R134a闭式喷雾冷却传热性能实验研究

周年勇， 冯浩 许泓烨 刘文博 郭艺星 甘新海

(1 常州大学石油工程学院 常州 213164；2 新乡航空工业(集团)有限公司 新乡 453049)

喷雾冷却过程的传热具有传热温差小、工质用量少、无沸腾滞后性和热通量大等优点。目前已初步应用到相关行业，可以解决激光器运行产生大量废热导致的设备损毁[1]、磨削加工产生回火和淬火烧伤形成变质层[2－3]、大功率电子设备运行时的高效稳定散热需求[4]等问题。

喷雾冷却传热性能的影响因素[4－5]有许多，包括喷嘴雾化特性、散热表面特性、工质流体特性和工作环境特性等。曹磊等[6－8]认为喷雾流量增大对传热过程有促进作用并且存在上限，同时临界热流密度随流量的增大而增大[9－10]。Li Qiang 等[7]认为过冷度的提高在大流量时对传热效果增强明显，E.Cabrera等[11－12]在实验中得出类似结论，并认为过冷度的影响在于改变显热与潜热的比例，而钱春潮等[8]认为过冷度的影响不显著。喷雾入口压力对传热性能影响较为明显[13]，入口压力升高能够提高临界热流密度[14－15]，其根本原因在于提高入口压力能够显著增大喷雾流量，改善雾化效果。喷雾腔内压力对传热影响很大，刘炅辉等[14－16]发现当腔内压力增大时，临界热流密度和传热系数都有所提高，而表面温度由于工质饱和温度的提高会增大。J.L.Xie等[17]发现较大的喷雾空间和合理的排液设计能减少冷却表面的制冷剂浸没，这使得制冷剂蒸发份额明显增大，相应地提高了临界热流密度。此外，表面粗糙度[12]、重力角度和喷雾距离[18]等均对传热有不同程度的影响。

目前，喷雾冷却在临界热流密度、影响因素等方面的研究取得较大的进展，但在以制冷剂闭式喷雾冷却系统中的研究结果存在部分争议。在实际应用中，以制冷剂为工质的闭式喷雾冷却为了确保冷却系统安全可靠地运行，往往在核态沸腾转折点之前以稳态工况运行。因此，本文搭建以R134a 为工质的闭式喷雾冷却实验台，进一步研究稳态工况下制冷剂流量、过冷度、充注量等因素对表面传热性能的影响，揭示其作用机理，为喷雾冷却技术的工程应用提供理论及数据支撑。

1 实验系统原理

本文中的闭式循环喷雾冷却系统如图1所示，主要由喷雾腔、加热系统、供液系统、测控系统组成。运行原理为:气态制冷剂从气液分离器流出，经压缩机压缩后进入预冷器进行初步冷却，随后进入冷凝器冷凝至过冷液态；过冷制冷剂流过流量计后，由喷嘴喷射至实验段顶部表面；雾化良好的制冷剂液滴冲击实验段表面去除大量的热；换热后的制冷剂流入预冷器升温，以确保管内制冷剂为气态；气态制冷剂流经水冷器以使制冷剂温度达到压缩机入口温度要求；最后制冷剂回到气液分离器中，完成一次循环。

图1 闭式循环喷雾冷却实验系统Fig.1 Closed-loop spray cooling experimental system

图2所示为加热系统的热源结构。实验段为纯铜材质，表面直径为24 mm。在距离实验段表面16.5 mm、24.5 mm、32.5 mm、40.5 mm 的中心放置K型热电偶，从上至下依次为T1、T2、T3、T4。热源加热功率由智能参数测量仪(PW9901)控制，本实验加热功率范围为350～600 W。另外，喷嘴由美国斯普瑞公司生产，型号为1/8GG-SS3002.5。

2 数据处理与误差分析

2.1 数据处理方法

实验段热源圆柱的长度方向包覆岩棉绝热保温层，热量仅沿实验段轴向传递，因此实验段逐步降温的过程遵循一维导热规律[16]。将傅里叶导热定律简化后，得到稳态下一维导热热流密度计算公式:

