氨噴霧相變冷卻傳熱特性研究.pdf

1、噴霧相變冷卻作為高效的強(qiáng)化換熱方式，通過(guò)噴嘴或噴嘴陣列將冷卻工質(zhì)破碎成大量粒徑介于幾十至幾百微米的微小液滴以高速?zèng)_擊換熱面形成薄液膜，依靠介質(zhì)相變蒸發(fā)帶走大量熱量的一種相變冷卻技術(shù)。其具有換熱性能強(qiáng)、熱流密度大、工質(zhì)需求量少、冷卻均勻等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是大功率固態(tài)激光器及集成電路元件最有效、最有前景的冷卻方式。尤其在航天航空、激光技術(shù)以及國(guó)防工業(yè)這些具有高熱流密度散熱需求的前沿技術(shù)領(lǐng)域中逐漸成為不可缺少的冷卻手段，尤其對(duì)當(dāng)前高功率激光器

2、陣列散熱條件的苛刻要求，噴霧相變冷卻不僅能滿足冷卻表面溫度低，而且溫度分布均勻性要好。噴霧相變冷卻過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的能質(zhì)傳輸過(guò)程，對(duì)傳熱機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。本文主要針對(duì)高熱流密度大功率固體激光器二極管陣列的散熱需求，搭建噴霧相變冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)段采用壓力式雙噴嘴陣列和氣助式單噴嘴，以液氨作為冷卻工質(zhì)，氮?dú)庾鳛檩o助氣體，對(duì)25mm×12mm的冷卻熱表面進(jìn)行噴霧相變冷卻實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)搭建了包括單液式回路和氣、液兩相回路的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)

3、加工了加熱棒加熱器和薄膜電阻加熱器作為模擬熱源。采用換熱面積內(nèi)接于噴霧底面圓條件下，噴嘴口與換熱面的垂直距離作為各工況下的噴淋高度，分析了不同噴淋流量下冷卻表面?zhèn)鳠崽匦砸约皽囟确植家?guī)律；通過(guò)調(diào)節(jié)背壓閥改變噴淋室壓力，重點(diǎn)研究了在高熱流密度散熱需求下，不同液氨飽和蒸發(fā)壓力下的噴霧相變冷卻傳熱特性；以及在較高相變冷卻飽和蒸發(fā)壓力，進(jìn)口流量對(duì)噴霧冷卻傳熱特性的影響，并與常壓條件下進(jìn)行對(duì)比分析；進(jìn)一步研究了不同結(jié)構(gòu)的微小槽道對(duì)噴霧相變冷卻的傳熱

4、特性的影響，分析了不同流量、飽和蒸發(fā)壓力和不同微槽結(jié)構(gòu)表面的對(duì)噴霧換熱性能的影響，并與光滑表面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析。最后分析了氣助式單噴嘴的霧化特性；當(dāng)氣相壓力、流量一定時(shí)，研究了通過(guò)改變液相流量從而改變氣液配比對(duì)氨噴霧相變冷卻傳熱特性的影響，并與壓力式單噴嘴實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，并研究了微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化對(duì)傳熱性能的影響。
　　通過(guò)本文的研究所取得的主要研究成果如下：
　?、僭O(shè)計(jì)搭建了液氨作為冷卻工質(zhì)、氮?dú)庾鳛檩o助氣體，包括單液相和氣液

5、兩相回路的噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和加工了滿足高熱流密度實(shí)驗(yàn)要求的兩種模擬熱源，即薄膜鉑電阻加熱器和加熱棒加熱器。
　?、谠诟淖冎评鋭┝髁慷鴮?shí)驗(yàn)其它工況不變的條件下，當(dāng)流量較大時(shí)，熱傳遞的形式主要以強(qiáng)迫對(duì)流換熱為主，溫度低且分布均勻；隨著流量減小，換熱形式由強(qiáng)迫對(duì)流換熱逐漸過(guò)渡到以沸騰換熱為主的形式，熱表面溫度分布均勻性降低。
　?、垭S著液氨飽和蒸發(fā)壓力增大，液氨汽化潛熱降低有利于噴霧相變?cè)谳^低熱流密度下由單相強(qiáng)制對(duì)流換熱向核

6、態(tài)沸騰換熱轉(zhuǎn)變；在同一熱流密度下，隨著液氨飽和壓力增加，熱表面溫度升高，過(guò)熱度降低，換熱系數(shù)增大，冷卻能力得到大幅度提高。
　?、芫S持較高的飽和蒸發(fā)壓力有利于傳熱系數(shù)提高，過(guò)熱度降低；在流量較低時(shí)，有利于傳熱形式更早的進(jìn)入核態(tài)沸騰換，在同一流量下，換熱系數(shù)比常壓條件下提高了51％。
　?、菝?xì)微槽結(jié)構(gòu)表面與光滑表面在同一工況條件下相比，能明顯增強(qiáng)換熱效果，噴嘴進(jìn)口流量、飽和蒸發(fā)壓力、微槽結(jié)構(gòu)尺寸等因素對(duì)換熱特性影響較大。