lián)式。由于水的蒸發(fā)溫度較高，不適用于制冷空調系統(tǒng)，而已有的制冷劑池沸騰換熱關聯(lián)式[17]針對的是制冷劑中含油量的影響，對泡沫金屬結構的影響分析較少，有待于進一步開展泡沫金屬結構對換熱特性的影響研究。

本文通過實驗對不同結構的泡沫金屬加熱表面制冷劑池沸騰特性進行研究，明確泡沫金屬孔密度、孔隙率及厚度參數的影響，并開發(fā)預測關聯(lián)式。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗裝置主要包括密封容器、加熱系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)3部分，結構如圖1所示。

圖1 泡沫金屬池沸騰實驗臺

實驗密封容器為不銹鋼箱體。箱體側面開有視窗用于照明并觀察實驗現象；頂部焊接有冷凝盤管，內通冷凝水用于冷凝制冷劑，維持容器內壓力；容器內懸掛一支熱電偶，用于測定實驗工質的溫度Tf，頂部安裝一臺壓力傳感器用于監(jiān)測容器內壓力；容器頂部與底部分別安裝一閥門，用于充注與排空制冷劑。

加熱系統(tǒng)位于容器底部，包括主加熱系統(tǒng)與輔助加熱器。主加熱系統(tǒng)主體為一銅導熱塊，底部插入3根電加熱棒，連接至調壓電源，加熱功率在0～500 W范圍內調節(jié)。導熱塊上部導熱柱高度為40 mm，邊長為25 mm，包裹在絕熱性良好的特氟龍材料中，熱量在其中可視為一維傳導。導熱柱內布置5個熱電偶，熱電偶間距為5 mm,插入導熱柱的深度為12.5 mm，位置如圖1所示。導熱銅柱頂部加熱面通過錫焊方式焊接泡沫銅，與容器內制冷劑接觸進行池沸騰換熱。本文采用的制冷劑為R141b，原因在于R141b常壓下飽和溫度約為30 ℃，略高于室溫，可在常壓下進行實驗，對于裝置的耐壓、密封和保冷性能要求較低。

數據采集系統(tǒng)由熱電偶、壓力傳感器、安捷倫數據采集儀及計算機組成。

1.2 實驗樣件

本文的實驗樣件是邊長為25 mm的正方形泡沫銅塊，如圖2所示。為探究泡沫金屬結構對池沸騰換熱的影響，樣件涵蓋不同的孔密度PPI (pores per inch，單位英寸長度上的平均孔數)、孔隙率ε(孔隙體積與泡沫金屬總體積之比)、厚度H(mm)及相應比表面積asf(m2/m3)[19]，具體參數如表1所示。

圖2 泡沫銅樣件

表1 泡沫銅樣件結構參數

1.3 數據導出及誤差分析

池沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂礹按式(1)、式(2)計算：

(1)

(2)

式中：q為熱流密度，W/m2；Tw為導熱塊加熱頂面溫度，℃；Tf為制冷劑飽和溫度，℃；λ為銅導熱系數，W/(m·K)；z為加熱面法向坐標，m。

T和z之間的關系由導熱銅柱上測得溫度T1～T5與其對應的z1～z5通過線性擬合得到，并以此推算出Tw的值。

(3)

(4)

式中：zw為導熱銅柱頂面高度，zw=0.04 m。

根據Moffat[20]方法可得到計算表面?zhèn)鳠嵯禂礹的相對誤差公式[14]：

(5)

其中，熱流密度與加熱面溫度計算誤差小于10%，熱電偶的誤差為0.1 ℃，最大相對誤差出現在換熱溫差最小時為3.3 ℃，表面?zhèn)鳠嵯禂档淖畲笙鄬φ`差為13.8%。

2 結果討論

2.1 泡沫銅孔密度對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/h3>

圖3所示為孔隙率為0.95、厚度為4 mm、不同孔密度的泡沫銅加熱面的表面?zhèn)鳠嵯禂惦S熱流密度的變化。由圖3可知，泡沫銅對加熱面的表面?zhèn)鳠嵯禂稻写蠓鶑娀饔?，增幅?00%～350%之間。隨著孔密度由5 PPI增至40 PPI，最大表面?zhèn)鳠嵯禂堤嵘?6.4%。高孔密度能夠強化泡沫銅內池沸騰換熱，因為高孔密度的泡沫銅具有更復雜的幾何結構和比表面積，能夠提供更多的氣泡成核點與傳熱面積，有利于沸騰換熱的進行。

