（热能工程专业论文）先进热虹吸管系统中具有新颖强化传热表面蒸发器的实验研究.pdf

l l j 尔人。硕f j 侍论文 摘要 随着电子元件集成化和高速处理的发展，电子元件的热设计和热管理成为 电子工业的一个巨大挑战。为了满足电子元件工作温度的需要，保证电子元件 的安全与使用寿命，正在发展实现电子元件有效热控制的冷凝方法，例如：热 管和热虹吸管。热虹吸管又叫做重力热管。对于单管系统的热虹吸管和热管， 在高热流密度下，可能会发生蒸发的气体和冷凝的液体的对撞流动，这不可避 免的限制了单管系统的传热能力。相对于单管系统的热虹吸管和热管的传热效 果，具有纳米多孔结构强化传热表面的先进热虹吸管环路系统能表现出更为显 著的散热效果。 本文主要对封闭式先进两相流热虹吸管坏路系统的蒸发器进行了较系统的 实验研究，实验在瑞典皇家理工学院热动与制冷实验室完成。在特定的充液工 质( r 1 3 4 a ) 和压力( p = 6 5 b a r ，p 仁0 1 6 ) 下，研究光滑的矩形铜表面通道的蒸 发器在不同截面尺寸条件下的传热系数的影响。在实验研究基础上，选出最佳 的传热系数对应的光滑矩形铜表面通道的蒸发器的几何参数。在相同的系统和 蒸发器尺寸参数和条件下，通过实验研究应用纳米技术的新颖纳米和微米多孔 强化传热结构的蒸发器的传热效果，并且与光滑表面的蒸发器所做的实验结果 进行对比。对比了不同充液高度和不同上升立管直径条件下的系统蒸发器的传 热系数，并讨论了不同充液高度条件下蒸发器的传热系数。研究结果表明，热 虹吸管系统中充液高度决定了系统流体循环驱动力的大小，不同虹吸管的直径 对流动阻力和“回流现象”有一定的影响。 论文用高速摄像机对蒸发器内的沸腾状态进行了可视化研究。通过高速摄 像机所拍摄到的清晰照片分析了热虹吸管蒸发器( 蒸发段) 内沸腾的各种沸腾 状态和各种沸腾状态下的传热特性。通过将热虹吸管系统的上升立管改为玻璃 管，并对上升立管中的两相流进行了多个对比实验，研究了上升立管两相流的 流动状态对蒸发器传热效果的影响，并探讨了蒸发器中的“回流现象”和回流 的机理。实验数据与传热关联式进行了比较分析。最后，基于结论提出了热虹 吸管系统的改进方案。 关键词：传热，热虹吸管，热管，电子冷却，纳米多孔，高速摄像。 东人。硕十学何论文 a b s t r a c t t h e r ei s a 伊e a tc h a l l e n g e f o re l e c t r o n i c i n d u s t r y t od e a lw i t ht h e 珊a l m a n a g e m e n ta se l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa r ed e v e l o p e dt o s m a l l e rs i z e sa n dh i 曲e r p r o c e s s i n gs p e e d i no r d e rt o m e e tt h en e e d so fo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，s e c u r et h e r e l i a b i l i t ya n ds a v et h el i f 色t i m eo ft h ec o m p o n e n t s ，d i f f e r e n tn 0 v e lc o o l i n gm e t h o d s h a v eb e e nd e v e l o p e d ，s u c ha sh e a tp i p e sa n dt h e r m o s y p h o nc o o l i n g t h e r m o s y p h o n i sa l s oc a l l e dg r a v i t y a s s i s t e dh e a tp i p e f o rt h e m o s y p h o no fs i n g l ep i p es y s t e ma n d h e a tp i p e ，t h ec o u n t e r - c u r r e n tv a p o 饥i q u i df l o wm a yh a p p e na th i g l lh e a tn u x e s ， w h i c hu n a v o i d a b l yl e a d st 0al i m i t a t i o nf o r t h eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo ft h es y s t e m t h et h e n n o s y p h o nl o o p sw i t he v a p o r a t o ro fe n h a n c e db o i l i n gn a n 0 - p o r o u ss u i f a c e h a st h ep o t e n t i a lt op e r l 0 n ns