（动力工程及工程热物理专业论文）氨喷雾相变冷却传热特性研究.pdf

performance and heat transfer characteristics of evaporative spray cooling with ammonia a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of thermal power engineering by yongsheng yu supervised by associate professor yong shi dr. hong wang major: thermal power engineering college of power engineering of chongqing university, chongqing, china may 2011 中文摘要 i 摘 要 喷雾相变冷却作为高效的强化换热方式，通过喷嘴或喷嘴阵列将冷却工质破 碎成大量粒径介于几十至几百微米的微小液滴以高速冲击换热面形成薄液膜，依 靠介质相变蒸发带走大量热量的一种相变冷却技术。其具有换热性能强、热流密 度大、工质需求量少、冷却均匀等优点，被广泛认为是大功率固态激光器及集成 电路元件最有效、最有前景的冷却方式。尤其在航天航空、激光技术以及国防工 业这些具有高热流密度散热需求的前沿技术领域中逐渐成为不可缺少的冷却手 段，尤其对当前高功率激光器阵列散热条件的苛刻要求，喷雾相变冷却不仅能满 足冷却表面温度低，而且温度分布均匀性要好。喷雾相变冷却过程是一个极其复 杂的能质传输过程，对传热机理有待进一步的研究。本文主要针对高热流密度大 功率固体激光器二极管阵列的散热需求，搭建喷雾相变冷却实验系统，实验段采 用压力式双喷嘴阵列和气助式单喷嘴，以液氨作为冷却工质，氮气作为辅助气体， 对25 mm 12 mm的冷却热表面进行喷雾相变冷却实验研究。设计搭建了包括单液 式回路和气、液两相回路的实验系统，设计加工了加热棒加热器和薄膜电阻加热 器作为模拟热源。采用换热面积内接于喷雾底面圆条件下，喷嘴口与换热面的垂 直距离作为各工况下的喷淋高度，分析了不同喷淋流量下冷却表面传热特性以及 温度分布规律；通过调节背压阀改变喷淋室压力，重点研究了在高热流密度散热 需求下，不同液氨饱和蒸发压力下的喷雾相变冷却传热特性；以及在较高相变冷 却饱和蒸发压力，进口流量对喷雾冷却传热特性的影响，并与常压条件下进行对 比分析；进一步研究了不同结构的微小槽道对喷雾相变冷却的传热特性的影响， 分析了不同流量、饱和蒸发压力和不同微槽结构表面的对喷雾换热性能的影响， 并与光滑表面实验进行了对比分析。最后分析了气助式单喷嘴的雾化特性；当气 相压力、流量一定时，研究了通过改变液相流量从而改变气液配比对氨喷雾相变 冷却传热特性的影响，并与压力式单喷嘴实验进行对比分析，并研究了微结构强 化对传热性能的影响。 通过本文的研究所取得的主要研究成果如下： 设计搭建了液氨作为冷却工质、氮气作为辅助气体，包括单液相和气液两相回 路的喷雾冷却实验系统，设计和加工了满足高热流密度实验要求的两种模拟热 源，即薄膜铂电阻加热器和加热棒加热器。 在改变制冷剂流量而实验其它工况不变的条件下，当流量较大时，热传递的形 式主要以强迫对流换热为主，温度低且分布均匀；随着流量减小，换热形式由 强迫对流换热逐渐过渡到以沸腾换热为主的形式，热表面温度分布均匀性降 重庆大学硕士学位论文 ii 低。 随着液氨饱和蒸发压力增大，液氨汽化潜热降低有利于喷雾相变在较低热流密 度下由单相强制对流换热向核态沸腾换热转变；在同一热流密度下，随着液氨 饱和压力增加，热表面温度升高，过热度降低，换热系数增大，冷却能力得到 大幅度提高。 维持较高的饱和蒸发压力有利于传热系数提高，过热度降低；在流量较低时， 有利于传热形式更早的进入核态沸腾换，在同一流量下，换热系数比常压条件 下提高了 51%。 毛细微槽结构表面与光滑表面在同一工况条件下相比，能明显增强换热效果， 喷嘴进口流量、饱和蒸发压力、微槽结构尺寸等因素对换热特性影响较大。 采用气雾喷嘴，在气助力作用下喷雾相变冷却换热特性明显增强，气、液相配 比对喷雾相变冷却换热特性影响较大；气相流量不变，随着液相流量增加，热 表面温度降低，临界热流密度值增大。喷嘴种类及雾化特性对喷雾相变冷却换 热特性影响较大，当实验工况维持不变时，气助式喷嘴与压力喷嘴相比冷却效 率增大。在单相强迫对流换热过程中，毛细矩形微槽结构表面由于辅助氮气层 的存在增加了传递过程的阻力，使单相强迫对流换热过程减弱，与光滑表面相 比换热削弱。 关键词：关键词：喷雾冷却，液氨，热流密度，传热特性，强化传热，毛细微槽 英文摘要 iii abstract spray cooling is an efficient cooling technique by using the pressure/air atomizing nozzle to force a liquid stream through a small orifice, which produce a great dispersion of fine droplets. these droplets then impact a heated surface and take away large amounts of heat relying on evaporate. spray cooling offer several advantages, such as strong heat transfer performance, high heat flux, less coolant, uniform temperature distribution, and so on. spray cooling has been widely considered as the most effectivecooling technology for high-powered laser and integrated electronic component, furthermore, spray cooling gradually became indispensable to aerospace, laser technology and defense industry demaned high heat flux cooling cutting-edge technology fields, especially in high power laser array