辛鵬飛,王文

(上海交通大學機械與動力工程學院,200240,上海)

并聯(lián)換熱通道在鍋爐水冷壁[1-2]、太陽能吸熱器[3-4]、核反應堆蒸汽發(fā)生器[5]及電子設備冷卻[6]等各種能源化工領域都有著較多的應用。泵驅兩相流動換熱系統(tǒng)結構緊湊性高,能夠提供較高的換熱能力,并可適應較寬的換熱需求,在電子散熱中的應用越來越廣泛[7]。但是,在蒸發(fā)的并聯(lián)換熱通道中,極易出現(xiàn)通道間兩相流的不均勻分配,影響系統(tǒng)的換熱能力[8],甚至導致局部燒干和壁溫飛升。

并聯(lián)器件間流量分配不均屬于流量漂移不穩(wěn)定,與通道的內部和外部壓降特征曲線相關。并聯(lián)通道間的流量分配不均是由非單調的通道內部特征曲線與流動沸騰系統(tǒng)中泵供應曲線之間的相互關系而產(chǎn)生的[9-10]。通道內的流量與壓降的非線性關系,使得在滿足并聯(lián)器件兩端壓降相同的條件時,得到的結果存在多值性。Akagawa等[11]首先對由3根平行通道組成的蒸發(fā)器進行了理論和實驗研究,以R-134a為冷卻劑,表明可以根據(jù)單管的內部特征曲線估計多管中的流量分配、滯后以及流量漂移的開始。Minzer等[12-13]研究了兩管道太陽蒸汽發(fā)生器中的流量分配情況,并提出了簡化模型,得到了兩管道在不穩(wěn)定點發(fā)生流量漂移的瞬態(tài)過程。Baikin等[14]將Minzer的理論擴展到4個并行通道的實驗中,研究了不均勻加熱下的流量分布狀況,發(fā)現(xiàn)流量傾向于進入不加熱的通道中,并得到了總進口流量變化時的通道內流量、壓降的變化。Barnea等[15]利用實驗和理論研究了總流量、加熱功率變化時,各通道內流量以及通道間壓降的變化,并在靜態(tài)實驗中觀察到了滯后現(xiàn)象,在動態(tài)實驗中觀察到了反流現(xiàn)象。彭傳新等[16]研究了并聯(lián)通道中的流量漂移流動不穩(wěn)定性,表明流量漂移型流動不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因是,空泡份額增加引起先出熱通道流體重力壓降的下降。Hayat等[17]在4根并行通道的動態(tài)實驗中觀察到了滯后的現(xiàn)象,以及在不穩(wěn)定工況點的漂移中觀察到趨向不同穩(wěn)定的過程,表明流量分配的結果與動態(tài)遷移的過程有關。

此外,在并聯(lián)微通道中也存在類似的現(xiàn)象。Van Oevelen等[18-19]針對平行微通道開發(fā)了一種模擬兩相流分布的方法,將單個平行通道的壓降模型與泵曲線相結合的流動網(wǎng)絡,采用廣義特征值的方法來求解穩(wěn)定性。結果表明:當有兩個以上通道運行在負斜率區(qū)域時,系統(tǒng)是不穩(wěn)定的;一個通道運行的負斜率區(qū)域時,穩(wěn)定與不穩(wěn)定都有可能。Miglani等[10,20]通過實驗研究了在通道間有無熱傳導的情況下,不均勻加熱對兩通道內流量分布的影響。

Guglielmini[21]指出,影響兩相流分布特征的變量可分為幾何因素、操作條件和流體特性。單相流分布不均大都是由于結構導致的,兩相流分布不均是由于不穩(wěn)定性引起的,如流量漂移、壓降振蕩、密度波振蕩等[7]。流量分布不均發(fā)生時,往往是多個因素共同影響、相互作用的結果,從而導致了并聯(lián)系統(tǒng)中流量分布的復雜特征,因此對并聯(lián)兩相流系統(tǒng)中的流量分布一直是研究的重點和熱點。

現(xiàn)有的文獻中關于并聯(lián)通道間流量分配的實驗研究主要集中探究各通道的流量占比,忽略了分配不均對壁面溫度的影響,且影響因素的研究主要集中在進口流量上,參數(shù)影響研究不充分。因此,本文建立了以水為工質的兩通道實驗裝置,實驗研究了進口溫度、加熱功率變化對流量、溫度的影響,以及一定的擾動對參數(shù)變化的影響,而且對實驗中產(chǎn)生的現(xiàn)象和相關參數(shù)的滯后性進行了分析。