i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h eh e a tp i p e s 1 i i i sp a p e rc o n d u c t sd e t a i l e de x p e r i m e n t a ls t u d yo nc l o s e da d v a n c e dt w o - p h a s e t h e 肌o s y p h o nl o o ps y s t e mw i t he v a p o r a t o r so fs m o o t h 锄de n h a n c e db o i l i n g n a n o p o r o u ss u i f a c e sw i t hw o r k i n gf l u i dr13 4 a ，r e s p e c t i v e ly f i r s t l y ；e x p e r i m e n ti s p e r f b n n e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f 色c to fc h a n n e ld i m e n s i o n s0 fs m 0 0 t he v a p o r a t o r so n t h eh e a tt r a i l s f e rp e 哟咖a n c eo ft h e m o s y p h o nl o o ps y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec h a n n e ld i m e n s i o n si l l f l u e n c es i g n i f i c a n t l yt h eh e a tt r a n s f e rp e 哟加a n c eo ft h e c 1 0 s e da d v a n c e dt w o - p h a s et h e n n o s y p h o nl o o ps y s t e ma tac e r t a i n 锄o u n to fr 1 3 4 a a n da tac e r t a i nr e d u c e dp r e s s u r e ( p r = 0 16 ) s e c o n d l y ；e x p e r i m e n ti sp e r f b 加e dt o s t u d yt h ei n n u e n c eo fan o v e ln a n 0 - a n dm i c r o - p o r o u ss t l l l c t u r ei nt h ee v a p o r a t o r0 n t h eh e a tt r a n s f e rp e r f b m a n c ea i l dt 0c o m p a r et h e s er e s u l t sw i t ht h es m o o t hs u r l a c e e v a p o r a t o rw i t h s a m ed i m e n s i o n sa n dc o n d i t i o n s t h i r d l y ，t h eh e a tt r a n s f e r p e r f b 珊a n c e sa r ec o m p a r e dw i t hd i f e r e n tl e v e l so fw o r k i n gn u i d s a n dw i t hd i f ! f - e r e n t d i 锄e t e r so ft h er i s e lv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t sa r ep e - o n i l e dw i t hah i g hs p e e d d i g i t a lv i d e oc 锄e r at oa n a l y z et h eb o i l i n gt w o p h a s en o wp a t t e m si ne v a p o r a t o r w i t hs m 0 0 t ha i l de i 山a n c e dn a n o p o r o u ss u r f a c e s ， r e s p e c t i v e ly t h e0 b t a i n e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t so ft h eh e a t t r a n s f c rp e 怕肌a n c ca r ec o m p a r e dw i t ht h e c o r r e l a t i o n s0 fr a 。