cooling condition, which not only satisfy the low cooling surface temperature but better temperature distribution uniformity. heat transfer mechanism of spray cooling is an extremely complex process and it needs to investigate further. in the present study, mainly aiming for the high-power solid laser diode array cooling demand, experiments have been performed to investigate the heat transfer of spray cooling with using ammonia as coolantant. the pressure atomization nozzles array and the gas-assisted single atomization nozzle were adopted to spray on the 25 mm 12 mm test surface, respectively. the main researches include: the system of spray cooling consists of the gas circuit and the liquid circuit thin-film resistors heater and cartrigde heaters act as the heating source. experiments were performed to investigate heat transfer characteristics and surface temperature distribution for pressure atomization nozzle array at spray height of 10 mm. the heat transfer characteristics of the spray cooling were investigated under different ammonia saturation pressures, the effects of saturated vapor pressure and inlet flow rate on heat transfer characteristics were studied in detail. furthermore, experiments were performed to evaluate heat transfer characteristics on micro-channel surface at low flow rate, different saturated evaporation pressure and micro-channel size, compared with the smooth surface experiment. the characteristics of the air atomization nozzle were estimated by using correlative theory research and experimental research. experiments were performed to investigate heat transfer characteristics by changing the liquid flow, and gas phase flow remain unchanged, compared with the pressure single atomization 重庆大学硕士学位论文 iv experiment, completed the micro-channel improved heat transfer surface experiment. the main research results are as follows: spray cooling experimental system including gas and liquid circuit was constructed, using ammonia as coolantant and nitrogen as assisted gas. the thin film resistor and cartigde heater acted as the heater source to meet the experimental requirements of high heat flux level respectively. when keeping the lower heating power and spray height were constant, the heat transfer meachnism was mainly dominated by forced convective, and high inlet flow rates of liquid ammonia resulted in low surface temperature and uniform temperature distribution. the dominant heat transfer mechanism for spray cooling gradually converted forced convective heat transfer to the boiling with increasing heat flux, with the inlet volumetric flow decreasing, resulting in decreasing the uniform temperature distribution of heat transfer surface . latent heat of ammonia decreased with the increasing saturation pressure, it was useful to promote