超声场下微细通道内R141b流动沸腾压降特性研究

罗小平 刘 倩 喻 葭 廖政标

(华南理工大学机械与汽车工程学院, 广州 510640)

0 引言

随着微电子机械的迅速发展，微细通道换热器以其结构紧凑、轻巧、高效等特点广泛应用于航空航天、现代医疗、能源与环境等领域[1-2]，在农产品干燥、农业电子设备冷却等方面也有应用，如用于太阳能电池冷却[3]和热泵空调[4]等。微细通道换热器存在尺度效应、表面效应等问题，换热器尺寸的微小化使系统的阻力增大、压降增大、能耗增加，最终导致经济性降低[5-6]。超声波在农业领域应用广泛[7-9]，作为一种有源强化技术，超声波强化传热具有操作简单、可控性强等特点[10]。超声波在液体中传播时会产生声空化、声流效应和热效应[11]，可进一步提高设备的换热性能，因此将超声波作用于微细通道换热器可以改善其传热性能。

目前，国内外许多学者进行了有关流动沸腾压降特性的研究，一些学者进一步就超声波对沸腾传热和压降的影响进行了研究[12-15]。BARTOLI等[16]通过改变工质过冷度、超声波功率等参数研究了超声波对过冷沸腾的影响，发现超声波可使传热系数最大增加57%。李长达等[17]以去离子水为工质研究了超声波对池沸腾换热的影响，发现超声功率越大、作用距离越短，沸腾传热强化效果越好。段希利等[18]研究了超声波作用下换热器的压降特性，发现超声波功率越大，换热器的压降越小，50 W和100 W超声相比无超声作用时压降分别降低了20%和30%。AMIRI等[19-20]研究发现，超声振动对圆管湍流的强化传热效果较差，随着雷诺数和进口温度增大，超声波对压降和传热强化的影响减弱；随后以不同浓度纳米流体为介质，通过改变超声波功率、工质流速等工况，探究超声波对换热器传热及压降特性的影响，发现超声振动能降低纳米流体对压降的负面影响，在低雷诺数条件下对压降的影响更显著。以上研究主要关注超声波对过冷沸腾、池沸腾传热性能及常规尺度换热器传热及压降特性的影响，而关于超声波对微细尺度换热器流动沸腾压降特性影响的研究较少。传热特性和压降特性是换热器设计中的两个重要因素，其中压降特性直接影响设备的安全性能，且微细通道流动沸腾的压降特性更为复杂。本文以制冷剂R141b为实验工质，在截面尺寸为2 mm×2 mm的矩形微细通道内进行流动沸腾实验，研究超声波作用下微细通道内R141b的流动沸腾压降特性，以期为超声波在微通道换热器中的运用提供参考。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，包括外部注液装置、回路系统、实验段以及数据采集系统4部分。外部注液装置主要由储液罐、液位计组成；实验工质由不锈钢磁力泵驱动进入回路系统，经节流阀分为两条支路：一部分工质通过主回路系统依次流经涡轮流量计、预热水箱、实验段、冷却水箱后流回储液罐；另一部分经过旁路调节阀直接回到储液罐；主旁路调节阀共同作用控制实验工质的流量，过滤器可以防止杂质堵塞槽道。涡轮流量计用于测量实验段入口的工质流量，预热水箱可通过恒温控制仪调节使进入实验段的工质温度达到设定值。

实验段主要由底座、加热板、换能器组件、微细通道热沉、密封垫圈、可视化玻璃和聚四氟乙烯盖板装配而成，结构如图2所示。底座上设有测温孔及测压孔，换能器组件由超声波换能器和振动板连接而成，安装于实验段进口。微细通道热沉总长L为220 mm，总宽W为100 mm，总高H为15 mm，包含14条矩形截面细通道，单条通道宽度Wch为2 mm，高度Hch为2 mm，通道间距Ww为5 mm，单条微细通道截面简图如图3所示。

实验通过安捷伦34970A数据采集模块对所测量的温度和压力信号进行采集，并将其转换为标准信号传输至工控机。此外，实验设备还包括1台高速摄影仪，用于拍摄和记录微细通道内实验工质流动沸腾情况以进行可视化分析。