1 實驗系統(tǒng)介紹

實驗原理如圖1(a)所示,T1～T8為不同位置處流體溫度。系統(tǒng)以去離子水為工質,通過上游齒輪泵進行驅動,調節(jié)轉速以保持出口流量恒定,流體經(jīng)過預熱器加熱至設定溫度,隨后進入入口集管。為便于支路流量測量分析和保持出口壓力恒定,支路出口維持開放結構。為提高集管流量分配的均勻性,在入口集管內部添加了孔板[22],結構如圖1(b)所示。實驗段由兩根長度為1 000 mm、內徑為4 mm、外徑為6 mm的不銹鋼管道組成,并在其外部纏繞加熱線圈及保溫材料以模擬溫控熱沉,加熱線圈可提供的最大加熱功率為1 600 W,熱流密度可達1 600 W/m,通過變壓器對輸出功率進行控制。為了減少壁面導熱對測溫的影響,在實驗段兩端各預留100 mm不加熱區(qū)域,在此區(qū)域對進出口溫度進行測量。

(a)原理

(b)進口集管結構

壓力傳感器型號為MIK-P300,放置在進口集管處對進口壓力進行測量。溫度傳感器采用K型熱電偶,利用四線制鉑電阻對其進行標定,標定后的誤差為0.3 K。熱電偶的布置位置如圖1(a)所示,主要分布在進口及實驗段每條支路,實驗段中間位置也布置了測溫點,用來檢測運行過程中的壁溫狀態(tài)以及管道內流體是否燒干。系統(tǒng)中的總流量通過對泵特征曲線進行擬合,得到流量與轉速的關系,出口為單相支路中的流量是通過進口溫度與出口溫度計算得到。管道中的加熱功率可通過輸出電流和電壓求得,并在單相工況中確定其有效加熱功率。實驗中各物理量的不確定度如表1所示。

表1 實驗中各物理量的不確定度

對單個通道的動量方程沿長度進行積分,得到單個通道的流量變化模型[23]

(1)

式中:L為通道長度;Ai為通道截面積;Wi為質量流量;pin為進口壓力;pout為出口壓力;Fi(Wi)為通道內壓降特征。

假設N個并聯(lián)通道的進出口壓力相同、出口壓力保持恒定,其進口壓力為

(2)

求解式(2)可得到對應工況下的流量分配情況,采用李雅普諾夫一次近似理論來判定工況點的穩(wěn)定性[24],當特征根的符號為負時,工況點穩(wěn)定的,表明系統(tǒng)受到擾動后會恢復初始狀態(tài)。

2 結果分析

2.1 進口溫度的影響

圖2表示在進口流量Win=0.005 3 kg/s和熱流密度Q′=322.65 W/m不變的情況下,改變進口溫度對兩通道內流體溫度的影響。隨著進口溫度的提高,流體出口溫度與管壁溫度同時上升。當通道入口溫度達到61.5℃時,兩個通道內開始產(chǎn)生流量漂移。靠近集箱入口的通道1的出口溫度急劇上升直至出現(xiàn)沸騰,通道2的出口溫度卻逐漸下降,表明通道2中的流量逐漸增加,這是由于優(yōu)先沸騰的通道中會得到更少的工質。當通道1中的流體達到沸騰時,其中間位置的壁面溫度也隨之上升,直到與流體溫度達到平衡,此測點位置處于兩相狀態(tài)。同時,通道2出口溫度也有較大波動,這是由于通道1出口間歇性流動及內部的流型變化,導致通道2內流速產(chǎn)生變化,影響其換熱能力,通道2壁面溫度也伴隨較大波動。

圖2 進口溫度變化對通道溫度的影響Fig.2 The effect of inlet temperature change on channel temperature