圖3 泡沫銅孔密度對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/p>

2.2 泡沫銅厚度對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/h3>

圖4所示為孔密度為20 PPI、孔隙率為0.95、不同厚度的泡沫銅表面?zhèn)鳠嵯禂档淖兓?。由圖4可知，隨著厚度增大，泡沫金屬內制冷劑池沸騰換熱先增強后減弱。6 mm的泡沫銅池沸騰換熱時最大表面?zhèn)鳠嵯禂当? mm的泡沫銅提高13.9%，而8 mm的泡沫銅最大池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂迪鄬? mm泡沫銅下降13.9%，相對6 mm泡沫銅下降24.4%。原因是當泡沫銅厚度較小時，增加厚度可以增加換熱面積與氣泡成核點，強化沸騰換熱；但隨著厚度增大，泡沫銅內導熱熱阻增大，上層泡沫銅溫度較低，與制冷劑之間沒有足夠的換熱溫差，無法有效進行沸騰換熱，同時增加的泡沫銅會阻礙下層泡沫銅表面形成的沸騰氣泡逸出，使氣泡在泡沫銅下層滯留，阻礙沸騰換熱。

圖4 泡沫銅厚度對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/p>

2.3 泡沫銅孔隙率對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/h3>

圖5所示為孔密度為20 PPI、厚度為4 mm、不同孔隙率的泡沫銅表面?zhèn)鳠嵯禂档淖兓？紫堵蕿?.90泡沫銅的換熱面上制冷劑最大表面?zhèn)鳠嵯禂当瓤紫堵蕿?.95的泡沫銅加熱面高13.2%。原因是孔隙率為0.90的泡沫銅纖維直徑更大，能夠更好地傳遞來自加熱面的熱量，同時孔隙率仍然較大，制冷劑沸騰產生的氣泡逸出時受到的阻力相對0.95孔隙率的泡沫銅并沒有大幅提高，因此可以得到更高的換熱效率。

圖5 泡沫銅孔隙率對表面?zhèn)鳠嵯禂档挠绊?/p>

3 關聯(lián)式開發(fā)

目前已有的泡沫金屬加熱表面池沸騰關聯(lián)式，對于R141b在泡沫銅內的池沸騰特性均不能較好地預測，因此本文基于經典的Rohsenow[21]關聯(lián)式，綜合了泡沫金屬孔密度、孔隙率和厚度的影響，開發(fā)新的沸騰換熱關聯(lián)式。定義泡沫金屬對銅表面池沸騰換熱的影響因子為EFmf，則可將制冷劑在泡沫金屬加熱表面的池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂礹ref,mf表示為制冷劑在銅平表面池沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂礹ref，base與EFmf的乘積：

href,mf=href,baseEFmf

(6)

(7)

(8)

式中：ΔT為加熱表面與制冷劑的傳熱溫差，K；r為制冷劑的汽化潛熱，J/kg；cpl為制冷劑的比定壓熱容，J/(kg·K)；ηl為制冷劑的動力黏度，Pa·s；σ為制冷劑的表面張力，N/m；Prl為制冷劑的普朗特數；ρl、ρv為制冷劑的液態(tài)、氣態(tài)密度，kg/m3；s、Cwl為經驗常數，與加熱面特性、制冷劑物性有關，s取1.7；通過平表面實驗數據擬合，得Cwl=0.006 4。

由圖3～圖5可知，EFmf隨著泡沫金屬的孔密度、孔隙率與厚度呈現不同的變化規(guī)律，參考含油制冷劑沸騰換熱模型[15-16]，將EFmf表示為：

(9)

式中：Abase為加熱銅柱頂面面積，m2；Awetted為潤濕表面面積，m2，由加熱銅柱頂面面積與泡沫金屬表面面積相加得到：

Awetted=Abase+asfV

(10)

式中：V為泡沫銅體積，m3。通過數據擬合，得到a～e的值分別為-0.007 5、1.04、0.013、-0.20、0.12，聯(lián)立式(6)～式(10)即得新的關聯(lián)式。圖6所示為關聯(lián)式的誤差分布，關聯(lián)式與95%實驗數據的誤差在±30%以內，平均誤差為12.2%。

圖6 表面?zhèn)鳠嵯禂殿A測關聯(lián)式誤差分布

4 結論

本文實驗研究了不同結構的泡沫金屬加熱表面制冷劑池沸騰特性，得出如下結論：

1)高孔密度泡沫金屬具有更好的強化池沸騰換熱的能力，40 PPI泡沫銅比5 PPI的泡沫銅最大表面?zhèn)鳠嵯禂堤嵘?6.4%；

2)泡沫金屬強化池沸騰換熱的能力隨厚度的增大先增強后減弱；

3)適當減小孔隙率可提高泡沫金屬強化沸騰換熱的能力，孔隙率為0.90泡沫銅比孔隙率為0.95的泡沫銅最大表面?zhèn)鳠嵯禂蹈?3.2%；

4)開發(fā)的預測制冷劑在泡沫金屬加熱表面池沸騰換熱關聯(lián)式，預測值與95%實驗數據誤差在30%以內，平均誤差為12.2%。