1.2 热平衡分析

为保证实验数据有效，避免热损失过大对实验结果产生干扰，在实验开始前进行热平衡分析。文献[21-22]在流动沸腾实验之前采用单相强制对流的方式评估实验系统的热损失状况，本实验采用同样方法。监测实验段进出口工质温度和压力，确保工质在微细通道内进行单相流动，单相流动稳定后采集数据，保持质量流率和进口温度不变，改变加热功率重复实验，热效率φ计算式为

(1)

式中Qtot——加热板实际总传热量，W

M——实验段进口质量流量，kg/s

cp,l——R141b的液相定压比热容，kJ/(kg·K)

Tout——微细通道出口温度，℃

Tin——微细通道进口温度，℃

热平衡实验结果如图4所示。由图4可知，热效率φ在80.46%～89.56%之间，计算得本实验平均热效率为85.16%。由于实验设备外层的隔热棉起到保温作用，热损失量趋于恒定，热效率随热流密度增大而增大，而在两相流动沸腾实验中，设热流密度q为10～24 kW/m2，大于单相热平衡实验所设计的最大热流密度，故认为该热效率可用于计算热流密度。实验中超声波功率为12.5～50 W，频率为23～40 kHz，不考虑换能器对实验系统的热量输入。

%

2 实验数据处理

2.1 质量流率

根据工质在实验段进口的体积流量V计算单条微细通道的质量流率G，计算式为

(2)

式中ρl——实验工质液相密度，kg/m3

V——微细通道进口的体积流量，L/h

Nch——微细通道热沉中通道总数

2.2 热流密度

实验过程中不可避免地存在热损失，利用热平衡实验得到的热效率计算热流密度qeff，计算式为

(3)

式中S——加热板面积，m2

2.3 两相段长度

实验中微细通道竖直放置，流动沸腾过程中，通道入口的工质有一定的过冷度，流经微细通道不断吸收热量，通道出口时工质呈气液两相，以干度χe=0的点为界可将微细通道内工质的流动沸腾分为两部分：上游单相液体对流传热区、下游气液两相流动沸腾区，如图5所示。单相段长度Lsp、两相段长度Ltp可根据热量平衡计算[23]，计算式为

(4)

Ltp=L-Lsp

(5)

式中Tsat——实验工质饱和温度，℃

2.4 总压降及两相摩擦压降

实验段总压降Δptot包括进口突缩压降Δpc、单相流动压降Δpsp、两相流动压降Δptp和出口突扩压降Δpe，计算式为

Δptot=pin-pout=Δpc+Δpsp+Δptp+Δpe

(6)

式中pin——实验段进口压力，kPa

pout——实验段出口压力，kPa

进口突缩压降Δpc和出口突扩压降Δpe计算式为[24]

(7)

(8)

其中

σc=σe

式中σc——截面突缩面积比

σe——截面突扩面积比

ρg——工质气相密度，kg/m3

χe,in、χe,out——工质进、出口热力平衡干度

Cc——收缩系数

微细通道单相流动压降Δpsp包括单相流动摩擦压降Δpsp,f和单相流动重力压降Δpsp,g，计算式为[25]

(9)

式中Dh——单条微细通道水力直径

fsp——单相摩擦因数

g——重力加速度，m/s2

微细通道两相流动压力损失Δptp包括两相重力压降Δptp,g、两相加速压降Δptp,a和两相摩擦压降损失Δptp,f，Δptp,g和Δptp,a计算式为[23]

(10)

(11)

式中αout——微细通道出口空泡率[26]

综上可得微细通道两相摩擦压降Δptp,f为

Δptp,f=Δptot-Δpsp,f-Δpsp,g-Δptp,g-Δptp,a-Δpc-Δpe

(12)

(13)

2.5 实验误差分析

实验数据不可避免地存在一定误差，本实验误差主要来源是读数误差、外部环境误差以及仪器测量误差。多次测量数据取平均值可减小读数误差，利用热效率φ求取热流密度qeff可减小外部环境误差对实验的影响。仪器测量误差包括直接测量误差和间接测量误差，直接测量误差可以根据仪器属性及实验测量数据求得，间接测量误差可由误差传递公式计算[27]，即

