胡海濤 賴展程 趙雅鑫 李孟山

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

強(qiáng)化傳熱是航空航天領(lǐng)域的重要問(wèn)題[1－2]。流動(dòng)沸騰換熱具有比單相對(duì)流換熱更高的熱流密度和傳熱系數(shù)[3－5]，在換熱管中被廣泛應(yīng)用。泡沫金屬具孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)高和比表面積大的優(yōu)點(diǎn)[6－9]，可應(yīng)用在換熱管內(nèi)，強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱[10]，在這個(gè)過(guò)程中需要明確泡沫金屬孔密度變化對(duì)制冷劑流動(dòng)沸騰換熱的影響規(guī)律。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫金屬表面流動(dòng)沸騰換熱研究包括圓管和矩形通道。A.Kouidri 等[11]針對(duì)矩形通道的研究表明，填充泡沫金屬可以有效強(qiáng)化沸騰換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比未填充時(shí)提高了130%～300%，同時(shí)在填充泡沫金屬的矩形通道內(nèi)可以觀測(cè)到氣泡流、團(tuán)狀流、塞狀流和環(huán)狀流，流型轉(zhuǎn)化的根本原因在于吸熱引起的蒸氣干度變化[12]。Zhu Yu 等[13]針對(duì)圓管的研究表明，與光管相比，泡沫銅內(nèi)傳熱系數(shù)提高了220%，并且促進(jìn)了流型從分層流向波紋流以及從波紋流向環(huán)形流的轉(zhuǎn)化；制冷劑內(nèi)混雜的潤(rùn)滑油不利于泡沫金屬管內(nèi)沸騰傳熱[14]，隨著潤(rùn)滑油質(zhì)量濃度的增大，泡沫銅的強(qiáng)化傳熱效果被削弱[15－16]。目前已有的研究大多局限于不同沸騰工況的影響，大部分只研究了單個(gè)孔密度，對(duì)泡沫金屬結(jié)構(gòu)(包括孔密度和孔隙率)的影響分析較少。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究一定范圍內(nèi)不同孔密度的泡沫金屬對(duì)圓管內(nèi)制冷劑流動(dòng)沸騰換熱的增強(qiáng)效果，明確泡沫金屬孔密度和表面潤(rùn)濕性對(duì)沸騰換熱的影響，為泡沫金屬換熱管進(jìn)一步的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷劑循環(huán)回路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和冷卻水箱組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 泡沫金屬流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Experimental device for flow boiling in metal foam tubes

制冷劑循環(huán)回路為主回路，制冷劑在回路中流動(dòng)，在測(cè)試段內(nèi)沸騰。制冷劑從齒輪泵流出，經(jīng)過(guò)流量計(jì)、過(guò)濾器、膨脹閥后進(jìn)入過(guò)冷器，過(guò)冷后通過(guò)預(yù)熱器加熱到一定干度和溫度，流入測(cè)試段；測(cè)試段測(cè)量進(jìn)出口溫度、壓力以及管壁溫度。制冷劑流入后置加熱器，然后經(jīng)冷凝器冷凝后回到齒輪泵。采用齒輪泵可以避免壓縮機(jī)潤(rùn)滑油對(duì)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶、壓力傳感器、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)組成。測(cè)量參數(shù)包括:預(yù)熱段和測(cè)試段的加熱功率、質(zhì)量流量、測(cè)試段壓力和溫度。

本文采用飛機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)常用制冷劑R134a作為測(cè)試流體，測(cè)試工況干度為0.1～0.9，質(zhì)流密度90～180 kg/(m2·s)，熱流密度12.4～18.6 kW/m2。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣件

本文實(shí)驗(yàn)采用的泡沫金屬如圖2所示。為探究泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)沸騰換熱的影響，采用了不同孔密度的泡沫金屬，孔密度分別為10 PPI、20 PPI、40 PPI(PPI 為單位英寸長(zhǎng)度上的平均孔數(shù))，泡沫金屬的孔隙率均為0.95。實(shí)驗(yàn)管的外徑為9.9 mm，內(nèi)徑為7.9 mm，長(zhǎng)度為180 mm。