h m a t o l l a hi ( 1 1 0 d a b a n d e h 6 l a s t ，c o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e da 1 0 n g w i t hs o m ei m p r o v e m e n t so ft h et h e 肌o s y p h o ns y s t e m k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e r t h e 册o s y p h o n ，h e a t p i p e ， e l e c t r o n i c c o o l i n g ， n a n 0 一p o r o u s ，h i g h - s p e e df i l m i n g i l 山东大学硕卜。 付论文 重要符号说明 表面面积( 锄2 ) 直径( m m ) 传热系数【w ( c m 2 k ) 】 电流( a ) 分子量 压力( b a r ) 散热量( w ) p p a 对比压力 临界压力( b a r ) 输入热量( w ) 散失热量( w ) 热负荷( w ) 热流密度( 、锄2 ) 电阻( q ) 标准偏差 温度( d 蒸发器温度( d 饱和温度( d 电压( v ) 散热量的 蒸发器的 散失的 饱和的 输入的 i i i a刚h。m p n陆q q r s t r b u 体瓠 e s 叩 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主塞盘里 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一：坦导师虢地堂1 i “尔人学硕十学伊沦文 1 1 背景 1 介绍 由于电子装置的功率不断增加，电子元件趋于集成化，电子元件冷凝和散 热遭遇了巨大的挑战。对于某些电子元件，空气冷凝已经不能达到需要的冷却 能力。具有高传热系数的液体冷凝得到了发展，例如：热管冷却技术和热虹吸 管冷却技术。在热虹吸管冷凝系统和热管冷凝系统中，热量传递是通过蒸发和 冷凝的方式实现的。系统中的工质在蒸发器中蒸发吸热，然后在冷凝器中冷凝 放热。这两种形式的区别是工质运行的驱动力不同。在热管系统中，工质被热 管中的芯从冷凝器牵引到蒸发器。但是，在热虹吸管中，工质是靠液体的重力 从冷凝器返回到蒸发器中的，所以，热虹吸管又叫重力热管【1 1 。 然而，在高热流密度时，从蒸发器流向冷凝器的高速蒸汽会遭遇到从冷凝 器流向蒸发器的液体工质。这样的流动遭遇成为单管系统的热虹吸管或热管一 个巨大缺点。这就限制了单管系统的传热能力。热虹吸管可以被设计成单管和 环路管系统。由于热虹吸管环路系统的工质可以达到更高的流速，热虹吸管环 路系统的传热效果明显高于单管系统【1 】。 具有强化传热结构的蒸发器和延伸结构的冷凝器的热虹吸管环路系统被叫 做先进热虹吸管冷却系统。这种系统成为高热流密度的电子元件的热处理的一 个好方法f 1 1 。 1 2 研究目的与方法 此次研究的目的在于提高先进的热虹吸管循环系统的换热能力。影响换热 系数的参数有：系统驱动力，蒸发器和冷凝器的换热能力，热流密度，系统压 力，质量流量，管路结构和制冷剂的热力性质等。r a h m a t o l l a hk h o d a b a i l d e h 在 他的博士论文f 1 1 中讨论了压力，质量流量，制冷剂的热力性质。 此次研究中，所有实验分成三大块。第一步，研究影响闭式先进两相流热 虹吸管循环系统的光滑矩形蒸发器通道的尺度。实验条件设定为特定的工质 ( r 1 3 4 a ) 和特定的对比压力( p r = 0 1 6 ) 。r 1 3 4 a 作为一种普遍的工质在制冷剂 领域有广泛的应用。当对比压力p r 为o 1 6 时，绝对压力p 为0 6 4 9 4 4 8 m p a ， 山东人学硕 j 学位论文 饱和温度t s 为2 4 1 8 7 。c( 基本和室内温度相等) 。第二步，研究新颖的纳米 和微米多孔结构应用于蒸发器的效果。在同等系统条件和环境条件下所得到的 实验结果与光滑表面的蒸发器实验结果做了对比。在r j c h a r df u r b e r g 的副博士 论文( e n h a n c e db o i l i n gh e a tt r a n s f e rf r o man o v e ln a n o d e n d r i t i cm i c r o - p o r o u s c o p p e rs t r u c t u r ef 2 】) 中，以r 1 3 4 a 作为工质，研究过这种强化结构的池内沸腾， 这种强化结构所得到的沸腾传热系数结果是普通光滑结构结果的1 5 倍。在这次 研究中，这种新颖的纳米和微米多孔结构也是用来强化热虹吸管系统蒸发器的 换热能力。第三步，是进行传热系数在不同工质水平面高度和不同的上升管管 径条件下的对比。所有实验都用高速摄像机进行了拍摄。用拍摄到的影像资料 可以区别和分析沸腾状态。换热系数的实验结果和r a l u l l a t o l l a hl ( h o d a b a n d e h 提供的关系式做了对比【1 】。结论部分讨论了结果和改进方案。 