喷雾参数对喷雾冷却换热特性影响的实验研究

搭建了一套封闭式喷雾冷却实验系统(水为工质),利用高速摄像仪对实验进行了可视化研究,分析对比了喷雾高度和喷雾压力在光滑表面及微结构表面对喷雾冷却换热特性的影响。结果发现:相比于光滑表面,在微结构表面上,喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却换热的影响更加明显。当喷雾高度较高时,降低喷雾高度可明显提高热流密度,直至喷雾高度较低且喷雾底圆与换热面内接时,继续降低喷雾高度,热流密度也略有上升;反之,提高喷雾高度则会降低热流密度,减小工质的有效流量,使换热表面过早出现干涸,表面温度均匀性变差。但大幅降低喷雾高度会延迟喷雾冷却进入两相区换热,降低喷雾冷却效率,并不利于换热。所以,喷雾高度对喷雾冷却换热特性的影响具有两面性,而喷雾压力的影响则趋于单一性,增大喷雾压力能提高喷雾冷却热流密度,增强表面温度均匀性,尤其在单相区,随着喷雾压力的增大,热流密度明显增大,最后趋近于一个固定值。     

以乙醇溶液为冷却工质的开式喷雾冷却系统实验研究

在开式循环喷雾冷却系统上研究质量分数分别为10%、20%、30%、50%、70%、99%的乙醇溶液对喷雾冷却效果影响,结果表明:热沉表面热流密度和传热系数先随乙醇水溶液浓度的增大先增大,当乙醇质量分数为50%时达到最大值,随后随乙醇浓度的增大而减小。体积流量0.944 46L/min,乙醇质量分数为50%时,喷雾冷却传热系数为6.41 W/(cm~2·K),热流密度为216.04W/cm~2,较之纯水传热系数增加了34.95%,热流密度增加了24.9%。结果表明使用乙醇溶液作为冷却剂的喷雾冷却系统能同时满足高热流密度和低换热表面温度的要求,具有良好、稳定的换热冷却能力。推导了反映介质喷雾特性和蒸发强度对换热影响的光滑表面量纲一换热准则方程,涉及的物理参量较少,因此可方便用于工程设计。     

喷雾冷却临界传热特性试验研究

为了进行极限热工况下的喷雾冷却传热特性研究,设计并搭建采用蒸馏水及乙醇溶液喷雾冷却试验台,分析结构参数、喷雾流量、喷雾腔内压力等对喷雾冷却临界热流密度的影响。试验结果表明:临界热流密度随槽道深度增加先增大后减小,最佳槽道深度为0.8 mm,此时临界热流密度达到326 W/cm^2;随着喷雾流量的增加,临界热流密度始终增大;喷雾腔内压力对临界热流密度基本没有影响。计算结果表明,喷雾冷却效率随槽道深度增加而提升,随喷雾流量的增加而减弱。     

金属微通道热沉换热特性仿真与实验研究

为了解决雷达等高热流密度电子设备的散热问题,通过数值模拟方法,设计了一款高宽比为5,当量直径为166.67μm的金属微通道热沉。基于热边界层中断技术,设计出间断的微通道,提升了热沉的换热性能。利用SU-8胶紫外光刻和微电铸技术制作了微通道热沉底板,再将盖板与底板焊接在一起得到金属微通道热沉。搭建了换热性能测试系统,以去离子水为工质,对微通道热沉进行了实验研究。实验结果表明,当热沉底部热源的热流密度为74.5 W/cm~2、工质流量为1.8 L/min时,其底部温度低于40℃,平均换热系数达到67.0 kW/(m~2·K)。     

相变喷雾冷却技术的研究进展

论述了中国国内外近年来喷雾冷却技术在沸腾区相变换热的研究进展,并对影响沸腾区喷雾冷却换热性能的喷雾特性及外部特性作了总结.沸腾区的研究包括实验研究和理论及数值研究两部分内容.实验研究主要分为两方面:一是对整体换热性能的研究;二是针对临界热流密度(CHF)的研究;理论及数值研究主要集中在对液膜分布、气泡生长及二次成核等过...     