當出現(xiàn)流量漂移時,降低進口溫度,可以發(fā)現(xiàn),通道1出口始終處于兩相狀態(tài),溫度沒有變化,通道2出口流體溫度和中間壁面溫度則隨著進口溫度減低。當進口溫度降至41.8℃時,通道1的中間壁面溫度開始下降,出口仍為兩相狀態(tài),表明通道內部沸騰區(qū)域開始減少。進口溫度降至36.7℃時,通道1出口溫度出現(xiàn)波動并迅速下降,此時通道2出口溫度迅速上升,直至超過通道1出口溫度,兩個通道壁面溫度與出口溫度變化相同。可見,流量分配不均的產(chǎn)生和消失對應的進口溫度有很大差異,達到24.8℃,表明流量分配對于進口溫度具有一定滯后特性,即增加和減少進口溫度對流量分配產(chǎn)生的影響不同。出現(xiàn)滯后現(xiàn)象是由于穩(wěn)定工況點存在多值性,以及參數(shù)增加和減少時所經(jīng)歷的瞬態(tài)軌跡不同導致的。

圖3展示了上述流量分配不均產(chǎn)生的壓力波動(Δp)情況,由于原始信號含有較多的雜質信號,其波動的能量在很寬的頻譜范圍內,為方便分析,將雜質信號進行了小波分析濾波。隨著進口溫度的上升,通道內的壓降呈下降趨勢,這是由于流體黏度降低所導致的。當出現(xiàn)流量分配不均勻時,壓降波動隨之出現(xiàn),且壓降有明顯的上升趨勢。隨著進口溫度的降低,壓降隨之下降,波動也有所減少,直至流量分配不均勻消失,通道內壓降恢復到波動前的水平,壓力波動也隨之消失。小波分析濾波后的信號仍有一定的波動,這可能是由于通道內流型變化產(chǎn)生的,在通道出口存在間歇性流動現(xiàn)象。

圖3 流量分配產(chǎn)生的壓力波動情況Fig.3 Pressure fluctuations due to flow distribution

2.2 熱流密度的影響

熱流密度Q′變化對通道內流量分布的影響見圖4,其中進口溫度Tin=62.6℃,流量Win=0.007 3 kg/s。當熱流密度提高到387 W/m時,通道中開始出現(xiàn)流量分配不均現(xiàn)象,通道1出口溫度由于流量減少迅速上升,通道2出口溫度迅速下降;繼續(xù)增加熱流密度,通道1出口出現(xiàn)過熱蒸汽,其中間壁面溫度也大于飽和溫度,通道中大部分處于燒干的狀態(tài)。隨著熱流密度降低,通道2出口溫度開始上升,由于進口溫度不變、熱流密度降低,表明通道2中的流量開始降低,而通道1中的流量對應增加,通道1中間壁面溫度也隨之降低。當熱流密度降低到211.4 W/m時,通道2出口溫度迅速上升,通道1出口溫度出現(xiàn)波動,直至兩者溫度達到一致,通道中流量恢復到均勻的狀態(tài)。實驗中,流量漂移產(chǎn)生和消失對應的熱流密度相差175.6 W/m,表明流量分配對于熱流密度同樣存在滯后特性。通道中產(chǎn)生流量分配不均時,兩者對應的出口溫度為90℃,表明即使在單相工況區(qū)域時,也會出現(xiàn)流量分配不均。流動中存在的擾動使通道中的流量產(chǎn)生波動,當某個通道由于流量波動到達沸騰起始點時,流量出現(xiàn)分配不均。

圖4 熱流密度變化對通道流量分配的影響 (高流量Win=0.007 3 kg/s)Fig.4 The effect of heat flux change on channel flow distribution (high flow rate Win=0.007 3 kg/s)

圖5展示了較低的質量流量(Win=0.004 8 kg/s)下熱流密度對通道內流量分配的影響,進口溫度Tin=60.3℃。與高質量流量相比,其出現(xiàn)流量分配不均的出口溫度明顯上升,約為95.5℃,這是由于高質量流量下通道達到沸騰所需的熱流密度增加,較高的熱流使其更加不穩(wěn)定。此外,隨著熱流密度的進一步增加,在無沸騰的通道2出口也觀察到了排氣現(xiàn)象,而出口的溫度并未達到飽和溫度。這表明,在通道1中產(chǎn)生了氣彈反流的現(xiàn)象,返回集管中的氣體隨液體從通道2中排出,使其出口溫度間歇性達到沸騰溫度。從圖5(b)可以看出,由于存在氣彈反流,使得壓降存在較大的波動,尤其是通道1出口燒干時,其壓差可波動到8.2 kPa,隨著熱流密度的減少,壓降波動也隨之降低。

