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。     

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。     

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。     

竖直矩形通道内不凝性气体对凝结换热特性的影响

本文以去离子水为工质,实验研究了竖直矩形窄通道内少量残余不凝性气体对蒸汽凝结换热特性的影响。采用热阻分离法得到凝结侧换热表面传热系数,分析了不凝性气体的含量、冷却水质量流速、进口温度和热流密度对蒸汽凝结侧表面传热系数的影响。结果表明:当热流密度为1.668 kW/m~2,即蒸汽质量流速较小时,2%体积分数的不凝性气体使凝结侧表面传热系数下降了33%,但当热流密度为3.887 kW/m~2,蒸汽质量流速较大时,2%体积分数的不凝性气体仅使凝结侧表面传热系数降低了14%,此外,凝结换热表面传热系数随冷水质量流速和不凝性气体分数的增加而变小,随冷水进口温度和热流密度的增加而变大。     

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。     

摇摆激励喷雾冷却实验装置设计

喷雾冷却技术广泛应用于高热流密度机载设备的高效换热。为更好地开展喷雾冷却换热特性实验研究，设计并搭建了摇摆激励喷雾冷却实验装置。首先，通过监测温度、压力及流量等实验数据，以及对模拟加热源进行热沉壁面温度、热流密度和传热系数的不确定度分析，设计了喷雾换热腔系统、摇摆控制系统和数据采集分析系统。然后，通过开展不同幅度摇摆激励下的稳态喷雾冷却换热特性实验来验证所设计装置及方法的可行性。结果表明，喷雾冷却分为浸没喷雾、半浸没喷雾及正常喷雾三个阶段；摇摆激励引起的换热废液不正常排出导致喷雾冷却换热行为发生了变化，在摇摆过程中热沉壁面温度和热流密度剧烈波动；摇摆停止后积液开始不断减少，随着积液高度的不断降低，喷雾冷却换热特性随之变动。在喷雾冷却过程中，幅度不同的摇摆激励下热沉壁面温度的增幅最高可达26.47%，约升高了10.915℃；铜柱热流密度的降幅高达5.42%，约下降了4.126 W/cm²。所设计的实验装置稳定可靠，对机载设备喷雾冷却换热特性的研究和工程应用具有一定价值。     

脉冲式喷雾冷却传热性能实验研究

搭建了以水为工质的喷雾冷却系统,通过变频器调整工质喷雾周期和占空比,获取其传热性能变化规律,研究结果表明:当加热功率小于1 000 W时脉冲喷雾冷却系统存在最佳喷雾周期,当加热功率增至1 200 W喷雾冷却传热系数始终低于连续喷雾;随着加热功率增加不同占空比均对应最优工况,当占空比为0.5,加热功率1 000 W时,表面传热系数为4.02 W/(cm²·℃),比连续喷雾时增大了80.1%;随着占空比的减小,槽道表面传热系数呈现先增大后减小的趋势,而光滑表面呈现增大趋势;采用脉冲式喷雾时不仅可以缩短达到热平衡的时间而且工质量也有大幅度的减少,当喷雾流量为0.45 L/min,达到热平衡时占空比0.4工况比连续喷雾节省了80.9%的工质。     

微柱群通道内饱和沸腾换热特性实验研究

为实现微小空间高效散热,本文以去离子水为工质,实验研究了工质流经高度和直径均为500μm的微圆柱组成的叉排微柱群通道时的饱和沸腾换热特性,并采用高速摄像机记录了通道内不同加热功率的气液两相流型,实验参数设定质量流速为341~598.3 kg/(m~2·s),热流密度为20~160 W/cm~2,蒸气干度为0~0.2。结果表明:随着热流密度增大,局部沸腾换热表面传热系数近似单调递减。在低干度区,局部沸腾换热表面传热系数随着质量流速的增加而增大,随着蒸气干度的增加而减小;受过冷沸腾气泡影响,工质进口温度越低,局部沸腾换热表面传热系数越大;随着热流密度增大,微柱群通道流动沸腾气泡流型依次为:泡状流、环状流,且泡状流区的局部沸腾换热表面传热系数明显高于环状流区。     

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。     

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。     

两种不同工质在微通道内沸腾换热特性的实验研究

为研究流体物性、流动和换热过程的状态参量对微通道内沸腾换热特性的影响规律,本文采用去离子水和无水乙醇在当量直径为0.293 mm的矩形微通道进行了不同质量流量和热流密度条件下的沸腾换热实验研究,通过对实验数据的计算和处理,分析总结了流体的热物性、质量流量、热流密度、干度和Bo数等参量对沸腾换热系数的影响规律。结果表明:沸腾换热系数随着热流密度、干度和Bo数的增大而降低,核态沸腾占主导地位;相同的质量流量和热流密度条件下,去离子水的沸腾换热系数明显高于无水乙醇的沸腾换热系数,并且前者的换热系数随质量流量的增大而增大,而后者变化不明显。根据考虑了通道尺寸效应及流体物性参量总结出的换热系数关联式进行了计算,计算结果对去离子水和无水乙醇的平均绝对误差分别为14.2%和16.6%,可认为该关联式适用于微通道内沸腾换热系数的预测。     

