羅小平 劉 倩 喻 葭 廖政標

(華南理工大學機械與汽車工程學院, 廣州 510640)

0 引言

隨著微電子機械的迅速發(fā)展，微細通道換熱器以其結構緊湊、輕巧、高效等特點廣泛應用于航空航天、現(xiàn)代醫(yī)療、能源與環(huán)境等領域[1-2]，在農(nóng)產(chǎn)品干燥、農(nóng)業(yè)電子設備冷卻等方面也有應用，如用于太陽能電池冷卻[3]和熱泵空調[4]等。微細通道換熱器存在尺度效應、表面效應等問題，換熱器尺寸的微小化使系統(tǒng)的阻力增大、壓降增大、能耗增加，最終導致經(jīng)濟性降低[5-6]。超聲波在農(nóng)業(yè)領域應用廣泛[7-9]，作為一種有源強化技術，超聲波強化傳熱具有操作簡單、可控性強等特點[10]。超聲波在液體中傳播時會產(chǎn)生聲空化、聲流效應和熱效應[11]，可進一步提高設備的換熱性能，因此將超聲波作用于微細通道換熱器可以改善其傳熱性能。

目前，國內外許多學者進行了有關流動沸騰壓降特性的研究，一些學者進一步就超聲波對沸騰傳熱和壓降的影響進行了研究[12-15]。BARTOLI等[16]通過改變工質過冷度、超聲波功率等參數(shù)研究了超聲波對過冷沸騰的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波可使傳熱系數(shù)最大增加57%。李長達等[17]以去離子水為工質研究了超聲波對池沸騰換熱的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率越大、作用距離越短，沸騰傳熱強化效果越好。段希利等[18]研究了超聲波作用下?lián)Q熱器的壓降特性，發(fā)現(xiàn)超聲波功率越大，換熱器的壓降越小，50 W和100 W超聲相比無超聲作用時壓降分別降低了20%和30%。AMIRI等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動對圓管湍流的強化傳熱效果較差，隨著雷諾數(shù)和進口溫度增大，超聲波對壓降和傳熱強化的影響減弱；隨后以不同濃度納米流體為介質，通過改變超聲波功率、工質流速等工況，探究超聲波對換熱器傳熱及壓降特性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動能降低納米流體對壓降的負面影響，在低雷諾數(shù)條件下對壓降的影響更顯著。以上研究主要關注超聲波對過冷沸騰、池沸騰傳熱性能及常規(guī)尺度換熱器傳熱及壓降特性的影響，而關于超聲波對微細尺度換熱器流動沸騰壓降特性影響的研究較少。傳熱特性和壓降特性是換熱器設計中的兩個重要因素，其中壓降特性直接影響設備的安全性能，且微細通道流動沸騰的壓降特性更為復雜。本文以制冷劑R141b為實驗工質，在截面尺寸為2 mm×2 mm的矩形微細通道內進行流動沸騰實驗，研究超聲波作用下微細通道內R141b的流動沸騰壓降特性，以期為超聲波在微通道換熱器中的運用提供參考。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括外部注液裝置、回路系統(tǒng)、實驗段以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分。外部注液裝置主要由儲液罐、液位計組成；實驗工質由不銹鋼磁力泵驅動進入回路系統(tǒng)，經(jīng)節(jié)流閥分為兩條支路：一部分工質通過主回路系統(tǒng)依次流經(jīng)渦輪流量計、預熱水箱、實驗段、冷卻水箱后流回儲液罐；另一部分經(jīng)過旁路調節(jié)閥直接回到儲液罐；主旁路調節(jié)閥共同作用控制實驗工質的流量，過濾器可以防止雜質堵塞槽道。渦輪流量計用于測量實驗段入口的工質流量，預熱水箱可通過恒溫控制儀調節(jié)使進入實驗段的工質溫度達到設定值。