(a)壁溫及流量

(b)壓降

2.3 外部擾動的影響

在熱流密度Q′=658.50 W/m和進口流量Win=0.006 1 kg/s工況下,施加外部振動對流量分配的影響見圖6。圖6(a)、6(b)表示不添加任何擾動時,隨著進口溫度升高,通道中逐漸產(chǎn)生流量分配不均勻的情況,此時對應的進口溫度為48.7℃。圖6(c) 、6(d)表示在運行過程中給通道施加一定的擾動,出現(xiàn)分配不均對應的進口溫度為44.5℃。通過對比可以發(fā)現(xiàn):由于存在外部擾動,使得通道在更低的進口溫度下便可以出現(xiàn)分配不均,其溫差可達3.2℃;施加擾動的工況產(chǎn)生分配不均時的溫度變化更快。未施加擾動的通道在即將出現(xiàn)分配不均時,低流量的通道出口會出現(xiàn)間歇性的沸騰,逐步演變成出口完全沸騰;在施加擾動的工況中,低流量通道出口會直接變成沸騰狀態(tài)。未沸騰通道出口溫度迅速降低,施加擾動的工況溫度降低的幅度更大,這是由于流量分配不均勻出現(xiàn)時對應的進口溫度較低。添加擾動并未改變此工況下流量分配不均的結果,即都是通道1得到較少的流量。對兩個工況下的壓降變化進行對比:在有擾動的工況中,伴隨著流量變化壓降會先有所下降,然后上升;在沒有擾動的工況中,壓降會緩慢隨之上升,沒有下降的部分出現(xiàn)。壓降變化整體趨勢與進口溫度的變化相似。此外,在圖6(a)同樣觀察到了流量分配對進口溫度的滯后性,其溫差為5℃,滯后的溫差受到流量和加熱功率的共同影響。

(a)溫度(無擾動)

(b)壓降(無擾動)

(c)溫度(有擾動)

(d)壓降(有擾動)

2.4 進口流量的影響

在熱流密度Q′=413.23 W/m和進口溫度Tin=60℃工況下,進口流量變化對通道中流量分配的影響見圖7,Wtot為總流量。與上述結果不同的是,沸騰優(yōu)先出現(xiàn)在了通道2中,表明流量分配的結果存在一定的隨機性,與相應的擾動有關。隨著進口流量降低,通道中流體溫度隨之上升,當流量降低至0.0048 kg/s時,開始出現(xiàn)流量分配不均,通道2出口溫度急劇上升到飽和溫度。繼續(xù)降低流量會使得通道2出口出現(xiàn)嚴重的過熱狀態(tài),但通道1中的流體溫度卻是下降的,表明其中的流量是增加的,且通道2出口的間歇性排液頻率也隨之下降,環(huán)狀流通道內所占的比例有所增加。隨著流量增加,通道1中的流體溫度未出現(xiàn)明顯變化,表明其流量占比在隨之降低。當流量增加到0.005 75 kg/s時,通道中的流量又恢復到初始狀態(tài)?？梢娡ǖ乐械牧髁糠峙洳痪漠a(chǎn)生和消失對應的進口流量有較大的差異,進口流量增加了19.8%,表明流量分配對進口流量有一定的滯后性。

圖7 進口流量變化對出口溫度的影響Fig.7 The effect of inlet flow rate change on outlet temperature

根據(jù)總進口流量、加熱功率、進出口溫度可以得到通道1中的流量占比,如圖8所示,W1為通道1流量。由于間歇性排液導致出口溫度存在一定的波動,因而計算得到的流量占比也會在一定范圍內波動,越密集的區(qū)域流量占比出現(xiàn)的概率越大。當流量的降低到流量分配不均的起始點時,通道1中的流量占比會迅速增加到95%以上,再繼續(xù)降低流量,其流量占比幾乎為1,而通道2中幾乎沒有流體進入。當進口流量開始增加時,通道1中的流量占比隨之減少,當?shù)竭_流量分配不均消失點時,其流量占比迅速從70%恢復到初始的狀態(tài)。流量增加和減少所對應的流量占比軌跡存在明顯差異,總流量發(fā)生變化后,其對應流量占比會優(yōu)先選擇與上一工況點相近的流量分配比例。