板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟

根据能量守恒和质量守恒定律,对板式蒸发式冷凝器中制冷剂、冷却水与空气之间的传热传质过程,建立了热质交换过程的二维数学模型,由此分析板式蒸发式冷凝器中冷却水温度、空气温度和空气含湿量等参数的分布规律,以及空气流速、干湿球温度、冷却水喷淋密度和冷凝温度对板式蒸发式冷凝器热流密度的影响,并将模拟结果通过实验进行了验证,两者之间的误差在10%以内。研究表明:板式蒸发式冷凝器的热流密度随进口空气流速的增加而增大,随湿球温度的升高而减小,几乎不受进口空气干球温度的影响;热流密度随着冷却水喷淋密度的增加逐渐增大,但增大至一定量后不再对热流密度有明显影响;冷凝温度越高,其热流密度越大。上述结论对板式蒸发式冷凝器的优化设计具有指导意义。     

R290在水平微细圆管内沸腾换热特性研究

本文研究了R290在内径为1 mm、2 mm和4 mm水平微细圆管内的沸腾流动换热特性,在饱和温度为15℃条件下,质量流速为50～600 kg/(m²·s)、干度为0～1、热流密度为5～20 k W/m²时,对沸腾传热系数的影响进行了分析。通过实验发现,增大质量流速对传热系数具有增强作用,质量流速对传热系数的影响在低干度区域比高干度区域小。在热流密度方面,传热系数随着热流密度的增大而增大,且在1 mm和2 mm管内观察到了临界干度对传热系数的影响,这时传热系数有断崖式下降的趋势。在管径对于传热系数的影响方面,通过对不同管径换热特性的横向对比,发现在一定工况下传热系数随着管径的减小有所上升。此外本文还对R290已有的部分关联式进行了适配性验证。     

带有强化换热结构的芯片散热器实验研究与数值模拟

超级或大型计算机服务器CPU的冷却散热问题,已经成为计算机高性能发展的瓶颈,受到业内越来越广泛的关注。本文提出了一种用于冷却计算机服务器芯片的散热器,其结构是将镶嵌在散热器底板的热管与翅片组装为一体。利用自建实验台对该散热器以及平板式热管散热器的性能进行了对比实验分析,同时对其热管本体、翅片以及均温板的温度分布进行了数值模拟。这种热管冷凝段得到强化换热的散热器其底板面积相对平板式热管散热器减小了50%,因此具有更好的均温性;在相同的工况下热流密度由24.3 W/cm2增至68.6 W/cm2时,该散热器翅片顶部的平均温度增幅仅为17%。     

竖直狭缝通道中液氮沸腾强化换热的实验研究

实验表明，狭缝间隙对液氮自然对流核态沸腾换热有明显的影响，在低热流密度下，间隙小的狭缝沸腾换热比间隙大的狭缝明显增强，当狭缝间隙小于实验压力下气泡的脱离直径时，对于同样的热流密度，传热温差减小一个数量级以上，沸腾换热系数提高十几倍到二十倍以上，当热流密度增加一定程度（＞4W/cm^2)时，间隙小的狭缝沸腾换热比间隙大的狭缝有所减弱。     

椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能实验研究

本文搭建了蒸发式冷凝器性能测试系统,采用控制变量法实验研究了迎面风速、喷淋密度、湿球温度、循环水温度、冷却水流量各参数变化对椭圆形套管-管翅式蒸发式冷凝器传热性能的影响。实验结果表明：该冷凝器实验系统的最佳迎面风速和喷淋密度分别为3.1 m/s和0.005 6 kg/(m·s),冷凝器管外空气压降随迎面风速的增大而迅速增加;随着空气湿球温度升高,冷凝器外传热过程的热流密度(即外热流密度)降低67.5%,而内传热过程的热流密度(即内热流密度)增大47.5%,依靠内传热过程的增强,冷凝器性能良好;随着循环水温度升高,冷凝器的内热流密度降低率高达64.6%,传热性能急剧下降;随着冷却水流量增大,冷凝器的内热流密度大幅提高2.92倍,总热流密度增大21.1%,传热性能显著增强;该冷凝器在低湿球温度、低循环水温度、大冷却水流量的工况下传热性能较优。     

Measurement of spray boiling refrigerant coefficients in an integral-fin tube bundle segment simulating a full bundle

Outside (refrigerant) boiling coefficients for a combination of spray and drip boiling for a low pressure refrigerant have been obtained from overall heat transfer coefficients in a 1024 fins per meter tube bundle segment. The tubes were heated by water on the inside; liquid refrigerant was sprayed and/or dripped on the outside. Also, refrigerant vapor was supplied at the bottom of the bundle segment. This configuration simulates an actual flooded evaporator under spray boiling conditions. The dripping corresponds to liquid film falling from upper rows while the inlet vapor is equivalent to the vaporized refrigerant rising from lower tubes; the refrigerant vapor can influence heat transfer performance by the combined effects of gas convection and liquid shear on the tubes. For a nominal heat flux of 23,975 W/m², a bundle average outside heat transfer coefficient of 8522 W/m² °C, based on nominal tube outer diameter, was found at an average bundle vapor mass flux equal to 12.4 kg/s m². The distributor plate below the bundle enhanced the heat transfer, especially at lower vapor mass fluxes, by providing a level of liquid hold-up just below the bottom tube row.