實驗段主要由底座、加熱板、換能器組件、微細通道熱沉、密封墊圈、可視化玻璃和聚四氟乙烯蓋板裝配而成，結構如圖2所示。底座上設有測溫孔及測壓孔，換能器組件由超聲波換能器和振動板連接而成，安裝于實驗段進口。微細通道熱沉總長L為220 mm，總寬W為100 mm，總高H為15 mm，包含14條矩形截面細通道，單條通道寬度Wch為2 mm，高度Hch為2 mm，通道間距Ww為5 mm，單條微細通道截面簡圖如圖3所示。

實驗通過安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集模塊對所測量的溫度和壓力信號進行采集，并將其轉換為標準信號傳輸至工控機。此外，實驗設備還包括1臺高速攝影儀，用于拍攝和記錄微細通道內實驗工質流動沸騰情況以進行可視化分析。

1.2 熱平衡分析

為保證實驗數(shù)據(jù)有效，避免熱損失過大對實驗結果產(chǎn)生干擾，在實驗開始前進行熱平衡分析。文獻[21-22]在流動沸騰實驗之前采用單相強制對流的方式評估實驗系統(tǒng)的熱損失狀況，本實驗采用同樣方法。監(jiān)測實驗段進出口工質溫度和壓力，確保工質在微細通道內進行單相流動，單相流動穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，保持質量流率和進口溫度不變，改變加熱功率重復實驗，熱效率φ計算式為

(1)

式中Qtot——加熱板實際總傳熱量，W

M——實驗段進口質量流量，kg/s

cp,l——R141b的液相定壓比熱容，kJ/(kg·K)

Tout——微細通道出口溫度，℃

Tin——微細通道進口溫度，℃

熱平衡實驗結果如圖4所示。由圖4可知，熱效率φ在80.46%～89.56%之間，計算得本實驗平均熱效率為85.16%。由于實驗設備外層的隔熱棉起到保溫作用，熱損失量趨于恒定，熱效率隨熱流密度增大而增大，而在兩相流動沸騰實驗中，設熱流密度q為10～24 kW/m2，大于單相熱平衡實驗所設計的最大熱流密度，故認為該熱效率可用于計算熱流密度。實驗中超聲波功率為12.5～50 W，頻率為23～40 kHz，不考慮換能器對實驗系統(tǒng)的熱量輸入。

%

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 質量流率

根據(jù)工質在實驗段進口的體積流量V計算單條微細通道的質量流率G，計算式為

(2)

式中ρl——實驗工質液相密度，kg/m3

V——微細通道進口的體積流量，L/h

Nch——微細通道熱沉中通道總數(shù)

2.2 熱流密度

實驗過程中不可避免地存在熱損失，利用熱平衡實驗得到的熱效率計算熱流密度qeff，計算式為

(3)

式中S——加熱板面積，m2

2.3 兩相段長度

實驗中微細通道豎直放置，流動沸騰過程中，通道入口的工質有一定的過冷度，流經(jīng)微細通道不斷吸收熱量，通道出口時工質呈氣液兩相，以干度χe=0的點為界可將微細通道內工質的流動沸騰分為兩部分：上游單相液體對流傳熱區(qū)、下游氣液兩相流動沸騰區(qū)，如圖5所示。單相段長度Lsp、兩相段長度Ltp可根據(jù)熱量平衡計算[23]，計算式為

(4)

Ltp=L-Lsp

(5)

式中Tsat——實驗工質飽和溫度，℃

2.4 總壓降及兩相摩擦壓降

實驗段總壓降Δptot包括進口突縮壓降Δpc、單相流動壓降Δpsp、兩相流動壓降Δptp和出口突擴壓降Δpe，計算式為

Δptot=pin-pout=Δpc+Δpsp+Δptp+Δpe

(6)

式中pin——實驗段進口壓力，kPa

pout——實驗段出口壓力，kPa

進口突縮壓降Δpc和出口突擴壓降Δpe計算式為[24]

(7)

(8)