应用于高热流冷却的微通道实验装置的研究

本文详细介绍了微通道热沉实验装置的发展状态。建成了一个具有多功能、低不确定度、高精度温度控制的实验装置 ,用于模拟微通道热沉的实际热流状态和分析其热传导特性。最终测试实验借助于HP5 5 2 9A动态校准仪在恒温室中完成。测试结果表明 ,这个装置不仅有高的冷却效果 ,而且能满足微电子机械和纳米技术所需要的高精度温度的要求。     

竖直矩形窄通道内水流动沸腾起始点及壁面温度实验研究

建立单面加热垂直矩形窄通道流动沸腾换热实验装置,针对截面250 mm×3.5 mm的窄缝通道,对水流动沸腾换热特性进行实验研究。通过实验分析可知:(1)饱和沸腾起始点是核态沸腾的开始,以此为分界,窄通道内的换热特性截然不同。影响沸腾起始点的因素主要有3种:热流密度、质量流量及入口温度。(2)流体从单相流、过冷沸腾和饱和沸腾转变,其壁面温度变化也各不相同。流体处于单相流时,壁面温度沿流动方向呈线性增加;流体处于过冷沸腾阶段时,过冷沸腾对壁面温度的影响不大,壁面温差很小,可近似认为此阶段为等壁温换热过程。流体进入饱和沸腾(饱和核态沸腾和流动沸腾),壁温存在最大值。     

机载喷雾冷却换热特性关键影响因素实验研究

为详细研究喷雾冷却系统在大热沉表面积和无沸腾区下的换热特性,并为喷雾冷却系统的机载应用提供技术基础,搭建以水为冷却介质的开放式喷雾冷却实验台。基于实验数据从特征参数和无量纲数两方面研究加热功率、喷雾入口压力对换热性能的影响;并根据飞行工况考查重力角度的影响。得到实验结果:在加热功率500~1 400 W及入口压力0.45~0.85 MPa的条件下,热沉表面温度均能控制在80℃以下。加热功率一定时,系统表面传热系数随入口压力的增加而增加,且增加速率随着功率的增加而增加;热沉表面温度随入口压力增加而减小,且减小速率随着功率增加而增加;表面传热系数随Re和We的增加而增加,增加速率随功率增加主要是由于蒸发强度的增加。此外,与重力方向夹角为30°或120°时,喷雾冷却性能最好。结果表明各工况下喷雾冷却换热效果良好,表面参数均处于合理范围,为该技术在机载领域的应用提供技术参考。     

低流量下阵列式微通道对流沸腾特性实验研究

设计了阵列式微通道热沉结构,进行了并R134a的沸腾流动换热实验。结果证明,在低干度区域由泡状流/弹状流/半环状流主导,主导换热机理为对流沸腾和蒸发,热交换系数随热流密度显著增加,随质量流量增大而略有增加。在高干度区域搅拌流/束状流主导沸腾流动,对流蒸发为主导换热机理,换热系数随流量增大而增大。该结构可以在低流量下提前紊流转捩;有效抑制压力波动,减小进出口压力差。实验观察发现搅拌流/束状流型,气液界面波失稳导致液膜破碎和卷携。液滴沉积会润湿局部蒸干壁面。当热流持续增大,液膜破碎并大量被卷携入气核后,壁面附着气膜且无法被润湿,形成反束状流型时,触发CHF。     

润滑油对喷雾冷却性能影响

通过搭建基于制冷循环的喷雾冷却实验台,实验研究了润滑油对喷雾冷却流动性能和换热性能的影响。冷却液中含油量的增加会使得冷却液流经喷嘴时的阻力增加,流量减小;随着含油量的增加,热源表面温度呈微小下降趋势,这一现象在热流密度越高时越明显,系统换热系数随含油量增加呈增大趋势,在含油量达到7.2%时,系统换热系数增加了3000W/m2K,表明润滑油的存在使得流动沸腾得到强化,有利于喷雾冷却换热能力的提高。     