圖2 泡沫銅樣件Fig.2 Test samples of copper foams

1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及誤差分析

流動(dòng)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的計(jì)算公式如下:

式中:q為熱流密度，W/m2；Tref為制冷劑沸騰溫度，℃；Tin為制冷劑入口溫度，℃；Tout為制冷劑出口溫度，℃；K為銅熱導(dǎo)率，W/(m·K)；Rin為泡沫金屬管內(nèi)徑，m；L為泡沫金屬管長(zhǎng)，m。

質(zhì)量流量計(jì)和功率表的精度均為±0.1%，熱電偶的精度為±0.1 ℃。根據(jù)R.J.Moffat[17]方法可得到傳熱系數(shù)h的最大誤差為9.7%。

2 結(jié)果討論

2.1 不同干度時(shí)孔密度對(duì)換熱的影響

圖3所示為實(shí)驗(yàn)得到的不同孔密度泡沫金屬表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨制冷劑干度的變化規(guī)律。高孔密度泡沫金屬管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱更強(qiáng)，孔密度由10 PPI 增至40 PPI 時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升了49%～96%。換熱增強(qiáng)的原因在于，隨著孔密度增大，泡沫金屬的比表面積和氣泡成核點(diǎn)增大，促進(jìn)沸騰換熱。

圖3 不同干度下泡沫金屬孔密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effect of pore density on heat transfer coefficient under various vapor quality

2.2 不同質(zhì)流密度下孔密度對(duì)換熱的影響

圖4所示為不同孔密度泡沫金屬表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨質(zhì)流密度的變化規(guī)律。隨著質(zhì)流密度的增大，泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大23%～95%。原因在于，隨著質(zhì)流密度增大，氣相和液相制冷劑的流速單調(diào)增加，流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)單調(diào)增加，高質(zhì)流密度促進(jìn)沸騰氣泡排出，進(jìn)而強(qiáng)化沸騰換熱。

圖4 不同質(zhì)流密度下孔密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of pore density on heat transfer coefficient under various mass flux

2.3 不同熱流密度時(shí)孔密度對(duì)換熱的影響

圖5所示為不同孔密度泡沫金屬表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱流密度的變化規(guī)律。熱流密度從12.4 kW/m2增至18.6 kW/m2時(shí)，熱流密度未達(dá)到臨界熱流密度，泡沫金屬管內(nèi)傳熱系數(shù)隨熱流密度單調(diào)增加，增加幅度為10%～48%。

圖5 不同熱流密度下孔密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of pore density on heat transfer coefficient under various heat flux

2.4 不同潤(rùn)濕性下孔密度對(duì)換熱的影響

圖6所示為不同表面潤(rùn)濕性下泡沫金屬表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律。在不同的質(zhì)流密度工況下，疏水改性都提供了更多有效成核點(diǎn)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；在質(zhì)流密度為180 kg/(m2·s)時(shí)，疏水改性強(qiáng)化表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)10%～30%。

圖6 不同潤(rùn)濕性下孔密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of pore density on heat transfer coefficient under various surface wettability

3 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)工況為孔密度10～40 PPI，干度0.1～0.9，質(zhì)流密度90～180 kg/(m2·s)，熱流密度12.4～18.6 kW/m2的條件下，研究了表面潤(rùn)濕性為未改性和疏水改性的泡沫金屬管內(nèi)制冷劑流動(dòng)沸騰的換熱情況。結(jié)論如下:

1)泡沫金屬管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨孔密度增大而提高。40 PPI 泡沫金屬管比10 PPI 泡沫金屬管的傳熱系數(shù)最多提升了96%；

2)泡沫金屬管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨干度增大而增大，當(dāng)干度從0.1 增至0.9 時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大了17%～74%；在高熱流密度和高質(zhì)流密度下，泡沫金屬管內(nèi)的沸騰換熱也增強(qiáng)；

3)疏水改性對(duì)泡沫金屬管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱有促進(jìn)作用，原因在于疏水表面提供了更多有效成核點(diǎn)。與未改性相比，疏水泡沫金屬管內(nèi)沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大了10%～30%。