其中

σc=σe

式中σc——截面突縮面積比

σe——截面突擴面積比

ρg——工質氣相密度，kg/m3

χe,in、χe,out——工質進、出口熱力平衡干度

Cc——收縮系數(shù)

微細通道單相流動壓降Δpsp包括單相流動摩擦壓降Δpsp,f和單相流動重力壓降Δpsp,g，計算式為[25]

(9)

式中Dh——單條微細通道水力直徑

fsp——單相摩擦因數(shù)

g——重力加速度，m/s2

微細通道兩相流動壓力損失Δptp包括兩相重力壓降Δptp,g、兩相加速壓降Δptp,a和兩相摩擦壓降損失Δptp,f，Δptp,g和Δptp,a計算式為[23]

(10)

(11)

式中αout——微細通道出口空泡率[26]

綜上可得微細通道兩相摩擦壓降Δptp,f為

Δptp,f=Δptot-Δpsp,f-Δpsp,g-Δptp,g-Δptp,a-Δpc-Δpe

(12)

(13)

2.5 實驗誤差分析

實驗數(shù)據(jù)不可避免地存在一定誤差，本實驗誤差主要來源是讀數(shù)誤差、外部環(huán)境誤差以及儀器測量誤差。多次測量數(shù)據(jù)取平均值可減小讀數(shù)誤差，利用熱效率φ求取熱流密度qeff可減小外部環(huán)境誤差對實驗的影響。儀器測量誤差包括直接測量誤差和間接測量誤差，直接測量誤差可以根據(jù)儀器屬性及實驗測量數(shù)據(jù)求得，間接測量誤差可由誤差傳遞公式計算[27]，即

(14)

式中 ΔR——間接參數(shù)R的不確定度

Ji——與間接參數(shù)R相關的獨立變量

ΔJi——獨立變量Ji的不確定度

主要參數(shù)不確定度如表1所示。

表1 主要參數(shù)的不確定度

Tab.1 Uncertainties of main physical parameters

3 實驗結果與分析

3.1 有無超聲情況下沿程壓力特性對比

為獲得微細通道沿程壓力的變化規(guī)律，在距微細通道入口44、88、132、176 mm處設置了4處測壓孔(測點1～4)，設置系統(tǒng)壓力為152 kPa，工質入口溫度為35℃，以液態(tài)進入微細通道，研究不同工況下的沿程壓力特性。圖6為不同熱流密度和質量流率條件下微細通道沿程測點壓力分布情況。由圖6可知，進出口總壓降隨著熱流密度和質量流率的增大而增大，各工況下的出口壓力均近似于152 kPa，說明工質在出口位置均達到了飽和沸騰狀態(tài)；圖6a中，熱流密度為10.01、15.51、21.62 kW/m2時沿程壓力曲線分別在測點3、測點2及測點1發(fā)生轉折，由式(4)計算3種熱流密度條件下單相段長度分別為131.5、84.8、60.9 mm，說明隨著熱流密度增大單相段長度減小，兩相段長度增大，工質在兩相段流動時，從壁面脫離的汽泡增加，凝縮的汽泡數(shù)量減少，通道內的流型可能發(fā)生變化，故而壓力曲線發(fā)生轉折，熱流密度越大，流型轉換的位置更靠近入口。圖6b中3條曲線也存在明顯轉折，計算得59.32、88.98、118.64 kg/(m2·s)3種質量流率下單相段長度分別為78.1、117.2、156.3 mm，說明質量流率增大使得單相段長度增大，兩相段長度減小，兩相段內流型的轉換也推遲。不同工況下單相段及兩相段長度如圖7所示。

在有無超聲條件下在微細通道中開展流動沸騰實驗，超聲波頻率f=40 kHz、功率Pw=50 W。圖8為有無超聲作用下微細通道沿程測點壓力分布情況。超聲作用時的進口壓力略微小于無超聲時的進口壓力，出口壓力相同，表明施加超聲波使得總壓降減小；2種情況下曲線轉折點位置相同，通道內流型轉變可能發(fā)生在測點2和測點3之間，說明超聲波對氣液兩相段長度影響不大，且轉折點之前沿程測點壓力分布曲線的斜率相差不大，表明超聲波在單相段對壓降的影響不顯著，主要是影響兩相段壓降。