多喷嘴阵列喷雾冷却技术的研究进展

喷雾冷却是一种换热效率高、工质需求量小、温度均匀性好的大功率强制冷却技术。近年来,采用多喷嘴的阵列喷雾冷却作为一种能够满足更大面积及更高热流密度表面散热需求的技术得到国内外学者越来越多的关注。结合现有的研究成果,本文从理论研究和试验研究2个方面,分析与总结国内外阵列喷雾冷却技术的研究现状和进展,并指出多喷嘴陈列喷雾冷却技术的发展方向。     

大小样品在液氮中的淬冷沸腾换热比较研究

分析了大小样品在液氮中的淬冷沸腾换热特性。大小样品的淬冷沸腾换热有着明显的差别，小样品的热流密度比大样品的明显高得多。小样品的淬冷沸腾有一起始段，其温降高达６０Ｋ。从实验结果还可以看到，小样品的Ｌｅｉｄｅｎｆｒｏｓｔ点和临界热流点对应的壁面过热度明显比大样品的高。最后还分析了样品直径对临界热流密度的影响。     

微槽道表面喷雾冷却的实验研究

本文建立了以蒸馏水为工质的开放式喷雾冷却系统,研究了工质体积流量、槽道宽度、槽道高度对喷雾冷却系统换热性能的影响。结果表明:保持槽道高度为0.8 mm,喷雾流量为0.45 L/min时,随着槽底宽度从4 mm减小至1 mm,传热系数增加了41%;而当喷雾流量为1.25 L/min时,表面传热系数仅增加了8.5%,因此减小槽底宽度对喷雾冷却效果有一定的促进作用,但大流量时并不明显;保持槽底宽度为2 mm,改变槽道高度,当喷雾流量为0.45 L/min时槽道高度对热沉表面的换热影响较大,存在最优槽道高度(0.8 mm),此时热流密度和表面传热系数分别为198.5 W/cm~2、2.75 W/(cm~2·K),与光滑面相比增加了21.25%和30.95%,且存在最低表面温度;而当喷雾流量增至1.25 L/min时,喷雾冷却效果随着槽道高度的增加而持续增加。在以上基础上推导了微槽表面喷雾冷却强化换热机理,得出反映槽道尺寸对换热影响的微槽群表面无量纲准则方程。     

基于真空沸腾的高热流密度散热过程的试验研究

基于液体低压沸腾过程吸收大量潜热的机理,设计并搭建利用普通冷却水驱动即可实现高热流密度散热的新型试验装置,并从过热度、蒸发压力、冷却水温等方面对热流密度及散热壁面温度的影响进行了试验测试。试验数据表明:真空中水沸腾曲线与常压下有明显区别,在过渡沸腾区呈轻微下降后快速增加;初始压力对真空沸腾特性影响显著,绝对压力越低,热流密度越大;冷却水温度对沸腾换热有影响,但不明显,通过大幅降低冷却水温度以提高沸腾换热能力不可取;冷凝能力不足可使散热迅速恶化,冷凝端设计时应考虑足够的余量,以避免极端条件下散热恶化。     

R134a喷雾冷却系统换热性能研究

本文建立了以R134a为冷却工质的封闭式喷雾冷却系统,研究了工质过冷度、质量流量和热流密度对喷雾冷却系统换热性能的影响。其中,工质过冷度由喷嘴入口前的过冷段控制,质量流量通过变频齿轮泵调节,热流密度通过改变加热电源电压和电流控制。实验结果表明,在热流密度和质量流量保持不变时,改变过冷度对热源表面温度和换热系数的影响并不明显;在热流密度和过冷度保持不变的条件下,系统存在一个临界质量流量值,在质量流量达到临界值之前,热源表面温度随质量流量的增大而降低,当质量流量高于临界值时,热源表面温度随质量流量的增大而升高;当质量流量和过冷度保持不变时,存在一个热流密度使液滴的蒸发量等于补充量,在此热流密度下热源表面系数能达到最大。     

