陳 楹，阮 琳*，曾向君

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510000)

現(xiàn)代電力電子器件正向著高頻、大功率和高集成化方向發(fā)展，其工作過程中所產(chǎn)生的損耗，會(huì)使其溫度升高，從而影響其可靠性[1]。采用有機(jī)絕緣工質(zhì)的表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，由于其自循環(huán)、功耗低、冷卻效率高等特點(diǎn)，可以很好地滿足電力電子設(shè)備的散熱需求[2]。

表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)利用液體汽化吸熱的原理來冷卻發(fā)熱部件，介質(zhì)的相變潛熱比單相流體的比熱大得多，冷卻效果更加顯著。表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)換熱效率高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與發(fā)熱部件緊密貼合；無需外界驅(qū)動(dòng)力，可靠性高。其在模塊化、集成化的電力電子模塊散熱領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊[3-5]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，兩相流動(dòng)自循環(huán)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能存在兩相流流動(dòng)不穩(wěn)定性問題。兩相流流動(dòng)不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)流量的驟然減小或者劇烈波動(dòng)，從而導(dǎo)致液盒底板各位置的溫度急劇升高或周期性變化，與液盒緊密貼合的發(fā)熱部件的溫度亦受其影響。除此之外，持續(xù)的流動(dòng)振蕩會(huì)使部件可能遭受有害的機(jī)械振動(dòng)，還會(huì)使部件的局部熱應(yīng)力產(chǎn)生周期性變化，這些都將導(dǎo)致部件的疲勞損壞。

文獻(xiàn)[6-7]以圓管為研究對(duì)象對(duì)兩相自然循環(huán)流動(dòng)不穩(wěn)定性問題進(jìn)行了機(jī)理性實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[8]以水為工質(zhì)，在常壓下對(duì)細(xì)長(zhǎng)回路的自然循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了其運(yùn)行特性和不穩(wěn)定性機(jī)理。文獻(xiàn)[9]在5 MW低溫核供熱堆熱工水力學(xué)模擬回路上研究了間歇流量振蕩的條件及機(jī)理。文獻(xiàn)[10]針對(duì)以水為工質(zhì)的矩形窄通道自然循環(huán)系統(tǒng)開展了流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)沸騰轉(zhuǎn)變階段的流動(dòng)不穩(wěn)定性的機(jī)理進(jìn)行了探討。

當(dāng)前對(duì)兩相流流動(dòng)不穩(wěn)定性的研究大多是以圓管或者矩形窄通道為研究對(duì)象，且大多以水為工質(zhì)，鮮有針對(duì)使用蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的研究。以表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，闡述了流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)及原理，在此平臺(tái)上探究了表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中流量隨加熱功率變化的趨勢(shì)，并初步探究了系統(tǒng)壓力、液位高度、并聯(lián)支路數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)回路和實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖1、圖2所示。主要包括測(cè)量?jī)x表、聯(lián)箱、實(shí)驗(yàn)段、冷凝器、水箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)的采集由FLUKE 2686A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量?jī)x表包括：T型熱電偶、溫度傳感器、壓力傳感器以及渦輪流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過聯(lián)箱和堵頭的不同組合方式實(shí)現(xiàn)不同并聯(lián)支路數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用的是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫中的ZXB-16。該介質(zhì)沸點(diǎn)適中、絕緣性好、安全環(huán)保，且對(duì)實(shí)驗(yàn)回路無腐蝕。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)段由發(fā)熱銅塊、液盒、保溫層以及外殼組成。液盒由亞克力板、密封圈、鋁制主體構(gòu)成。亞克力板透明度極佳，用于可視化，觀察液盒內(nèi)部沸騰情況。鋁制主體的通道部分寬度W=130 mm(與加熱寬度一致)，深度H=26 mm，長(zhǎng)度L=140 mm(與加熱長(zhǎng)度一致)。保溫層采用聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.020～0.023 W/(m·K)，保溫效果良好，且易加工，使用溫度為-100～100 ℃[11]。外殼采用酚醛樹脂，起支撐實(shí)驗(yàn)段的作用。

實(shí)驗(yàn)段入口的體積流量由渦輪流量計(jì)測(cè)量，量程：0～120 L/h，精度為±1%。實(shí)驗(yàn)回路中各點(diǎn)壓強(qiáng)用壓力傳感器測(cè)定，量程：0.05～0.1 MPa，精度為±0.2%。實(shí)驗(yàn)回路中的各點(diǎn)溫度由溫度傳感器采集，量程：0～100 ℃，精度為±0.2%。實(shí)驗(yàn)段采用給發(fā)熱銅塊通電的方式來實(shí)現(xiàn)加熱。實(shí)驗(yàn)段的溫度由T型熱電偶測(cè)量，其側(cè)邊和底面的熱電偶的布置如圖4所示。底面和側(cè)面分別布置6個(gè)和4個(gè)熱電偶。

