喷雾冷却循环系统换热性能的实验研究 章玮玮.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143779 喷雾冷却循环系统换热性能的实验研究 程文龙1 章玮玮1 杨双龙2 陈华1 中国科学技术大学热科学和能源工程系, 安徽 合肥 230027 2. 北京计算机技术及应用研究所，北京 100854） (1. Tel：0551-3600305, Email：wlcheng515@163.com 2. Tel：, Email：ybwinner@163.com) 摘要:喷雾冷却具有需求工质少、散热能力强、过热度低等优点，已成为当前重点研究的热控方式之一。针对在紧凑空间中的较大面积的喷雾冷却循环系统符合当前的应用，而冷却较大发热表面的多喷嘴列阵引起的喷雾锥之间的干扰以及紧凑空间中流体管理困难等因素对系统换热性能有较大影响。本文设计出新式多喷嘴列阵，并建立了闭式多喷嘴喷雾冷却循环系统，冷却9cm2的发热表面，在考虑流体管理同时对紧凑腔体中的喷雾冷却换热性能进行了实验研究。 关键字：喷雾冷却；多喷嘴；循环系统；紧凑腔体 前言 随着科学技术的快速发展，电子芯片、雷达等设备的单位面积功率越来越大，相应的热流密度也越来越高，热量堆积而导致更高的温度会严重影响设备寿命和稳定运行，所以其散热问题已成为制约高功率电子器件等发展的一个瓶颈问题。喷雾冷却是一种高热流密度散热方式，与强制对流、池内沸腾、热管、射流等传统散热方式相比，喷雾冷却具有散热能力强、工质需求量小、与固体表面无接触热阻等优点，在电子器件等高热流密度散热方面具有广阔的应用前景[1-4]。因此，喷雾冷却已经成为下一代热控技术的重要研究方向之一，成为世界性研究课题。 所谓喷雾冷却就是将液体工质，通过增压形成高压液体从雾化喷嘴中喷出，在低压环境中雾化成均匀的细小液滴，并以较高速度冲击发热表面，在发热表面上形成液膜，通过液滴的冲击、液膜的冲刷、蒸发、沸腾等方式使发热表面冷却的过程。其中，喷雾特性是影响换热性能的因素之一。刘联胜等分析了影响特性的主要因素，气液质量流量比、液体质量流量、出口直径、相对速度、液体表面张力和粘性系数、气体密度等。Jia利用PDAPhase Doppler Analyzer）系统对水添加剂的水溶液作为进行了μm、初始速度在1-10 m/s之间的喷雾液滴的铺展和换热性能进行了数值模拟，而程文龙等[11]则对封闭式喷雾冷却传热特性进行了实验与理论的研究。其它影响因素包括发热表面方向角、流动速率、过冷度、绝对压力等 实验系统与测量 本文建立了闭式喷雾冷却循环系统（示意图如图1所示），系统主要包括微泵，喷雾腔，喷嘴，冷凝器，储液罐，过滤器，流量计等以及测量与数据采集设备。微泵使用Fluid-o-Tech公司的齿轮泵，冷凝器为单风机平行流式。多喷嘴列阵自行设计，喷嘴面板中心30mm*30mm区域交错分布8个小型旋流雾化喷嘴，为便于在系统中安装，面板周围带有连接法兰（如图2所示）。喷雾腔为薄板式紧凑腔体，包括进液腔和喷雾腔，由多喷嘴列阵分隔。为防止液体在发热表面堆积，便于液体排出与流体管理，实验中采用向上喷雾，发热表面在喷雾腔正上方。发热表面是模拟热源的端面，模拟热源由铜块、导热柱、加热棒组成，铜块中有5根电加热棒，连接交流电源，提供热量。导热柱为方形铜柱，离端面距离分别为5mm，10mm，15mm处各打四个小孔，用于热电偶测温。导热柱较长，周围包裹隔热材料，导热柱温度近似一维导热。实验中使用纯水为工质，温度测量使用T型热电偶，压力采用压力传感器测量，采用Agilent 34970A数据采集仪采集数据。 图1 实验系统示意图 图2.多喷嘴列阵 发热表面温度tsurf由导热柱中多层热电偶所测温度插值而得，表面热流q由傅里叶定律计算，计算公式如下： (1) 上式中，为黄铜的导热系数，、为截面i、j所测得的平均温度，为相邻两截面间的距离0.2 ℃，考虑数据采集仪器带来的误差，温度测量误差为0.22 ℃。通过误差传递公式，发热表面温度，表面热流和换热系数误差最终为±0.8%、 ±5.4% 和 ±9.5%。 结果与讨论 为研究喷雾冷却系统的换热性能，在不同加热功率和体积流量的情况下进行大量实验研究。实验中使用紧凑喷雾腔体，多喷嘴列阵距离发热表面12mm，腔内压力60kpa-70kpa。实验开始之前观察多喷嘴列阵喷雾分布（如图3所示），8个小喷嘴分布在30mm*30mm的区域，且喷嘴交错分配，降低喷雾锥之间的干扰，使流量分布均衡，在距离喷嘴12mm的距离上喷雾雾化较为均匀。实验分别得到体积流量为35l/h、40l/h、50l/h时的冷却曲线，如图4所示。由图可知，在多喷