(14)

式中 ΔR——间接参数R的不确定度

Ji——与间接参数R相关的独立变量

ΔJi——独立变量Ji的不确定度

主要参数不确定度如表1所示。

表1 主要参数的不确定度

Tab.1 Uncertainties of main physical parameters

3 实验结果与分析

3.1 有无超声情况下沿程压力特性对比

为获得微细通道沿程压力的变化规律，在距微细通道入口44、88、132、176 mm处设置了4处测压孔(测点1～4)，设置系统压力为152 kPa，工质入口温度为35℃，以液态进入微细通道，研究不同工况下的沿程压力特性。图6为不同热流密度和质量流率条件下微细通道沿程测点压力分布情况。由图6可知，进出口总压降随着热流密度和质量流率的增大而增大，各工况下的出口压力均近似于152 kPa，说明工质在出口位置均达到了饱和沸腾状态；图6a中，热流密度为10.01、15.51、21.62 kW/m2时沿程压力曲线分别在测点3、测点2及测点1发生转折，由式(4)计算3种热流密度条件下单相段长度分别为131.5、84.8、60.9 mm，说明随着热流密度增大单相段长度减小，两相段长度增大，工质在两相段流动时，从壁面脱离的汽泡增加，凝缩的汽泡数量减少，通道内的流型可能发生变化，故而压力曲线发生转折，热流密度越大，流型转换的位置更靠近入口。图6b中3条曲线也存在明显转折，计算得59.32、88.98、118.64 kg/(m2·s)3种质量流率下单相段长度分别为78.1、117.2、156.3 mm，说明质量流率增大使得单相段长度增大，两相段长度减小，两相段内流型的转换也推迟。不同工况下单相段及两相段长度如图7所示。

在有无超声条件下在微细通道中开展流动沸腾实验，超声波频率f=40 kHz、功率Pw=50 W。图8为有无超声作用下微细通道沿程测点压力分布情况。超声作用时的进口压力略微小于无超声时的进口压力，出口压力相同，表明施加超声波使得总压降减小；2种情况下曲线转折点位置相同，通道内流型转变可能发生在测点2和测点3之间，说明超声波对气液两相段长度影响不大，且转折点之前沿程测点压力分布曲线的斜率相差不大，表明超声波在单相段对压降的影响不显著，主要是影响两相段压降。

3.2 有无超声情况下微细通道压降对比

本实验微细通道总压降主要包括摩擦压降Δpf、重力压降Δpg、进出口突缩突扩压降Δpc+Δpe、两相加速度压降Δpa，其中摩擦压降由单相摩擦压降与两相摩擦压降构成，重力压降由单相及两相重力压降构成。为探究超声波对各压降分量的影响，分别在有无超声作用方式下以制冷剂R141b为工质在微细通道内进行流动沸腾实验。实验中超声波频率f为40 kHz，功率Pw为50 W，热流密度为15.51～21.62 kW/m2。由图9可知，有无超声两种情况下微细通道内各压降分量均以摩擦压降所占比例最大，为60.27%～76.07%，随后依次为重力压降、加速度压降和进出口突缩突扩压降。相比于无超声作用，超声作用通道内的摩擦压降减小约8.76%。微细通道内两相摩擦压降是影响流动沸腾总压降的主要原因，现就各参数对单位长度两相摩擦压降的影响进行分析。

图10表明随热流密度、质量流率增大，有无超声作用下微细通道内单位长度两相摩擦压降呈现增长趋势。热流密度的增大会使得通道内含气率增大，汽泡运动速度增大，两相摩擦作用加剧，因此单位长度两相摩擦压降呈现增大趋势。质量流率增大使得流体与通道壁面相对速度越大，两相摩擦压降也越大，两相段长度变短，单位长度两相摩擦压降增大。在同一工况下，超声作用下单位长度两相摩擦压降较无超声作用时小。