2 山东人产硕卜学何论文 2 1 热虹吸管 2 科研学术背景 热虹吸管定义为在传热的影响下由于重力场的密度差而导致的流体循环系 统【1 】。利用蒸发和冷凝的潜热，两相流热虹吸管可以控制系统维持较小的温差。 这种充有一定量液体和气体工质的热虹吸管系统又叫做重力热管。当它工作时， 液体工质在蒸发器部分蒸发成气体同时吸收潜热。冷凝器部分的气体工质冷凝 为液体以重力为驱动力流回蒸发器。很多研究已经发表了单管式热虹吸管的报 告【1 ，3 1 4 】。但是单管式热虹吸管系统中气相液相的逆流冲击不可避免的限制 了系统的传热效果。为了消除逆流冲击，一些学者开展了分体式热虹吸管的研 究。分体式热虹吸管包含了两个或多个分体蒸发器部分和连接冷凝器的多条输 送气体和液体的管线【1 ，1 5 1 6 】。然而，这种方法同时也增加了成本【1 】。 先进热虹吸管系统是指具有强化的蒸发器和冷凝器的热虹吸管循环系统。 这种先进热虹吸管系统正是可以解决以上问题。已经有一些论文发表了关于热 虹吸管循环系统的效果【1 】。r h i 卸dl e e ，c h e n 锄dk e n g 【1 ，1 7a i l d1 8 】研究了热 虹吸管在电子冷却方面的应用。 2 2 微通道传热 目前有很多关于微通道的研究。因为科学家发现微通道的传热系数要远高 于大直径管道的传热系数。k a n d l i k a r 【1 9 】定义水力直径从6 0 0um 到3 m m 的通 道为微通道。a 【2 0 】发现了当微通道越狭窄需要的沸腾的起始热流密度越小 【1 7 】。一些科学家【1 7 ，2 1 】也报道了：直径越小传热系数越高。然而t r a n r e p o n 【2 2 】 的结论与上述报道相反：直径越大传热系数越高。k h o d a b a n d e h 【2 3 2 5 】应用微 通道理论于热虹吸管循环系统中，做了很多研究得到了大量结果。结果表现了 良好的传热效果。在本次项目中，这种微通道理论也被应用，用以提高沸腾流 动的传热效果。 微通道内的沸腾流动的沸腾状态难以研究。w a m b s g a n s s 【1 】发现当核态沸 腾状态作为主要沸腾状态时，小通道内的传热表现出大通道的传热特点【1 7 ， 2 6 1 。m e n za i l dg r o l l 【1 】报道：在较小和较平的通道内气泡产生频率较高【1 7 1 。 3 山东人学硕 j 学何论文 l i n 【2 7 】发现在质量含汽率( 干度) 较低时，传热主要决定于热流密度，说明 这是核态沸腾。但是在高质量含汽率时，传热效果主要决定于质量含汽率和质 量流量而不取决于热流密度。这表示对流沸腾成为主要形式。 2 3 强化理论，微米结构和纳米结构 在能源的利用与发展中，传热过程起着非常重要的作用。传热效率能直接 的影响到能量转换系统的效率。强化沸腾过程在提高热流密度，减少换热面积 以及减小设备的体积方面都有着非常重要的意义。强化沸腾表明的发展是同时 基于实验研究和理论研究的。自1 9 8 0 年以来很多研究学者对强化沸腾表面的理 论模型分析做了研究。重点是以n a k a y a m a 【2 8 ，2 9 】，c h i e n 和w 曲b 【3 0 3 3 】，y ：y j i a n g 和w c w a n g 【3 4 】，a k d a s 和p k d a s 【3 5 】等人的理论模型为主。这 些模型主要方法是在表面形成机制多孔表面，目的是形成的高密度沸腾核心， 原理为“吸入一蒸发”的过程。所有的这些工作对理解强化沸腾过程的原理以及 改进分析模型都做出了重要贡献。 然而，基于以上理论，一些科学家也发展了一些用于制作强化沸腾传热表 面结构的化学方法。在本次研究实验中，这种强化传热的结构是从f e r b u r g 和 l i 【2 】的研究中发展而来的。f e r b u 唱在他的副博士论文( 1 i c e n t i a t et h e s i s 【2 】) 中研 究了这种新颖的铜的纳米树状微米多孔结构以及其池内沸腾。这种结构的沸腾 特征决定于其表面特点与参数。这种表面的特征参数是可以在加工过程中控制 的。这种新颖的微米多孔强化结构表现了出色的沸腾效果。这是由于这种结构 具有9 4 的多孔率，形成的树状结构，非常大的表面积以及适合沸腾气体逸出 的高密度( 每平方毫米大于5 0 个) 的通道。如果读者想进一步了解这种纳米一 多孔结构的制作方法，请参考f e r b u r g sl i c e n t i a t et h e s i s 【2 】。 2 4 沸腾中的传热 沸腾中的传热是非常复杂的研究领域。总体来说有两种形式的沸腾：池内 沸腾和流动沸腾。 一般管外的沸腾看作池内沸腾【3 6 】。当液体加热表面的温度高于液体的饱 和温度时，液体就会沸腾。根据沸腾的机制不同可以分为4 种沸腾状态：对流 沸腾，核态沸腾，过渡沸腾和膜态沸腾【1 】。在对流沸腾中，热通过微度过热 4 东人学硕十传论文 的液体以对流和热传导的形式传递到蒸汽一液体的分界面【1 】。在分界面发生蒸 发。在这个过程中，没有气泡形成。在核态沸腾中，蒸汽气泡形成并且上升。 一些气泡独立的上升到界面，一些气泡与其他气泡融合形成更大的气泡。