圖8 進口流量變化對流量分配的影響Fig.8 The effect of inlet flow rate change on flow distribution

2.5 集管影響

從上述實驗結果中發(fā)現(xiàn),優(yōu)先沸騰在通道1出現(xiàn)的概率相對大一些,在單相狀態(tài)下對通道中的流量分布進行實驗,如圖9所示。在實驗的流量范圍中,兩通道中的流量比較接近,通道2中的流量W2略高于通道1的概率略大一些。

圖9 單相狀態(tài)下通道2流量占比Fig.9 Channel 2 flow rate ratio in single-phase state

對進口集管進行CFD模擬可分析其所產(chǎn)生影響的機制,采用標準k-ε模型,進口質量流量為0.01 kg/s恒定。從圖10(a)可以看出,通道2進口處的壓力大于通道1,由于出口壓力保持一致,因此通道2的進出口兩端壓差比較大。從圖10(b)可以看出,通道中的流速比較相似,通道2附近由孔板進入集管上部的流速較大,因而進入通道2的流量較多。從圖10(c)可以看出,流體進入集管后會產(chǎn)生很大

(a)壓力分布

(b) 速度分布

(c)流線分布

擾動,在通道2進口區(qū)域流線更為密集,表明此處流速較大。當通道中開始出現(xiàn)流量分配不均時,可能會出現(xiàn)兩通道的出口溫度交替達到沸騰的情況,如圖2、圖5所示,隨后產(chǎn)生的流量漂移結果一定程度上受集管結構和加熱功率差異的影響。

2.6 實驗結果與模型對比

圖11 變流進口量下實驗結果與模型對比Fig.11 Comparison of experimental results and model under variable inlet flow rate

將圖8中的變進口流量工況下的流量占比與模擬進行對比,對應工況點如圖11所示。流體從集管到并行支管中需要經(jīng)過變流道截面,要考慮進口區(qū)域的局部壓降[25],根據(jù)實驗,兩通道熱流密度存在一定的差異,計算得到通道1流量占比分布。從圖11可以看出,流量分配得到的工況點都位于穩(wěn)態(tài)。當流量減少到一定數(shù)值時,工況點位于不穩(wěn)定區(qū)域,因而會迅速產(chǎn)生流量漂移,通道1流量占比增加;再次減少流量,通道1流量占比會略有增加。繼續(xù)增加流量時,通道1流量占比分布軌跡會沿著穩(wěn)態(tài)分布線運行,且流量占比逐漸減小,直到在某一特定流量下其穩(wěn)態(tài)分布只有均分工況點時,流量開始恢復到均勻分布狀態(tài)。由于流量的變化是不連續(xù)的,因而在流量漂移出現(xiàn)和消失對應的工況點上,存在一定的偏差,除此之外,其余工況點預測的比較好,幾乎在其穩(wěn)定分布的范圍內。

3 結 論

本文基于泵驅兩相散熱系統(tǒng),建立了以水為工質的兩個長為1 000 mm、內徑為4 mm的雙通道兩相流動換熱的實驗裝置,對通道間的流量分配特性進行了研究,主要結論如下。

(1)在進口流量Win=0.005 3 kg/s和熱流密度Q′=322.65 W/m下,進口溫度達到61.5℃時,靠近入口處的通道中優(yōu)先出現(xiàn)沸騰,遠離入口處的通道由于流量較大而導致出口溫度較低;降低入口溫度至41.8℃時流量分配恢復均勻分配,對應的進口溫度相差24.8℃,進口溫度對流量分配的影響有一定滯后性。

(2)在相同流量和進口溫度下,加熱功率增加到一定程度會導致流量分配不均。質量流量增加到0.002 5 kg/s,流量分配不均出現(xiàn)時對應的通道出口溫度降低5.5℃;高熱流密度下出現(xiàn)明顯的氣彈反流特征,流量分配對熱流密度存在滯后現(xiàn)象,熱流密度相差175.6 W/m。

(3)擾動會加速通道中流量分配不均的出現(xiàn),對應進口溫度相差3.2℃;降低進口流量會引起流量漂移,當流量增加19.8%時,分配不均的現(xiàn)象會消失,其產(chǎn)生和消失對應的進口流量相差0.000 95 kg/s。

(4)通過單相實驗和CFD模擬流量分配的對比分析可以發(fā)現(xiàn),集管設計會影響優(yōu)先出現(xiàn)沸騰通道的位置,單相狀態(tài)下流量較少的通道傾向于優(yōu)先沸騰。