如图10a所示，质量流率为118.64 kg/(m2·s)，热流密度为17.03 kW/m2时，施加超声波使得单位长度两相摩擦压降降低12.7%。超声波通过空化作用及声流效应影响沸腾传热，其中空化为微观作用，声流属于宏观作用[28]。空化作用会引起湍动效应和微扰效应，促使加热面附近产生空化汽泡。声流效应则会增加加热表面附近流体的扰动[29]。这两种效应使得通道中汽泡尺寸减小，液体、壁面和汽泡之间的摩擦减小，因此单位长度两相摩擦压降降低。由图10b可知，随质量流率增大，有无超声条件下的单位长度两相摩擦压降相差不大，其原因是质量流率增大，两相段长度减小，超声波对压降的影响减弱。

3.3 超声场对单位长度两相摩擦压降的影响

超声波功率及频率会影响其空化效应，进而对单位长度两相摩擦压降产生不同程度的影响。图11a中，同一热流密度下，单位长度两相摩擦压降随超声功率增大而增大。热流密度为18.56 kW/m2、超声频率为40 Hz、质量流率为118.64 kg/(m2·s)条件下，50 W超声波较12.5、25、37.5 W超声作用下单位长度两相摩擦压降分别增大36.15%、24.42%、5.49%。超声波功率直接影响超声波在工质中的传播能量，一方面，根据声压幅值与超声功率密度的关系，pA=(2ρcI)0.5(pA为声压幅值，c为反应体系声速，I为超声功率密度)，超声发射面积一定时，超声功率增大，声压幅值亦增大，在正负相区汽泡受到超声波的拉伸和压缩作用更加强烈，通道内汽泡运动更加剧烈，两相摩擦作用加剧；另一方面声空化效应影响空化汽泡成长及溃灭，所产生的声压会使汽泡间存在相互作用力，即次级Bjerknes力FB[30]，表达式为

(15)

式中d——两汽泡之间的距离

V1、V2——两汽泡的体积

半径不同的汽泡间的作用力随时间的变化引力和斥力交替出现，在本实验的微细通道中，汽泡大小各异，汽泡受到引力斥力的交替作用，随功率增大，空化汽泡的体积增大，汽泡之间相互力作用越强，通道内气液两相紊乱程度增大，从而导致单位长度两相摩擦压降随之增大。

图11b表明超声波功率为50 W时，同一热流密度下，超声波频率越大，单位长度两相摩擦压降越小。热流密度为18.56 kW/m2时，40 kHz超声相比32、28、23 kHz超声作用下单位长度两相摩擦压降分别减小9.64%、16.86%、23.85%。超声波频率增大使得空化周期缩短，空化汽泡的膨胀时间变短，使得空化核心还未增长到一定半径便进入超声负相区受到压缩作用，而在负相区的压缩时间也变短，导致空化汽泡来不及发生崩溃，通道内汽泡尺寸较小[31]，从而导致汽泡之间的运动相对缓和，单位长度两相摩擦压降减小。在低热流密度10.01～18.56 kW/m2阶段，超声波功率越小、频率越大，减阻效果越显著；在高热流密度阶段，各工况下压降相差不大，超声参数对压降的影响差异减小，其原因是热流密度越大，微细通道内沸腾更加剧烈，汽泡数量大幅增加，气液界面的增加阻碍超声波传播至加热面，空化作用减弱[32-33]。

3.4 可视化分析

在气液两相流中，流型对传热与流动影响巨大，两相流压降与微细通道内的流型密切相关[34]，流型的变化往往会引发流阻的改变，气相份额越大，两相流压降相应增大。为了更加直观地了解微细通道内实验工质沸腾时汽泡的运动及流型的变化情况，借助高速摄像仪研究有无超声作用下微细通道内流体流动状态以探讨超声波对微细通道内流型及汽泡运动行为的影响机理。图12为热流密度为15.51 kW/m2、质量流率为118.64 kg/(m2·s)、进口温度为35℃时有无超声作用下单条通道内典型区域的高速视频图像，每组相邻图像摄像间隔时间为2.879 ms。