the single-phase convection to convert to the nucleate boiling at the lower superheat temperature. the surface temperature and heat transfer coefficient increased with increasing the saturation pressure of ammonia, but the variation trend of the superheat reversed. heat transfer coefficient was enhanced while superheat was reduced, when a high saturated vapor pressure was applied in the cooling system. a noticeable transition from forced convection heat transfer to nucleate boiling heat transfer was observed under lower flow rate. the heat transfer coefficient was 51% higher than that obtained under constant pressure. micro-channel surface can significantly enhance the heat transfer coeffeicent compared with a smooth surface at the same conditions. inlet flows of nozzle, saturated evaporative pressure and micro-structure sizes have great influence on the heat transfer characteristics. performance of spray cooling wth using the gas-assisted single atomization is obviously increased by the gas assisted atomization to enhance the droplets speed and impact force. the surface temperature reduced and the critical heat flux values increased with the liquid flow increasing, when gas phase flow remained constant. when the experimental conditions remain unchanged, the spray cooling efficiency of using gas-assisted single atomization was superior to using the pressure atomization. in single-phase forced convective heat transfer process, more nitrogen kept stay in 英文摘要 v the bottom of the microchannel by the capillary force to form a thick gas layer which increased the heat transfer resistance, and led to the performance of spray cooling on the micro structure surface was worse than the performance of spray cooling on a smooth surface. keywords: spray cooling; ammonia; characteristics of heat transfer; heat fluxes; forced convection; capillary microchannel 重庆大学硕士学位论文 vi 目 录 vii 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题研究背景课题研究背景 . 1 1.2 喷雾相变冷却换热特点喷雾相变冷却换热特点 . 2 1.3 喷雾相变冷却国内外研究现状喷雾相变冷却国内外研究现状 . 5 1.3.1 喷雾相变冷却换热特性影响因素 . 6 1.3.2 喷雾相变冷却换热机理 . 7 1.3.3 气体辅助雾化 . 9 1.3.4 表面强化研究 . 10 1.4 本文研究内容及意义本文研究内容及意义 . 13 1.4.1 研究目的 . 13 1.4.2 研究内容及创新性 . 13 2 喷雾相变冷却实验系统喷雾相变冷却实验系统 . 15 2.1 实验系统实验系统 . 15 2.1.1 液相回路 . 15 2.1.2 气相回路 . 17 2.2 高热流密度加热器的设计高热流密度加热器的设计 . 18 2.2.1 加热源的选择 . 18 2.2.2 薄膜电阻加热器 . 19 2.2.3 加热棒模拟加热源 . 22 2.3 实验内容及过程实验内容及过程 . 30 2.3.1 实验目的 . 30 2.3.2 压力式喷嘴阵列喷雾冷却实验 . 31 2.3.3 气助式单喷嘴喷雾冷却实验 . 34 2.4 性能评价指标及计算性能评价指标及计算 . 35 2.4.1 热流密度 . 35 2.4.2 过热度 . 36 2.4.3 热表面温度 . 37 2.4.4 换热系数 . 37 2.4.5 冷却效率 . 37 2.5 误差分析误差分析 . 37 重庆大学硕士学位论文 viii 2.5.1 加热器热损失分析 . 37 2.5.2 测量误差分析 . 38 2.6 本章小结本章小结 . 40 3 压力式喷嘴阵列喷雾冷却传热特性压力式喷嘴阵列喷雾冷却传热特性 . 41 3.1 压力式喷嘴阵列雾化特性压力式喷嘴阵列雾化特性 . 41 3.2 喷雾冷却热表面温度分布特性喷雾冷却热表面温度分布特性 . 45 3.2.1 换热表面温度均匀性 . 45 3.2.2 流量对温度均匀性的影响 . 47 3.3 不同饱和蒸发压力喷雾冷却传热特性不同饱和蒸发压力喷雾冷却传热特性 . 