3.2 有無超聲情況下微細通道壓降對比

本實驗微細通道總壓降主要包括摩擦壓降Δpf、重力壓降Δpg、進出口突縮突擴壓降Δpc+Δpe、兩相加速度壓降Δpa，其中摩擦壓降由單相摩擦壓降與兩相摩擦壓降構成，重力壓降由單相及兩相重力壓降構成。為探究超聲波對各壓降分量的影響，分別在有無超聲作用方式下以制冷劑R141b為工質在微細通道內進行流動沸騰實驗。實驗中超聲波頻率f為40 kHz，功率Pw為50 W，熱流密度為15.51～21.62 kW/m2。由圖9可知，有無超聲兩種情況下微細通道內各壓降分量均以摩擦壓降所占比例最大，為60.27%～76.07%，隨后依次為重力壓降、加速度壓降和進出口突縮突擴壓降。相比于無超聲作用，超聲作用通道內的摩擦壓降減小約8.76%。微細通道內兩相摩擦壓降是影響流動沸騰總壓降的主要原因，現(xiàn)就各參數(shù)對單位長度兩相摩擦壓降的影響進行分析。

圖10表明隨熱流密度、質量流率增大，有無超聲作用下微細通道內單位長度兩相摩擦壓降呈現(xiàn)增長趨勢。熱流密度的增大會使得通道內含氣率增大，汽泡運動速度增大，兩相摩擦作用加劇，因此單位長度兩相摩擦壓降呈現(xiàn)增大趨勢。質量流率增大使得流體與通道壁面相對速度越大，兩相摩擦壓降也越大，兩相段長度變短，單位長度兩相摩擦壓降增大。在同一工況下，超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降較無超聲作用時小。

如圖10a所示，質量流率為118.64 kg/(m2·s)，熱流密度為17.03 kW/m2時，施加超聲波使得單位長度兩相摩擦壓降降低12.7%。超聲波通過空化作用及聲流效應影響沸騰傳熱，其中空化為微觀作用，聲流屬于宏觀作用[28]?？栈饔脮鹜膭有臀_效應，促使加熱面附近產(chǎn)生空化汽泡。聲流效應則會增加加熱表面附近流體的擾動[29]。這兩種效應使得通道中汽泡尺寸減小，液體、壁面和汽泡之間的摩擦減小，因此單位長度兩相摩擦壓降降低。由圖10b可知，隨質量流率增大，有無超聲條件下的單位長度兩相摩擦壓降相差不大，其原因是質量流率增大，兩相段長度減小，超聲波對壓降的影響減弱。

3.3 超聲場對單位長度兩相摩擦壓降的影響

超聲波功率及頻率會影響其空化效應，進而對單位長度兩相摩擦壓降產(chǎn)生不同程度的影響。圖11a中，同一熱流密度下，單位長度兩相摩擦壓降隨超聲功率增大而增大。熱流密度為18.56 kW/m2、超聲頻率為40 Hz、質量流率為118.64 kg/(m2·s)條件下，50 W超聲波較12.5、25、37.5 W超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降分別增大36.15%、24.42%、5.49%。超聲波功率直接影響超聲波在工質中的傳播能量，一方面，根據(jù)聲壓幅值與超聲功率密度的關系，pA=(2ρcI)0.5(pA為聲壓幅值，c為反應體系聲速，I為超聲功率密度)，超聲發(fā)射面積一定時，超聲功率增大，聲壓幅值亦增大，在正負相區(qū)汽泡受到超聲波的拉伸和壓縮作用更加強烈，通道內汽泡運動更加劇烈，兩相摩擦作用加劇；另一方面聲空化效應影響空化汽泡成長及潰滅，所產(chǎn)生的聲壓會使汽泡間存在相互作用力，即次級Bjerknes力FB[30]，表達式為