在膜 念沸腾中，一层气膜在加热表面上形成。热通过传导和辐射的形式通过这层气 膜。液体在蒸汽一液体的界面蒸发。在这个沸腾状态中，壁面的表面温度远高于 液体的饱和温度。由于热量不能及时的通过沸腾换热散发出去，加热表面很危 险容易被烧毁。在过渡沸腾状态中，部分表面是被气膜覆盖，热量通过核态沸 腾和膜态沸腾的形式传递。 流动沸腾( 沸腾发生在管内) 中有几种沸腾形式：泡状流，塞状流，分层 流，波纹流，弹状流，环状流，喷雾沸腾，膜状流等f 3 6 】。塞状流，分层流， 波纹流可以在水平管中发生。本次研究是关于垂直管中的沸腾，用高速摄像拍 下了沸腾状态，并且讨论了所观察到的沸腾状态。 5 山东人学硕十学位论文 3 1 热虹吸管系统的结构 3 实验设置 实验平台的结构和尺寸是由前一个相关的课题项目搭建制定的 ( t h e 肌o s y p h o nc o o l i n go fe l e c t r o n i c sb yu s i n gn a n o p o r o u ss t m c t u r ee v a p o r a t o r s ， b yj u s t i nn i n g w e ic h i u 【3 7 】) f i g u r e1 在本次研究中，首先用同一平台，使用 矩形通道的蒸发器做了五组实验，如图f i g u r e2 和表t a b l e1 。f i g u r e1 描述了 系统的尺寸和热电偶的分布状况。本次研究改进了系统平台来解决在以前研究 中所遇到的问题 目前的实验平台主要做的改进有： 1 提供了一个更稳定的冷却设备的控制系统。冷水是由一台连接系统冷凝器 的制冷机来供应。这样可以更有效的控制系统压力。 2 蒸发器的加热器是用电阻丝做的，这样可以更方便的使用也节省了大量成 本。 3 在第三部分的实验，为了观察到不同液面高度和两个不同直径上升立管条 件下的实验效果以及管内的流动状态，把上升立管改为两个不同直径的玻 璃管。两个玻璃管内径分别为1 0 m m 和4 m m 。由于玻璃管的可视性的良好 条件，在第三部分实验中制冷剂的液面高度设定为1 3 m m ，3 3 m m ，5 3 m m 和 7 3 m m 。 6 东人学硕卜学侮论文 3 2 冷凝器 f i g u r e1d i m e n s i o n 伊印ho ft h et h e 咖o s y p h o ns y s t e m 冷凝器的制冷能力在热虹吸管中起着非常重要的作用。关系到是否能控制 系统在恒定的压力下进行实验。实验台保留下来的系统冷凝器的设计和计算是 由j u s t i nn i n g w b ic h i uf 3 7 】做的。冷凝器是用长度一米直径1 6 厘米的水管( 铜 管) 套外径9 5 厘米内径7 7 厘米的制冷剂管路( 铜管) 做成的。冷凝器可以提 供高于2 0 0 w 的制冷能力。本次实验继续使用这个冷凝器，但是冷水是由可调 节的制冷机提供的。这样以来，温度和压力都可以比较容易有效的得到控制。 3 3 下降管和上升管 根据热虹吸管的原理，它的驱动力是下降管和上升管的压头差减去系统的 摩擦阻力。所以，下降管中的液压头必须比上升管中的液压头要大。 设计这个系统必须考虑到：摩擦阻力，连接处接头的阻力，重力压力梯度 和压力梯度加速度等因素。 两相流部分的压力降主要取决于摩擦阻力和重力阻力。摩擦阻力为4 1 0 0 帕，重力阻力为2 0 0 0 帕。单相部分仅仅有1 0 0 帕压降。具体的计算请参考 7 山东人学硕二卜学位论文 t h e 咖o s y p h o nc 0 0 l i n g0 fe l e c t r o n i c sb yu s i n gn a n o p o r o u ss t r u c i u r ee l e c t r o n i c s b yu s i n gn a n o p o r o u ss t r u c t u r ee v a p o r a t o r s 【3 7 】，j u s t i nn i n g w e ic h i u 。 计算结果显示出系统需要有6 3 3 0 帕的压降，设计了6 5 0 0 帕的液压头。为 了安全起见，在计算中考虑了安全系数。 3 4 蒸发器 3 4 1 蒸发器的制作 蒸发器的制作可以分为三大步： 用车床加工铜块和通道。蒸发器的通道为矩形通道宽约为5 厘米，深度为 0 7 厘米到1 。8 1 厘米，长为3 0 厘米。为每个蒸发器的通道旁做了两条小槽，用 于粘合塑料视镜。铜块上钻了四个孔，用于上螺丝钉。图f i g u r e2 ，表t a b l e l 和 t a b l e 2 详细说明了蒸发器的几何形状和尺寸。 1 在装塑料视镜到蒸发器之前应该用丙酮清洗蒸发器表面。整个蒸发器内表 面附上纳米多孔铜结构。这个纳米多孔结构是由瑞典皇家理工学院材料化 学系的在读博士生李商华制作( d ls h a n 曲u al i 仃o mm a t e r i a lc h e m i s t r y d e p a r t m e n to fr o y a li n s t i t u t e o ft e c h n o l o g y ) 这种纳米多孔结构由r i c h a r d f u r b e r gf 2 1 研究并改进。 