圖4 熱電偶布置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比不同系統(tǒng)壓力、不同液位、不同并聯(lián)支路數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析這三者對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。采用步進(jìn)式加熱法，每次增加10～50 W，每次調(diào)節(jié)后，靜置系統(tǒng)一段時(shí)間，待其平衡后，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)，若系統(tǒng)不能平衡到某一穩(wěn)態(tài)，而是發(fā)生流量漂移或是流量、溫度等參數(shù)的自持振蕩，則說明系統(tǒng)發(fā)生了流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記下該工況下的數(shù)據(jù)。多支路實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行過程中，同步增加各支路加熱功率。

(1)斷開兩側(cè)的支路，在支路2(2號(hào)實(shí)驗(yàn)段)上進(jìn)行單支路實(shí)驗(yàn)。

(2)斷開中間支路，在支路1、支路3(1號(hào)、3號(hào)實(shí)驗(yàn)段)上進(jìn)行雙支路實(shí)驗(yàn)。

(3)接上3個(gè)支路(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)實(shí)驗(yàn)段)，進(jìn)行三支路實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 流量變化

在自然循環(huán)回路中，實(shí)驗(yàn)段受熱，液盒中部分工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，在實(shí)驗(yàn)段中形成了氣液混合物，回液管中的工質(zhì)依舊為單相液體。氣液混合物的密度小于單相液體的密度，二者密度差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，使得工質(zhì)在回路中循環(huán)流動(dòng)。

在單支路實(shí)驗(yàn)中，隨著加熱功率的不斷增加，流量變化如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于曲線的上升階段，在較小的加熱功率條件下，隨著加熱功率的增加，系統(tǒng)自然循環(huán)流量逐漸增加，這是由于隨著加熱功率的增加，實(shí)驗(yàn)段熱平衡干度增大，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生的氣泡引起空泡份額的不斷增大，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)段氣液混合物的密度明顯減小，同時(shí)回液管中流體密度幾乎不變，二者的密度差顯著增加，在浮升力的作用下，循環(huán)流量不斷增大。隨著加熱功率的繼續(xù)增大，空泡份額的增大速度變得相對(duì)緩慢，空泡份額的增加，一方面增大了系統(tǒng)的浮升力，另一方面會(huì)導(dǎo)致兩相流動(dòng)的阻力增加，當(dāng)浮升力和流動(dòng)阻力的差值達(dá)到了最大值時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)流量達(dá)到最大值。當(dāng)空泡份額的增加對(duì)兩相流動(dòng)阻力增加的貢獻(xiàn)大于對(duì)浮升力的貢獻(xiàn)時(shí)，自然循環(huán)流量就會(huì)隨著加熱功率的增大而減小。

圖5 單支路流量

2.2 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象

在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了間歇泉、低頻流量振蕩以及管間脈動(dòng)三種流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2.1 間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象

圖6 間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定性

在單支路實(shí)驗(yàn)中，在圖5的起始階段(0～6 000 s)，隨著加熱功率的增大，自然循環(huán)系統(tǒng)首先會(huì)出現(xiàn)間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，如圖6所示。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象常出現(xiàn)于自然循環(huán)系統(tǒng)的啟動(dòng)階段。啟動(dòng)階段，加熱功率較小時(shí)，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)流體不斷吸收熱量，當(dāng)加熱壁面溫度高于實(shí)驗(yàn)段內(nèi)流體飽和溫度時(shí)，壁面附近開始產(chǎn)生少量氣泡，此時(shí)實(shí)驗(yàn)段內(nèi)兩相流體與下降段內(nèi)流體的密度差所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力較小，不足以克服自循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的阻力，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)流體處于蓄熱狀態(tài)，隨著熱量的持續(xù)輸入，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣泡明顯增加，氣泡進(jìn)入上升管中，以“噴泉”的方式涌出液面，與此同時(shí)，下降段的冷流體進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，形成波動(dòng)。氣泡涌出后，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力又不足以克服阻力，繼續(xù)以上過程，形成間歇泉。

繼續(xù)增大加熱功率，系統(tǒng)將趨于穩(wěn)定，此時(shí)有大量的氣泡產(chǎn)生，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力已足以克服阻力，形成較為穩(wěn)定的自循環(huán)。

2.2.2 低頻流量振蕩

在單支路實(shí)驗(yàn)中，在流量隨加熱功率增大而減小的區(qū)間內(nèi)，發(fā)生了低頻流量振蕩。當(dāng)加熱功率超過一定值后，如圖5所示，從41 700 s開始，自然循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生低頻流量振蕩，流量開始劇烈振蕩，其流量變化過程如圖7所示。截取其中一段波形，流量與溫度的振蕩情況如圖8所示，低頻流量振蕩具有明顯的周期性，其脈動(dòng)周期13～14 s，雖然流量振蕩劇烈，但溫度波動(dòng)范圍在0.4 ℃以內(nèi)，這可能會(huì)對(duì)控溫精度要求較高的系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，但對(duì)本文的研究目標(biāo)幾乎無影響。

