矩形微通道内制冷剂流动冷凝传热特性研究

发布时间：2020-08-07 00:23

【摘要】：随着微型电子机械系统(MEMS)领域的技术发展,在许多应用场景中,如航空航天设备、高性能微型电子设备等,其器件的散热由于尺寸的减小和功率的提高而受到挑战。微通道相变换热技术可以显著提高换热器的紧凑度,减小换热器尺寸和重量,并提供较高的传热系数和良好的表面温度均匀性。本文搭建微通道流动冷凝实验系统,并建立有效的物理数学模型,从实验和理论上系统深入研究微通道内制冷剂流动冷凝传热特性,揭示微通道流动冷凝区别于常规尺度下的传热机制。对于克服高度集成化发热设备带来的散热挑战、发展新型冷却技术和完善相变传热理论体系具有十分重要的意义。本文实验研究了水力直径为0.67mm的矩形微通道内制冷剂R410a流动冷凝的流型特征及传热规律。通过流型观测,发现沿冷凝流动方向存在环状流、环波状流、间歇流(弹状/塞状流)和泡状流,当质量流速高于200kg/(m2s)时,间歇流和泡状流消失,环状流为主要的流动冷凝流型。传热实验结果表明,基于常规尺度通道开发的环状流和分层流的传热关联式未能准确预测微通道内流动冷凝的传热特征;同时,增大入口质量流速和平均干度将提升冷凝传热系数,而壁面过冷度和饱和压力的增大则降低了冷凝传热系数。通过忽略重力的影响并突出表面张力的主导作用,对冷凝环状流过程进行合理简化,本文建立了矩形微通道内流动冷凝环状流一维稳态模型,初步揭示了表面张力在微通道流动冷凝中的重要作用。基于R410a在矩形微通道内流动冷凝的实验结果验证了模型的准确性,模型预测值与实验数据的平均相对误差为16.2%。理论分析发现:首先,弯月面半径沿流动方向呈抛物线状增大,但其增长速率逐渐变缓,冷凝液膜厚度则沿流动方向呈线性增加;其次,质量流速的增加引起气液界面剪切应力增大并降低冷凝液膜的厚度,从而提高了冷凝传热系数;最后,水力直径的减小增强了表面张力的作用,导致弯月面半径以及冷凝液膜厚度的减小,因而带来更高的冷凝传热系数。为进一步揭示微通道流动冷凝过程中冷凝液的铺展和分布规律,建立了流动冷凝环状流三维稳态模型。模型的计算结果表明,弯月面区冷凝液在较低雷诺数下的对流效应将增强冷凝传热,冷凝传热系数的模型预测值与实验数据平均相对误差为5.3%。研究发现,矩形微通道内薄液膜区的范围沿蒸气流动方向逐渐缩小而弯月面区则逐渐扩大;同时,薄液膜区的冷凝液膜厚度呈先增大后减小的变化趋势,而弯月面区的气液界面曲率半径沿流动方向逐渐增大且冷凝液膜厚度随之增大。理论分析表明,由于薄液膜区的气液界面在表面张力作用下形成复杂的曲面,产生了指向弯月面区的正向压降,驱动薄液膜区的冷凝液流向角区弯月面,即角区抽吸效应。抽吸效应的存在降低了薄液膜区的冷凝液膜厚度,从而增强了冷凝传热系数。研究还发现,角区的抽吸效应沿蒸气流动方向逐渐增强,使得在整个冷凝环状流中薄液膜区保持着较小液膜厚度,增强了环状流的冷凝传热能力。同时,质量流速越大,角区抽吸效应越弱,表明了表面张力的重要性因为质量流速的提高而降低。为揭示表面润湿特性对微通道流动冷凝的影响,通过引入化学刻蚀与低表面能涂层修饰结合的方法,实现了制冷剂R141b在铜表面的接触角从12.8°提高至21.6°。实验研究表明,接触角增大主要是由于通道壁面处表面能的降低,而微通道壁面处表面能的降低引起冷凝液的速度滑移,增强了冷凝传热系数。本文还设计了一种具有梯度润湿特性表面的微通道,实现了在质量流速100-400 kg/(m2s)范围内对冷凝传热系数的增强,冷凝传热系数较普通表面通道提高了 16.67%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB611
【图文】：