2 用一种黑色胶( 设备列表) 把塑料视镜粘合到铜块表面上。在把蒸发器的 加热器粘在铜块背后之前，用一层很薄的专用水泥涂在铜块的背后以防止 短路。这种专用水泥有很好的传热特性，同时有很好的绝缘特性。加热器 是用均匀分布的电阻丝粘合到蒸发器的背部。然后在加热器背后涂上更多 的专用水泥。用车床以0 6 m m 的钻头在蒸发器侧端上钻三个小孔，把热电 偶放入其中。为了测量不同位置的温度，把蒸发器分为上中下三部分，每 部分中间设置一个热电偶。热电偶的深度为4 m m 。如下图f i g u r e2 所示： 8 擎；蔫，蕊 f i g u r e2e v a p o r a t o r i i f 尔人号：硕十7 1 何沦文 左边的图片显示了蒸发器通道，螺丝，热电偶，塑料视镜。从中间图中可 以看到一种热传导良好的专用水泥( m o d e l ln o ：1 5 0 0 1a u t o s t i cf c 4 ( t h i n ) ， ll b ，f l e x b a rm a c h i n ec o rp ) 覆盖在蒸发器背部。从右边的图片可以清除 的看到，测量方法是用v l c 的测量软件测量。 t ( 1 l l a l p l a n m n n 蘸l雾 豳，l f i g u r e3s c h e m a t i cf i g u r eo ft h ee v a p o r a t o r e v a p o 阳t o r s s m 0 0 t hs m 0 0 t hs m o o t hs m o o t hs m o o t h s u r l 沮c e1s u r f a c e2s u r f a c e3s u r | a c e4s u r f a c e5 d e p t h ( m m ) 0 7o 9 51 2 91 5 81 8 1 w i d t h ( m m ) 555 15 1 55 3 h e i g l l t ( m m ) 3 03 03 03 03 0 r i s e r5 35 35 35 35 3 l e v e l ( c m ) p r e s s u r e ( b a r ) 6 56 56 56 56 5 r e d u c e d0 1 60 1 6o 1 60 1 60 1 6 p r e s s u r e r e f r i g e r a n t r 1 3 4 ar 1 3 4 ar 1 3 4 ar 1 3 4 ar 1 3 4 a t 抽l e1p a r a m e t e r so fs m o o t hs u a c ee v a p o r a t o r s 当以上参数的实验结束后，再用纳米多孔表面蒸发器替换原有蒸发器在原 来实验条件下再做实验，参数如t a b l e2 ： 9 l i 尔大学硕十学位论文 d e p t h w j d t h h e i g h t r i s e r p r e s s u r er e d u c e d r e f r i g e r ( m m )( m m )( m m ) l e v e l ( m ( b a r ) p r e s s u r e a n t m ) n a n o p o r o u s 1 6 75 12 9 6 25 36 50 1 6r 1 3 4 a s u r f a c e 1 1 a b l e2p a r a m e t e r so fn a n o p o r o u ss u r f a c ee v a p o r a t o rw i t hr i s e rl e v e lo f5 3 m m 3 4 2 纳米多孔表面的制作 如图f i g u r e 4 所示，铜片和铜块分别用作阳极和阴极。电解液使用一定浓 度的硫酸( h 2 s 0 4 ) 和不同浓度的硫酸铜( c u s 0 4 ) 的混合溶液【2 】。两个电极表面在 电解液中平行放置，在一定的距离处，连接直流电。在电解过程中，氢气气泡 与铜颗粒相互作用，导致树状铜的结构的生长【2 】。当氢气气泡从铜表面脱离， 融合成较大的气泡时，沉积的铜表面的孔径增大。为了制作理想的表面结构， 要在电解过程中进行主要参数的控制：电流密度，时间，温度，压力等。用电 子显微镜s e m ( s c a n n i n ge l e c t r o nm j c r o s c o p e ) 可以观察到不同参数时得到的不同 的表面状况。 p o w e rl e a 出 c o p l ) e 山l o c “c a 廿i o ( i e f i g u r e4 f a b r i c a t i o no ft h en a n 0 一p o m u ss t m c t u r eb yd e p o s i t i o np r o c e s s 上述过程结束后，表面结构相对实验要求比较脆弱。为了确保它的机械强 度，应该进行退火【2 】。