49 3.3.1 饱和压力影响 . 49 3.3.2 与常压下传热性能的比较 . 53 3.3.3 流量对传热性能的影响 . 55 3.4 微槽强化实验微槽强化实验 . 58 3.4.1 流量影响 . 58 3.4.2 饱和压力影响 . 61 3.5.2 不同毛细微槽结构表面影响 . 63 3.5 本章小结本章小结 . 66 4 气助式单气助式单喷嘴喷雾冷却传热特性喷嘴喷雾冷却传热特性 . 69 4.1 气雾喷嘴喷雾特性气雾喷嘴喷雾特性 . 69 4.1.1 喷嘴的选定 . 70 4.1.2 喷嘴特性测试 . 72 4.1.3 喷淋高度的确定 . 75 4.2 不同气液配比喷雾冷却传热特性不同气液配比喷雾冷却传热特性 . 76 4.2.1 气液配比影响 . 76 4.2.2 气助式与压力式喷嘴冷却性能的比较 . 81 4.3 毛细矩形微槽强化表面的影响毛细矩形微槽强化表面的影响 . 83 4.4 本章小结本章小结 . 86 5 结论与展望结论与展望 . 87 5.1 本文主要研究结论本文主要研究结论 . 87 5.2 后续工作展望后续工作展望 . 88 致致 谢谢 . 89 参考文献参考文献 . 91 附附 录录 . 97 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 97 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 随着科学技术的进步，电子技术的迅猛发展，电子芯片的特征尺寸小、温度 高、功率密度大、局部热流密度高，所处热环境越来越恶劣，严重影响其可靠性 和使用寿命1。尤其是高功率固体激光技术在国防、航空及核工业等领域的广泛应 用， 其单位输出功率越来越大， 热流密度可达几千w/cm22， 热流密度达到500 w/cm2 就称为高热流密度3，随之产生的热管理问题也日趋突出。高功率元器件工作所产 生的热量不及时有效排出，会导致电子器件的热应力增大，局部温度高，工作稳 定性能下降，寿命缩短。研究表明大功率高热流密度电子元件温度每上升10 ， 其使用寿命将减少一半，大部分电子元件的工作失效都是由于温度高没及时散热 而损坏的，电子元件的最佳工作温度不能超过7580 ，维持壁面温度越低，其 工作性能越稳定4-7。因此，对高功率激光器及电子元器件提供有效合理的冷却方 式，是电子技术迅猛发展、稳定工作的重要支柱。 大功率半导体固体激光技术在国防科研以及航天航空等领域发挥越来重要的 作用。半导体激光器的在能量转化过程中释放出大量热量，需要较大冷却热流密 度。由于半导体固体激光器能产生非常大的功率，使散热热量也相应升高，半导 体固体激光器功率输入越大，热耗越大，使激光器的热效应变得严重。在工作过 程中半导体激光器产生的热量不能及时排出，会导致热应力不均匀分布而致使激 光晶体的折射率改变，发生热透镜效应，从而导致激光器发射光速质量下降，缩 短使用寿命，热应力太大还会使激光晶体炸裂8。同时半导体固体激光器输出的光 波在一定波长内才能作为泵浦源而激发半导激光器，当半导体固体激光器温差 1 会使波长相应漂移大约0.3 nm。 在实际应用中半导体固体激光器工作温度通常 维持在25 ，并在12 之间波动9。如何解决半导体激光器散热问题，已逐渐 成为国内外广大学者研究的热点。大功率半导体激光二极管阵列要求冷却系统具 有高热流密度（通常达到数百w/cm2）冷却能力，同时对温度控制要求十分严格， 温度过高将影响激光波长、输出功率、工作稳定性等，因此，散热问题成为制约 其向大功率模式下发展的关键问题10。传统的冷却技术（热管、多层水冷、微槽 冷却等）却很难满足现有高功率激光器的散热需求，存在的问题主要有两个方面， 一是冷却热流密度不能达到要求，二是很难在较高热流密度下维持换热面处于常 温条件，特别存在冷却不均匀产生热应力损坏光学器件11。因此,对高功率激光器 冷却需满足散热热流密度大，固体表面温度尽量低且分布均匀。喷雾相变冷却是 通过大量雾化液滴直接冲击换热面，主要依靠介质蒸发带走大量热量的具有蒸发 重庆大学硕士学位论文 2 相变特性的一种冷却方法。其具有换热性能强、热流密度大、工质需求量少、冷 却温度分布均匀等优点，同时研究表明喷雾相变冷却技术具有较强冷却能力和温 度调控能力，已有研究表明，以水作为冷却工质，喷雾相变冷却技术的临界热流 密度可达到1250 w/cm212。因此，喷雾相变冷却技术被广泛认为是大功率激光器 及集成电子元件最有效、最有前景的冷却方式13。本文主要是针对大功率半导体 激光二极管阵列冷却散热问题进行实验研究，通过建立喷雾冷却实验系统，并进 行大功率半导体激光二极管阵列冷却散热的验证和特性试验，为大功率半导体固 体激光器喷雾冷却热控实际应用奠定理论基础和依据。 1.2 喷雾相变冷却换热特点 传统的电子元器件散热冷却技术已经得到了广泛成熟的应用，如液体冷却， 风扇冷却，热管等技术，但是这些散热冷却技术已经达到了冷却的极限水平。因 此，针对大功率功率半导体固体激光器以及高热流密度电子元器件，传统冷却技 术不能有效满足冷却需求。微通道冷却技术、射流冷却技术、喷雾相变冷却技术 具备高热流密度的散热冷却能力14，能满足高功率电子元件的冷却需求。 微通道冷却是由美国学者pease和tuckerman 最早提出，通过在基板上或定向 硅片上采用腐蚀、雕刻等技术加工制造出微通道，冷却介质流经微通道通过蒸发 或对流换热带走热量，研究表明微通道冷却技术主要是利用微尺度换热特殊性使 其具有较高的冷却换热能力，能使冷却热流密度达到790 w/cm2，国内外很多学者 对微通道冷却技术进行了研究15-21。研究结果表明冷却介质流经微通道时被加热 迅速进入核态沸腾换热，在核态沸腾换热过程中，冷却介质具有很强的换热能力， 冷却表面过热度较小22。尽管国内外学者对微通道液体冷却的实验研究较多,但是 通道尺寸多样,小到几十微米,大到几百微米,实验结果重复性及可比性差。 微通道冷 却中的热边界条件,冷却液种类、流速、温度等参数对冷却效果的影响很大,如何优 化系统运行参数、减小通道阻力以有效降低激光器热应力、提高其性能和稳定性 是急需解决的问题。 目前对微通道热沉传热理论的相关研究均是基于“大”通道的结 论可适用于微尺寸通道的假定。事实上,微通道内液体流动传热涉及的因素复杂,当 通道尺寸小到一定程度时,受尺度效应影响,微通道内的流动与传热规律可能违背 经典果。同时由于微通道截面积小,冷却液体流经通道会产生较大温升,从而引起热 应力过高或芯片热电不匹配等严重的问题。提高进口压力会增大流速使温升降低, 由于受到客观因素的制约,不能解决