(15)

式中d——兩汽泡之間的距離

V1、V2——兩汽泡的體積

半徑不同的汽泡間的作用力隨時間的變化引力和斥力交替出現(xiàn)，在本實驗的微細通道中，汽泡大小各異，汽泡受到引力斥力的交替作用，隨功率增大，空化汽泡的體積增大，汽泡之間相互力作用越強，通道內氣液兩相紊亂程度增大，從而導致單位長度兩相摩擦壓降隨之增大。

圖11b表明超聲波功率為50 W時，同一熱流密度下，超聲波頻率越大，單位長度兩相摩擦壓降越小。熱流密度為18.56 kW/m2時，40 kHz超聲相比32、28、23 kHz超聲作用下單位長度兩相摩擦壓降分別減小9.64%、16.86%、23.85%。超聲波頻率增大使得空化周期縮短，空化汽泡的膨脹時間變短，使得空化核心還未增長到一定半徑便進入超聲負相區(qū)受到壓縮作用，而在負相區(qū)的壓縮時間也變短，導致空化汽泡來不及發(fā)生崩潰，通道內汽泡尺寸較小[31]，從而導致汽泡之間的運動相對緩和，單位長度兩相摩擦壓降減小。在低熱流密度10.01～18.56 kW/m2階段，超聲波功率越小、頻率越大，減阻效果越顯著；在高熱流密度階段，各工況下壓降相差不大，超聲參數(shù)對壓降的影響差異減小，其原因是熱流密度越大，微細通道內沸騰更加劇烈，汽泡數(shù)量大幅增加，氣液界面的增加阻礙超聲波傳播至加熱面，空化作用減弱[32-33]。

3.4 可視化分析

在氣液兩相流中，流型對傳熱與流動影響巨大，兩相流壓降與微細通道內的流型密切相關[34]，流型的變化往往會引發(fā)流阻的改變，氣相份額越大，兩相流壓降相應增大。為了更加直觀地了解微細通道內實驗工質沸騰時汽泡的運動及流型的變化情況，借助高速攝像儀研究有無超聲作用下微細通道內流體流動狀態(tài)以探討超聲波對微細通道內流型及汽泡運動行為的影響機理。圖12為熱流密度為15.51 kW/m2、質量流率為118.64 kg/(m2·s)、進口溫度為35℃時有無超聲作用下單條通道內典型區(qū)域的高速視頻圖像，每組相鄰圖像攝像間隔時間為2.879 ms。

上游段兩種通道內加熱面的汽化核心處均產(chǎn)生汽泡，汽泡逐漸長大到一定程度后，失去穩(wěn)定而脫離受熱面進入主流區(qū)。對比兩種通道內的高速視頻圖像發(fā)現(xiàn)，在沸騰起始階段，無超聲作用的通道內汽泡數(shù)量較少，隨著工質流動，部分小汽泡逐漸匯聚成較大的汽泡；超聲作用時，通道底部汽泡數(shù)量也較少，隨工質流動汽泡數(shù)量有所增加且汽泡尺寸較無超聲通道的小，說明超聲波使得汽泡沸騰階段的汽泡數(shù)量增加，尺寸減小，比較上游段兩通道內的汽泡數(shù)量，超聲作用通道內的汽泡數(shù)量約為無超聲作用通道的1.5倍，其原因是超聲波在介質中傳播發(fā)生的空化效應能促進加熱面附近產(chǎn)生部分氣化核心進而發(fā)展形成小汽泡，汽泡在超聲波正負相區(qū)膨脹、收縮，周期性地生長和潰滅從而增加擾流作用，使汽泡脫離頻率加快，脫離直徑減小。此時上游段有無超聲作用的微細通道內流型均為泡狀流。保持其他工況相同，比較有無超聲作用下微細通道某一相近位置汽泡的運動軌跡，由第1幀(0 ms)到第5幀(11.516 ms)圖像可發(fā)現(xiàn)超聲作用下通道內汽泡運動速度更快，這是由于超聲波使得通道內汽泡尺寸變小，小汽泡與主流流體的跟隨性較強，與主流液體的滑移速度較??；無超聲時，汽泡尺寸較大，跟隨性較差。