为了避免表面氧化和熔化，这个退火过程应该在低于铜 熔化温度和还原条件下进行。退火后，表面结构的小颗粒的相互连接的特性得 1 0 到了进步发展。如图f i g l i f e5 所示 l 与 嚣：；? 篇 鬻：冀：= 器 麓j 嚣墨嚣 圆 f i g u r c5 n 柚o - p o m u ss t r i l c h l f c c o n m 坞t w i t h l c n 舀h s o f 2 u m f i g l l r e6n a n o p o r o u ss t m c t u r cc o n 枉a s tw i l hl e n 舀h so f1 0 0pm l j 东大学硕十学位论文 最小的孔径约为1 靴m ，最大的孔径约为2 2 1 m 。平均孔径约为1 1 即m 。 适应气泡脱离的通道( 孔) 密度为每平方毫米7 0 2 4 个( 7 0 2 4p e rm m 2 ) 。 3 5 测试过程 为了使蒸发器能够紧密的连接到热虹吸管系统上，用两层橡胶粘合在蒸发 器的上下两端。热虹吸管系统管路用发泡绝缘层包裹，并在蒸发器背后放置特 氟纶用以绝热。在把蒸发器安装到系统后，用氮气充入系统达到7 个大气压放 置一整夜用来测试系统的气密性。用制冷剂探测器寻找漏气的实验设备管路连 接处。读者可以参考附录的设备列表( a p p e n d i x ) 来参考设备的详细信息。所 有的实验是在系统压力维持在6 5 个大气压左右( 对比压力为0 1 5 9 到1 1 6 1 ) 下进行。所对应的饱和温度为2 4 1 8 7 0 c 。对每个计数点记录5 0 组数据，然后 取得其平均值。 正如图片f i g u r e 2 所示，实际电子元件用一片铜块来模拟。所有加热量都 被认为从冷凝器散发出去。通过绝热层( p t e e ) 的传热热量可以被忽略。用t 型 热电偶测量铜块深度4 m m 处的温度值。测试时逐渐增加蒸发器的加热量，每 当系统状态达到稳定时，记录温度，压力和加热量。用数据采集仪f d a t a a c q u i s i t j o n ，a g i l e n t ) 记录温度和压力。用电子压力传感器( d m c k ，p d c r9 6 0 ， 1 0 b 神在冷凝器出口处测量系统压力。 3 6 误差分析 测定值与被测定值真值之间的差异量称为测量的绝对误差或称作测量误 差。根据测量误差的性质不同，一般可以将测量分为：系统误差、随机误差和 粗大误差。系统误差是在相同的测量条件下对同一被测量进行多次测量，误差 的大小和符号或者保持恒定，或者按一定的规律变化的误差，前者称为恒值系 统误差，后者称为变值系统误差。随机误差是指在相同测量条件下对同一被测 量进行多次测量，由于受到大量的、微小的随机因素的影响，测量误差的大小 和符号没有一定规律，且无法估计的一类误差。在任何一次测量中，随机误差 的存在是无法避免的。随机误差和系统误差既有区别又有联系，二者之间并无 绝对的界限。明显的歪曲了测量结果的误差称为粗大误差。粗大误差一经发现 必须从测量数据中剔除。 1 2 东人学硕f j 学何论文 传热系数的误差是受测量壁温，流体温度，加热面积，散热量的误差影响 的。这些测量数据是受系统误差( t y p eb ) 和粗大误差( t y p ea ) 。应该对已知的偏 差用必要的关系式计算较准。 3 6 1 随机误差( t y p ea ) 这种误差的特点是标准偏差，s ，。在相同测试条件下取多个记录值，计算 算术平均值作为最好的期望值。在每个条件下取5 0 组独立测量值的平均值作为 估计值。这些分散测量的平均值的可以作为标准偏差。如果测量数量足够多( 大 于1 0 组) ，这个平均值的标准偏差可以表示成： s 一= 上式中，n 是抽样的数量，t ( i = 1 ，2 ，3 n ) 是抽样的数值，x 是平均 值，司以表不成： ；2 寺善薯 ( 2 ) 取散热量、蒸发器表面积、温差的标准偏差平方的和就得到传热系数粗大 误差( t y p ea ) 平方的估计值。粗大误差( t y p ea ) 的估计值是输出量s ，。相对于输 入量& ，s ，可以表示成： s ，一 蒸发器的温度乙是由三个热电偶的值取平均值得到的。制冷剂的饱和温度 为t = 2 4 1 8 7 传热系数( h ) 可以表示成： 瓦= ( 五+ 瓦+ 弓) 3 ( 4 ) 拈卷 ( 5 ) 互一互 一 传热系数的标准偏差可以表示成： 瓯= 1 3 东大t 硕十学何论文 由于偏差相对比较小，偏导数可以看成恒定的值： 得到： sh = 鲁 。= 苦 2 + 鲁】2 + 鲁 2 1 7 2 。 c 8 ， 上式中，、s 分别是加热量、温差的随机误差。表面积e 的测量是用 v l c 软件放大测量得到的，计入系统误差。