式中:q为实验段轴向热流密度，W/m2；λ为纯铜导热系数，W/(m·℃)。

其中，沿实验段轴向的温度梯度为:

图2 热源结构Fig.2 Structure of heat source

式中:Tn为热电偶测点温度，℃；xn为热电偶距实验段表面距离，m。

由于实验段轴向温度分布呈一维特性，则实验段表面温度为:

闭式喷雾实验中，腔内压力下的饱和温度基本等于腔内温度。将实验段表面的对流边界条件与热流密度边界条件耦合，得到实验段表面传热系数:

式中:Tc为喷雾腔内温度，℃。

在对流及沸腾传热过程中，喷雾冷却传热性能可由无量纲数雷诺数Re、韦伯数We、雅各布数Ja反映，相关的定义式如下:

式中:ρ为密度，kg/m3；Gv为体积流量，L/min；D为实验段当量直径，m；μ为动力黏度，Pa·s；cp为比热容，J/(kg·℃)；u0为喷雾液滴速度，m/s；d32为液滴索特平均直径，m；Tc为腔内温度，℃；Tsat为制冷剂饱和温度，℃；γlh为制冷剂汽化潜热值，kJ/kg。

2.2 误差分析

根据误差传递公式[15]，实验中热流密度、加热表面温度、表面传热系数的不确定度分别为±5.6 %、±2.9 %和±5.4 %。

表1 测量参数及精度Tab.1 Measurement data and accuracy of devices

3 结果与讨论

为研究喷雾冷却传热的影响因素及传热规律，在一定流量、过冷度及制冷剂充注量下，多次调节加热功率，进行稳态实验。

3.1 流量对传热过程的影响

在充注量为0.95 kg、无过冷度条件下，研究各加热功率下流量变化对喷雾换热性能的影响。由图3、图4 可知，表面传热系数随流量增大而逐渐增大，表面温度随流量增大而逐渐降低。

图3 表面传热系数随流量变化Fig.3 Variations of heat transfer coefficient with different flowrate

图4 表面温度随流量变化Fig.4 Variations of surface temperature with different flowrate

在热流密度较低时，流量增大显著地促进了表面对流换热强度。因此表面传热系数有较明显的提高，表面温度也随之下降。在高热流密度下，表面换热系数增幅较小，表面温度下降有限。流量从0.20 L/min增至0.25 L/min，在高热流密度(84.02 ～ 105.25 W/cm2)下表面传热系数平均提升4.2 %，在低热流密度(45.93～72.55 W/cm2)下表面传热系数平均提升5.6 %。

3.2 过冷度对传热过程的影响

在制冷剂流量为0.184 L/min、充注量为0.95 kg条件下，研究不同加热功率下过冷度变化对喷雾冷却换热性能的影响。由图5、图6 可知，相比较高的热流密度，在低热流密度时表面传热系数提升较大；表面温度随过冷度提高而有所降低，但在高热流密度下过冷度增大导致表面温度升高。过冷度从5 ℃增至8 ℃，高热流密度下表面传热系数平均提升0.9 %，低热流密度下平均提升2.0 %。

图5 表面传热系数随过冷度变化Fig.5 Variations of heat transfer coefficient with different subcooling degree

图6 表面温度随过冷度变化Fig.6 Variations of surface temperature with different subcooling degree

对以上结果进一步分析，低热流密度下，随着过冷度的增大，表面传热系数逐渐增大，但增幅逐渐变缓；高热流密度下，随着过冷度的增大，表面传热系数呈先增大再减小的趋势。这是由于热流密度较低时，系统的蒸发压力较低，且系统饱和温度受过冷度的影响较小，制冷剂经喷嘴节流后，状态点处于两相区。此时，喷射向热源表面的制冷剂混有一定量的闪发蒸气，闪发蒸气在一定程度上会阻碍换热，而增大过冷度，使得节流后的状态点向饱和液体点靠近，减少了闪发蒸气量，提升了换热能力，使得传热系数增大；但是随着热流密度的增大，系统的蒸发压力逐渐提高，随着过冷度的增大，节流后的状态点从两相区逐渐过渡到液相区，制冷剂从液相区开始蒸发，沸腾换热的份额降低，相应的表面传热系数也会减小。由于不同热流密度下换热方式的改变导致显热与潜热份额比例发生变化，所以不同研究人员对过冷度的影响存在争议。