上游段两种通道内加热面的汽化核心处均产生汽泡，汽泡逐渐长大到一定程度后，失去稳定而脱离受热面进入主流区。对比两种通道内的高速视频图像发现，在沸腾起始阶段，无超声作用的通道内汽泡数量较少，随着工质流动，部分小汽泡逐渐汇聚成较大的汽泡；超声作用时，通道底部汽泡数量也较少，随工质流动汽泡数量有所增加且汽泡尺寸较无超声通道的小，说明超声波使得汽泡沸腾阶段的汽泡数量增加，尺寸减小，比较上游段两通道内的汽泡数量，超声作用通道内的汽泡数量约为无超声作用通道的1.5倍，其原因是超声波在介质中传播发生的空化效应能促进加热面附近产生部分气化核心进而发展形成小汽泡，汽泡在超声波正负相区膨胀、收缩，周期性地生长和溃灭从而增加扰流作用，使汽泡脱离频率加快，脱离直径减小。此时上游段有无超声作用的微细通道内流型均为泡状流。保持其他工况相同，比较有无超声作用下微细通道某一相近位置汽泡的运动轨迹，由第1帧(0 ms)到第5帧(11.516 ms)图像可发现超声作用下通道内汽泡运动速度更快，这是由于超声波使得通道内汽泡尺寸变小，小汽泡与主流流体的跟随性较强，与主流液体的滑移速度较小；无超声时，汽泡尺寸较大，跟随性较差。

工质流动至下游段时，两种微细通道内小汽泡成分明显减少。无超声作用的微细通道内，汽泡不断长大并迅速与周围相邻汽泡合并形成大汽泡，微细通道对合并后的汽泡在直径方向的生长产生限制作用，汽泡因此产生变形、拉长，形成弹状汽泡(如下游段无超声作用通道底端所示)，合并后的汽泡不断再次合并、拉长，形成较长弹状汽泡(如下游段无超声作用通道上端所示)，因此无超声作用时下游通道内流型主要为拉长弹状流。超声作用通道下游段汽泡数量、尺寸都有所增加，气液界面增加，因此阻碍超声波传播至加热面，且下游段距离换能器较远，空化效应减弱，难以产生空化核心，通道内几乎没有出现上游段的空化汽泡，此时声流作用为主要影响机理，使得大小不同、形状各异的汽泡弥散地分布在连续的液相内形成泡状流，随着工质流动，部分汽泡合并成较短弹状汽泡，此时通道内流型以泡状流和受限弹状流为主。经过测量及计算，高速视频图像中下游段典型区域无超声及进口超声通道内最长弹状汽泡的平均当量直径分别为23.61、6.65 mm，微细通道内存在拉长弹状汽泡往往会引起压降增大，而汽泡较短时，流体流速较慢，两相摩擦压降较小[35]，这与本文在超声作用下微细通道内摩擦压降较小的实验结果一致。

4 结论

(1)在实验工况下，超声波主要影响两相段流动沸腾的压降。超声波对微细通道内流动沸腾压降具有一定减弱作用，当质量流率为118.64 kg/(m2·s)、热流密度为17.03 kW/m2时，在实验段进口处施加40 kHz、50 W的超声波可使单位长度两相摩擦压降减小12.70%。

(2)在相同热流密度条件下，单位长度两相摩擦压降随超声波功率增大而增大，随超声频率增大而减小，质量流率为118.64 kg/(m2·s)、热流密度为18.56 kW/m2时，50 W较12.5 W超声波作用下单位长度两相摩擦压降增大36.15%，40 kHz相比23 kHz超声波作用下单位长度两相摩擦压降减小23.85%。超声波对压降的影响程度与热流密度有关，在热流密度10.01～18.56 kW/m2范围内，随着超声波功率减小、频率增大，压降减小效果更加显著，在高热流密度条件下超声波参数对单位长度摩擦压降的影响差异较小。为降低微细通道内的流动沸腾压降，可适当采用功率较小、频率较高的超声波。

(3)施加超声波可使通道内汽泡数量增加、尺寸减小，泡状沸腾段典型区域超声作用通道内汽泡数量约为无超声作用通道的1.5倍；工质出口段无超声作用通道流型为拉长弹状流，超声作用通道流型为泡状流及受限弹状流，两种通道内最长弹状汽泡平均当量直径分别为23.61、6.65 mm。超声波在核态沸腾阶段可通过空化效应及声流作用促进汽泡形成、加快汽泡脱离频率，在剧烈沸腾阶段气液界面增加会阻碍超声波的传播，导致空化效应减弱。