具有強化表面的氨噴霧相變冷卻實驗研究.pdf

1、為了滿足在大功率激光、航空航天、大型計算機等各類大功率發(fā)熱元件的散熱需求，池沸騰、微槽冷卻等不同相變冷卻技術(shù)被學(xué)者研究并應(yīng)用于實際，其中噴霧相變冷卻技術(shù)由于換熱能力出眾、工質(zhì)使用量少和使用空間緊湊等特點，得到了國內(nèi)外的廣泛研究，已有實驗表明用水為工質(zhì)進(jìn)行噴霧相變冷卻，能獲得高達(dá)1000W/cm2熱流密度的冷卻能力，但是在常壓下其換熱面溫度已超過100℃，使其在實際應(yīng)用中受到局限。為了在高熱流密度下使得噴霧冷卻能夠滿足實際應(yīng)用的需求，本文

2、采用壓力雙噴嘴來霧化冷卻工質(zhì)液氨，并采用加熱棒作為模擬熱源，研究了噴霧相變冷卻的傳熱特性；在此基礎(chǔ)上，通過對換熱面表面性狀的改變，進(jìn)一步強化噴霧相變的傳熱能力。通過可視化實驗研究，分析了壓力、流量、表面性狀等因素對傳熱特性的影響規(guī)律，本文在探析噴霧相變傳熱機理的基礎(chǔ)上，研究了微槽擴展表面、多孔表面和復(fù)合型表面等的傳熱特性和強化機理，為最終的實際運用奠定實驗基礎(chǔ)。
　　本文首先對光滑表面進(jìn)行噴霧冷卻實驗研究，分析了其傳熱特點和發(fā)生機

3、理，并作為后續(xù)各類強化表面?zhèn)鳠嵝阅艿膶Ρ缺砻?。研究了具有微槽結(jié)構(gòu)強化表面噴霧冷卻的傳熱特性，實驗研究了不同尺寸槽間距和槽高以及流量、壓力等因素對微槽傳熱性能的影響。并對具有高溫?zé)Y(jié)的多孔表面進(jìn)行氨噴霧冷卻實驗研究，分析了不同燒結(jié)粒徑和流量的變化對多孔表面換熱影響。此外，對光滑表面進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，通過調(diào)節(jié)電壓的大小，在其表面上產(chǎn)生不同程度的腐蝕度，研究了電化學(xué)腐蝕表面的噴霧冷卻傳熱特性。進(jìn)一步研究了親、憎水表面對噴霧相變冷卻傳熱性能的影響

4、。最后，在微槽表面上燒結(jié)厚度較薄的多孔層，研究了復(fù)合型表面下的噴霧相變冷卻的傳熱特性，分析了工質(zhì)在不同飽和壓力下、不同孔隙率以及流量等因素對噴霧相變傳熱特性的影響規(guī)律。
　　通過對各類強化表面的氨噴霧相變冷卻實驗研究，得到以下結(jié)論：
　?、佼?dāng)保持其他參數(shù)不變時，隨著槽間距尺寸增加，微槽的槽道數(shù)量增加，Bo數(shù)增加，表面張力的影響增加，實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)槽間距減小到0.5mm，在熱流密度為310W/cm2，流量為11.4kg/h的時候

5、，換熱系數(shù)達(dá)87570 W/(m2·K)，相對于光滑表面的換熱系數(shù)65205 W/(m2·K)增加了34％；槽高尺寸增加，微槽對液膜影響加劇，液膜減薄，換熱能力增加，但槽高増加的同時帶來肋頂與低端的溫差加劇，導(dǎo)熱熱阻增加，對于流量為11.4kg/h時候，槽高為1mm微槽表面表現(xiàn)最佳。
　?、诰哂卸嗫孜⒔Y(jié)構(gòu)的表面不但能有效的增加表面積，而且合適的微孔能為核態(tài)沸騰創(chuàng)造條件，在流量為11.4kg/h（0.0155 m3/(m2 s)），

6、熱流密度為310W/cm2的時候，換熱系數(shù)為124159 W/(m2·K)，相對于光滑表面增加了90%；隨著燒結(jié)粒徑的減小，毛細(xì)作用力增強，汽化核心數(shù)的增加和毛細(xì)力的共同作用使得沸騰起始點提前，有效降低了沸騰的過熱度；隨著流量的增加，在相同過熱度下可以達(dá)到更高的熱流密度，當(dāng)流量增加到13.4kg/h（0.0181 m3/(m2 s)）時，換熱系數(shù)最高達(dá)到147503 W/(m2·K)。
　?、鄄捎秒娀瘜W(xué)腐蝕的表面，隨著腐蝕程度的加

7、劇，能產(chǎn)生不同數(shù)量的微米級潛在汽化核心，對于高度腐蝕表面在熱流密度為310 W/cm2，流量為11.4kg/h時候，換熱系數(shù)為79290 W/(m2·K)，相對光滑表面增加了22%；在熱流密度為310 W/cm2，腐蝕最高的表面相對腐蝕最低的表面，換熱系數(shù)增加了18%。
　　④具有多孔層的微槽表面（雙重強化表面）不僅增加了換熱面積，也使得潛在的汽化核心數(shù)顯著增加，使換熱效率大大提高，當(dāng)流量在11.4kg/h，熱流密度為310 W/

8、cm2時候，換熱系數(shù)達(dá)137772 W/(m2·K)，相對于光滑表面增加了111%；通過適當(dāng)?shù)脑黾涌紫堵誓茉黾佣嗫讓又械目障犊臻g，減小了多孔層內(nèi)部的流動阻力，有利于使得受熱產(chǎn)生的氣泡更快的逸出，有利于核態(tài)沸騰的持續(xù)、穩(wěn)定的進(jìn)行，在熱流密度為340 W/cm2，流量為11.4kg/h的時候，孔隙率為42%的換熱系數(shù)比孔隙率為27%的表面增加了16%；環(huán)境壓力升高到3.7bar時候，熱流密度在50 W/cm2至340 W/cm2時候，表面溫