工質流動至下游段時，兩種微細通道內小汽泡成分明顯減少。無超聲作用的微細通道內，汽泡不斷長大并迅速與周圍相鄰汽泡合并形成大汽泡，微細通道對合并后的汽泡在直徑方向的生長產(chǎn)生限制作用，汽泡因此產(chǎn)生變形、拉長，形成彈狀汽泡(如下游段無超聲作用通道底端所示)，合并后的汽泡不斷再次合并、拉長，形成較長彈狀汽泡(如下游段無超聲作用通道上端所示)，因此無超聲作用時下游通道內流型主要為拉長彈狀流。超聲作用通道下游段汽泡數(shù)量、尺寸都有所增加，氣液界面增加，因此阻礙超聲波傳播至加熱面，且下游段距離換能器較遠，空化效應減弱，難以產(chǎn)生空化核心，通道內幾乎沒有出現(xiàn)上游段的空化汽泡，此時聲流作用為主要影響機理，使得大小不同、形狀各異的汽泡彌散地分布在連續(xù)的液相內形成泡狀流，隨著工質流動，部分汽泡合并成較短彈狀汽泡，此時通道內流型以泡狀流和受限彈狀流為主。經(jīng)過測量及計算，高速視頻圖像中下游段典型區(qū)域無超聲及進口超聲通道內最長彈狀汽泡的平均當量直徑分別為23.61、6.65 mm，微細通道內存在拉長彈狀汽泡往往會引起壓降增大，而汽泡較短時，流體流速較慢，兩相摩擦壓降較小[35]，這與本文在超聲作用下微細通道內摩擦壓降較小的實驗結果一致。

4 結論

(1)在實驗工況下，超聲波主要影響兩相段流動沸騰的壓降。超聲波對微細通道內流動沸騰壓降具有一定減弱作用，當質量流率為118.64 kg/(m2·s)、熱流密度為17.03 kW/m2時，在實驗段進口處施加40 kHz、50 W的超聲波可使單位長度兩相摩擦壓降減小12.70%。

(2)在相同熱流密度條件下，單位長度兩相摩擦壓降隨超聲波功率增大而增大，隨超聲頻率增大而減小，質量流率為118.64 kg/(m2·s)、熱流密度為18.56 kW/m2時，50 W較12.5 W超聲波作用下單位長度兩相摩擦壓降增大36.15%，40 kHz相比23 kHz超聲波作用下單位長度兩相摩擦壓降減小23.85%。超聲波對壓降的影響程度與熱流密度有關，在熱流密度10.01～18.56 kW/m2范圍內，隨著超聲波功率減小、頻率增大，壓降減小效果更加顯著，在高熱流密度條件下超聲波參數(shù)對單位長度摩擦壓降的影響差異較小。為降低微細通道內的流動沸騰壓降，可適當采用功率較小、頻率較高的超聲波。

(3)施加超聲波可使通道內汽泡數(shù)量增加、尺寸減小，泡狀沸騰段典型區(qū)域超聲作用通道內汽泡數(shù)量約為無超聲作用通道的1.5倍；工質出口段無超聲作用通道流型為拉長彈狀流，超聲作用通道流型為泡狀流及受限彈狀流，兩種通道內最長彈狀汽泡平均當量直徑分別為23.61、6.65 mm。超聲波在核態(tài)沸騰階段可通過空化效應及聲流作用促進汽泡形成、加快汽泡脫離頻率，在劇烈沸騰階段氣液界面增加會阻礙超聲波的傳播，導致空化效應減弱。