加热量是由仪器在特定加热量 q a 2 0 14 9 41 0 0 11 4 9 92 0 02 4 9 83 0 0 73 4 9 34 0 0 4 ( 、w c m 2 ) 2 s h ( e x p e r o 0 1 4o 0 8 5o 0 3 7 0 0 1 6 o 0 20 0 4 40 0 4 20 0 9 70 0 5 6 i m e n t6 2 72 8 15 1 40 3 41 5 66 3 23 6 65 6 22 5 7 n a n o p o r o u s ) t a b l e 3e s t i m a t e du n c e r t a i n t yo fs hi n e x p e r i m e n tn a n o p o r o u s 3 6 2 系统误差( t y p eb ) 系统误差( t y p eb ) 包括系统的各项误差。这些误差是由生产设备的厂家提供 或者根据经验猜测的。 = 上式中，系统误差是输出量髟，是由有区别的输入量岷来决定的。传热 系数的系统误差可以用以下表达式来计算： mp 叱了 + 百 + 鳖 = 旧p 哌i l j j 东人产硕 学何论文 上式中，岷，分别是散热量，温差，蒸发器表面积的系统误差。 蒸发器的热负荷是由万用表( f l u k e4 5 ) 测量的电流和电压然后计算得到 的。并且考虑到一部分的加热量是通过绝热层散失了。蒸发器中散热可以表示 成下式： f k = 只。一罡鲫。( 1 1 ) 加热量是通过下式计算得到的： 瓦。= u ，( 1 2 ) 系统使用了厚绝热层( p t f e ) 。所以，系统散热损失比较小，可以根据热流 密度的大小认为0 5 w 到1 5 w 。可以认为散热损失小于系统加热量的5 。 p d i s s = 9 5 p s u p ( 1 3 ) w p h 。= o 0 5 。 1k 嘲啊1 _ j a ，3 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 引p = 2 + 1 2 c 唧， 根据加热电源( e x 7 5 2 mm u u i m o d ep s u7 5 v 1 5 0 v3 0 0 w ) 的生产厂家所 提供的数据，盟和旦分别为o 3 和o 6 。 ui 得到 p = 0 朋7 5 3 6 i d i s s 温度使用t 型热电偶测量。根据制造商的数据，这种热电偶的误差范围是 o 5 。假定表面积测量的系统误差为呢：0 0 5 a 。 吣 l c 2 0 14 9 41 0 0 11 4 9 92 0 0 22 4 9 83 0 0 73 4 9 34 0 0 4 m 2 ) 岷 0 1 80 2 9 3o 8 2 4o 7 7 10 6 2 70 5 3 9o 3 9 7 0 2 3 5o 1 2 6 3 0 14 3 46 7 97 9 81 6 33 8 64 8 66 4 6 2 3 9 t a b l e 4e x p e c t e du n c e r t a i n t yo f 哌i ne x p e r i m e n tn a n o p o r o u s l l j 东人学硕十学何论文 组合误差“；。可以表示成： 比矿压可i ( 1 7 ) q a ( w c 251 01 5 2 02 53 03 5 4 0 m 2 ) “一 0 1 8 30 3 0 5o 8 2 50 7 7 10 6 2 70 5 40 3 9 90 2 5 50 1 3 8 工j 5 9 45 7 65 3 19 6 45 3 41 2 37 1 90 4 42 0 7 t a b l e5c o m b i n e du n c e r t a i n t yo f “乃i ne x p e r i m e n tn a n o p o r o u s 实验e x p e r i m e n tn a n o - p o r o u s 中，由于温差缸比较小，所以根据热电偶的误 差范围是0 5 所得到的误差结果整体偏大。由于热流密度q a 为1 0w c r i l 2 左 右发生系统不稳定性的波动( 回流现象明显) ，所以这时的误差偏大。实验 e x p e r i m e n t l ，2 ，3 ，4 ，5 中，温差出比较大，所以整体误差应当比较小。 1 6 山东人学硕f j 学何论文 4 结果与讨论 4 1 第一节不同通道深度条件下矩形光滑表面的蒸发器的实验 蒸发器的通道深度为0 7 m m 到1 8 1 m m 之间做五组实验。实验条件是在制 冷剂为r 1 3 4 a ，压力为6 5 b a r 。表t a b l e 6 显示出实验的详细参数，图f i g u r c7 展示了实验结果。蒸发器的温度瓦是由蒸发器上三个热电偶的温度值取平均值 得到的。饱和温度i = 2 4 1 8 7 互。( 五+ 五+ 弓) 3( 4 ) ； ( 5 ) 乏一互 e x p c 曲1 e n t l e x p e 咖1 e n t 2e x p e r i m e n t 3e x p e r i m e n t 4e x p e r i m e n t 5 d e p t h ( 唧) o 70 9 51 2 91 5 81 8 1 w i d t h ( m m ) 555 1 5 1 5 5 3 h e i g h t ( 皿) 3 03 03 03 03 0 r i s e rl e v e l ( c m )5 35 35 35 35 3 c 血i c a lh e a t1 74 45 35 05 0 3 n