综上所述，在同一热流密度下，当过冷度足够大时，随着过冷度的增大，表面传热系数均会呈现先增大再减小的趋势。但从数值上来说，提高过冷度对喷雾相变冷却传热性能的增强效果极其有限。

3.3 制冷剂充注量对传热过程的影响

实验通过改变制冷剂充注量来研究喷雾换热性能的变化。腔内压力随充注量增加显著增大，随流量和过冷度的变化无明显变化，因此仅在充注量改变时分析无量纲数对传热性能的影响。

由图7 可知，随着充注量增加，表面传热系数先有较大幅度的提升而后趋于稳定。相比较低的热流密度，较高热流密度下的表面传热系数随充注量增加提升幅度更大。当充注量从0.95 kg 增至1.25 kg，高热流密度下表面传热系数平均提升11.2 %，低热流密度下平均仅提升4.9 %。

图7 表面传热系数随充注量变化Fig.7 Variations of heat transfer coefficient with different charge

由图8 可知，表面温度随着换热系数的提高出现明显上升。这是由于在闭式喷雾系统中，制冷剂充注量提高使得喷雾制冷循环曲线上移，冷凝温度提高，进而导致喷嘴出口温度上升。相比较低的热流密度，高热流密度下表面沸腾换热较强，表面温度上升得到控制。

图8 表面温度随充注量变化Fig.8 Variations of surface temperature with different charge

图9、图10、图11所示分别为喷雾冷却无量纲参数Re数、We数和Ja数随充注量的变化曲线。由图9、图10 可知，随着制冷剂充注量的增加，Re数和We数均先明显增大而后增幅有所放缓。由图11 可知，Ja数随着充注量增加大幅降低，并且随着热流密度提高也略微减小。

图9 Re 随充注量变化Fig.9 Variations of Re with different charge

图10 We 随充注量变化Fig.10 Variations of We with different charge

综合图7～图11 分析，当处于较低的热流密度时，表面以对流换热方式为主。充注量增加引起制冷剂流量增大、喷雾雾化效果增强；同时Ja数减小，核态沸腾受抑制进一步使传热向对流方式转变。因此，表面传热系数的变化趋势几乎正比于Re数与We数。较高热流密度下，充注量从0.95 增至1.05 kg，Ja数降低的负面影响很小，而表面核态沸腾强度明显增大。这使得表面传热系数明显增大，相应的表面温度有所下降。当充注量继续增加时，Ja数进一步减小使得核态沸腾受抑制，由于此时流量增大和雾化效果较好，两者的共同作用使得表面传热系数进一步提高，但增幅受限制。

图11 Ja 随充注量变化Fig.11 Variations of Ja with different charge

本实验中，制冷剂充注量为1.05 kg 左右时，充注量增加对表面换热性能的促进作用达到最大，表面传热系数比充注量为0.95 kg 时有较明显提高，且此时表面温度也被控制在较低的水平。因此对于闭式喷雾冷却系统，存在最佳制冷剂充注量使得换热性能处于较高水平。

4 结论

本文以R134a 为工质进行了闭式喷雾冷却传热实验，研究了制冷剂流量、过冷度及制冷剂充注量对表面换热性能的影响。得到结论如下:

1)增大制冷剂流量能够有效提升喷雾冷却的传热性能，且低热流密度下提升效果更佳；

2)提高过冷度对表面传热系数的提升作用有限。过冷度从5 ℃增至8 ℃，低热流密度时表面传热系数提升2.0 %，高热流密度时仅提升0.9 %；

3)增大制冷剂充注量，表面传热系数先大幅提升后趋于稳定。当充注量从0.95 kg 增至1.25 kg，高热流密度时传热系数提升11.2 %，低热流密度时提升4.9 %；

4)存在一个最佳制冷剂充注量使闭式喷雾冷却系统传热性能达到最佳，本文实验条件下最佳充注量约为1.05 kg。