连通微小通道环路热虹吸系统换热特性实验研究

针对芯片级散热场景,设计并搭建了两相环路热虹吸实验系统(TPLT),以R245fa作为工质,在冷凝器入口冷水温度为35℃、热流密度为10—162 W/cm²的工况下,研究了充液率对系统运行特性的影响,以及沟槽宽度为0.2—1.2 mm的连通平行微小通道(IPM)与平行微小通道(PPM)的沸腾换热性能。结果表明:40%是系统的合适充液率,过高的充液率导致冷凝器内部积液产生额外的蒸发器入口过冷度,过低的充液率则无法提供足够的循环流量;由于蒸发器水平放置时,TPLT系统流量启动存在滞后性,其瞬态启动特性会影响微小通道的稳态换热性能;0.2 mm槽宽的连通微小通道(IPM02,命名方式下同)具有较好的核态沸腾换热性能,因此启动阶段不存在温度过冲;最高测试热流密度下,IPM02和IPM07的传热系数相比于PPM分别提升约11%和5.7%,IPM12的传热系数则反而低于PPM。     

非均匀热流下细小通道内相变微胶囊悬浮液传热特性

相变微胶囊悬浮液(MEPCMS)作为一种新型功能性热流体，在热管理、储能等诸多领域极具发展潜力。本文采用离散相模型(DPM)研究非均匀热流下细小水平矩形通道内MEPCMS的传热特性。结果表明：悬浮液中颗粒相变能够强化传热，在热流密度分布为9-5-5 W/cm²、进口流速为0.40 m/s、质量分数为10%时，悬浮液最高能够使壁面和流体温升分别降低8.79%和15.14%。热泳作用使颗粒在流动过程中会向低温区域迁移。与均匀热流条件相比，局部热流的分布会影响该区域及后边区域的传热特性。随着进口流速和质量分数提高，流体对壁面的冷却效果增强，同时进出口压降增加。     

能源连续墙运行期热湿耦合传递数值模拟研究

目前国内外针对能源连续墙的研究主要集中在其热性能和力学行为,然而,埋管换热器置于连续墙内将会对墙体及建筑内部空气带来影响,关于其运行期的热湿耦合传递过程的研究尚缺乏。分析了能源连续墙内部由于埋管换热器传热过程引起的热湿耦合迁移过程,重点研究室内侧壁面的温湿度变化以及通过壁面的显热,潜热热流密度和湿通量。根据埋管换热器不同运行工况：夏季放热、冬季吸热,对比分析了能源连续墙在不同取/放热强度下温度场和湿度场的变化及差异。研究结果表明：在冬夏两季时,能源连续墙运行造成的壁面显热热流密度达到最大水平。而湿通量分和潜热热流密度的最大通量值则发生在过渡季节。夏季埋管的换热功率增加时,壁面夏季显热热流密度和潜热热流密度均增大了。     

5 mm小管径内R290流动沸腾换热特性

本文对R290在5mm小管径内的流动沸腾换热特性进行实验研究,重点研究热流密度、质量流率及饱和温度对沸腾换热表面传热系数的影响。实验工况为:热流密度10～60 k W/m2、饱和温度15～25℃、质量流率50～200 kg/(m2·s)、干度0. 1～0. 9。结果表明:增加热流密度可实现强化换热,提高表面传热系数,使干涸现象提前发生,并加剧干涸;质量流率在低干度区间对表面传热系数的影响较小,在中干度和高干度区间表面传热系数与质量流率分别呈正相关;当热流密度较低时,在中干度区间,增大饱和温度会使表面传热系数降低;而在较高的热流密度下,增大饱和温度明显引起表面传热系数的上升。     

周期性热流下受限阵列射流沸腾特性的实验研究

以去离子水为工质对恒热流和周期性热流加热下的受限式阵列射流进行了沸腾特性实验,获得了加热面温度分布、沸腾可视化图像以及测试段出口压力波动等数据,综合分析发现:(1)恒热流密度单相换热时,射流对冲区的温度高于滞止区的温度,温差随着热流密度的增加而变大,当对冲区出现稳定沸腾后,温差逐渐减小,并且出现滞止区温度超过对冲区的情况;(2)沸腾时测试段出口压力的频谱分布与气泡在表面的周期性生长和湮灭相对应;(3)周期热流密度时,在高占空比、低频下,沸腾能较快接近稳定沸腾,而在小占空比、高频率下,沸腾无法达到恒热流密度时的沸腾剧烈程度,当热流密度在沸腾起始热流密度附近时,加热结束时对冲区的温度相比于恒热流密度时有较大幅度的增加。