示意图,通道流动,冷凝过程,传热系数

如图１－２所示，对于传统通道（内径大于３ｍｍ），一开始过热蒸气在壁面上冷逡逑却降温，在该区域，主要的传热机制是单相强制对流。随着降温过程的进行，过热逡逑蒸气逐渐成为饱和蒸气并开始在冷壁面上冷凝，出现附着在壁面上的一层液膜，开逡逑始出现环波状流（Ｗａｖｙ－ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）和光滑的环状流（Ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）流型。在环逡逑波状流区域，由于液膜的波动导致的界面传热面积的增加和以及波谷处热阻的减逡逑小，传热系数与先前区域相比有所增加。另外，蒸气以远高于液体流动的速度进行逡逑流动，促进液滴从液膜上分离，从而引起额外的传热系数增量。同时，由于沿着流逡逑动方向的蒸气不断产生冷凝，气液两相速度差逐渐降低并导致气液界面上的剪切逡逑应力有所降低，导致液膜厚度增加，从而传热系数沿程下降。而由于重力的影响仍逡逑然明显，在常规通道冷凝流动中，将出现分层流（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ邋ｆｌｏｗ），通道上壁面的逡逑冷凝液膜厚度将明显小于下壁面的冷凝液膜厚度。在分层流中，由于波动作用和不逡逑稳定性的出现，壁面上的冷凝液将连接成为液桥（ｌｉｑｕｉｄ邋ｂｒｉｄｇｅ）并形成塞状流（Ｓｌｕｇ逡逑ｆｌｏｗ）。随着冷凝的进行，气塞内的气体不断冷凝，空泡份额降低，冷凝液膜厚度逡逑增加，流动拓扑结构从细长的气泡逐渐变为泡状流（Ｂｕｂｂｌｅ邋ｆｌｏｗ），最后，在所有逡逑气泡消失后，变为单相液体流动。逡逑

示意图,内流,压力变化,通道

逦１引言逦逡逑关联式和模型无法正确预测微通道中的流动冷凝换热特性。逡逑对于较小尺度通道内冷凝流型的研宄，Ｋｉｍ和Ｍｕｄａｗａｒ［２４］提出了小直径通道逡逑内流动冷凝过程中的流型演变方式。图１－３显示了沿通道长度方向的流型转变以及逡逑从单相蒸气变为单相液体过程中压力梯度的分布情况。沿程出现了环状流、弹状流逡逑（间歇流）以及泡状流，且环状流在整个冷凝过程中占据较大的比例。传统通道逡逑（图１－２）与微（小）通道（图１－３）的流型之间的主要区别在于，对于微（小）通逡逑道，重力的分层效应可以忽略不计，分层流不再出现。实际上，在较小尺度的通道逡逑内的流动冷凝过程中，低质量流速条件下表面张力效应占据主导地位而非重力作逡逑用。另一方面，在高质量流速的条件下，剪切应力效应对于微观和宏观尺度流动都逡逑是主导地位。逡逑Ｆｌｏｗ邋Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ逡逑

流型图,两相流型,环状流,波状流

逦北京交通大学博士学位论文逦逡逑了各流型存在的范围以及转变的边界，如图１－５所示。Ｇａｒｉｍｅｌｌａ［２８］对水平放置的毫逡逑米级小管道中冷凝传热现象的可视化研究成果进行了综述，并研宄了管道直径以逡逑及管道截面形状对流型的影响。发现随着当量直径的减小，环状流开始出现并且在逡逑流型图中的范围越来越大，Ｃｏｌｅｍａｎ和Ｇａｒｉｍｅｌｌａ［２７＾ｌ察到的波状流逐渐被环状流逡逑所取代，当水力直径小至１ｍｍ时，波状流完全消失。他们认为在较小直径通道中，逡逑环状流范围的大幅增加是因为表面张力的重要性在较小尺度下比重力更高，故而逡逑不会出现分层效应，并且表面张力使得波动变得稳定，因而波状流被环状流所替代。逡逑

【参考文献】