圖7 低頻流量振蕩的發(fā)生過程

圖8 低頻流量振蕩

2.2.3 管間脈動(dòng)

在多支路實(shí)驗(yàn)中，除了間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定性和低頻流量振蕩，隨著加熱功率的增大，雙支路和三支路實(shí)驗(yàn)過程中，還出現(xiàn)了管間脈動(dòng)，即各支路的脈動(dòng)基本等幅值，但有著相位差。以三支路為例，如圖9所示為三支路實(shí)驗(yàn)中各支路加熱功率為 627 W 時(shí)的管間脈動(dòng)現(xiàn)象，三支路各支路脈動(dòng)周期為19～24 s，2號(hào)和3號(hào)實(shí)驗(yàn)段流量脈動(dòng)的相位相同，1號(hào)流量脈動(dòng)與它們的相位相差180°。

2.3 系統(tǒng)壓力、液位、并聯(lián)支路數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響

相較于間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定性，在加熱功率較高時(shí)存在的低頻流量振蕩和管間脈動(dòng)對(duì)冷卻系統(tǒng)的可靠性影響較大。所以著重研究各參數(shù)對(duì)低頻流量振蕩和管間脈動(dòng)的影響規(guī)律。

圖9 管間脈動(dòng)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可以表征一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大，數(shù)據(jù)點(diǎn)越分散，應(yīng)用于流量脈動(dòng)曲線中，標(biāo)準(zhǔn)差越大即意味著流量振蕩越劇烈，本實(shí)驗(yàn)中，可通過標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)各工況進(jìn)行分析，從而更清晰地判別低頻流量振蕩發(fā)生的工況。

(1)

如圖10所示為單支路實(shí)驗(yàn)段在系統(tǒng)壓力為0、10 kPa時(shí)的入口流量標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差突然增大的點(diǎn)，就是發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的工況。0 kPa時(shí)，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率為1 704 W。10 kPa時(shí)，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率為1 752 W。

圖10 不同壓力下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

由圖10可知，系統(tǒng)壓力增加，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性的加熱功率也增加，系統(tǒng)壓力升高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如圖11所示為實(shí)驗(yàn)段底面中心溫度曲線，雖然系統(tǒng)壓力的提高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致壁面中心溫度的升高。在實(shí)際應(yīng)用中，液盒壁面的溫度越低越好，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要綜合考慮流動(dòng)不穩(wěn)定性和壁面溫度。

圖11 不同壓力下底面中心溫度隨加熱功率的變化

圖12 不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化

圖13 不同液位下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

單支路在不同壓力下平均流量隨加熱功率的變化趨勢(shì)如圖12所示。在實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)壓力變化對(duì)平均流量的最大值影響不大，在流量的上升段，隨著壓力升高，流量減小，這是因?yàn)橄到y(tǒng)壓力的增加，使得實(shí)驗(yàn)段兩相流與下降段單相液體的密度差減小，系統(tǒng)浮升力隨之減小，流量也隨之減小。

如圖13所示，液位1.49 m時(shí)，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率為1 704 W，液位1.16 m時(shí)，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率為1 417 W，液位高的系統(tǒng)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率更大。由此可見，液位的升高，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖14 不同支路數(shù)下流量標(biāo)準(zhǔn)差隨加熱功率的變化

如圖14所示，流量標(biāo)準(zhǔn)差突增的點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的工況。多支路實(shí)驗(yàn)中，各支路同時(shí)發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，且振幅、周期相近，可任意選取某一支路的參數(shù)進(jìn)行研究。選取雙支路、三支路實(shí)驗(yàn)中1號(hào)實(shí)驗(yàn)段的流量標(biāo)準(zhǔn)差以及單支路的流量標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較，單支路發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)的加熱功率為1 704 W，雙支路發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)每個(gè)支路的加熱功率為708 W，三支路發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)每個(gè)支路的加熱功率為512 W。由此可見，并聯(lián)支路數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致每個(gè)支路發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的功率下降。

3 結(jié)論

建立表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)在表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中，存在間歇泉流動(dòng)不穩(wěn)定性、低頻流量振蕩以及管間脈動(dòng)。

(2)自然循環(huán)流量隨著加熱功率的增大，先增大后減小。

(3)系統(tǒng)壓力增加，發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率也增加，系統(tǒng)壓力升高有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4)液位高的系統(tǒng)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率更大，液位升高，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定。并聯(lián)支路數(shù)的增多會(huì)導(dǎo)致每個(gè)支路發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的加熱功率減小。

以上研究有助于探明流動(dòng)不穩(wěn)定性影響因素，從而提高表貼式自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在電力電子設(shè)備上應(yīng)用的可靠性。