喷雾相变冷却国内外研究现.doc

喷雾相变冷却国 内外研究现状国内外广大学昂对喷雾相变冷却技术进行了研究.并获取了大fit的研究成果 和理论基础•同时应用也非常广泛.但喷雾相变冷却过程是-个极其复杂的能质 传输过程・各簽数之间耦合作用机制决定换热性能的优劣，人们对换热机理和形 响因素还没有形成完全的认识.11潞对喷雾相变冷却的的研究匕耍以实验研究为同时也存在理论樓型和数值模拟研究.F面上要针对喷雾冷却换热形响因素、 换热机理、不凝性气体辅助雾化、表而强化进行概述"1.3.1喷雾相变冷却换热特性影响因素在喷雾相变冷却换热过程中•増响换热性能的1：要因素包括冷却介质的种类、 冷却介质的热物性（粘度、密度、表面张力、汽化潜热、比热容、过冷度等）、喷 嘴的类唯、喷嘴的劣化特性（液漁牠代、速度、狼粒数、劣化角度等人喷嘴与换 热而的相对位置、喷淋高度、喷嘴进口流fit、喷嘴进口压力、饱和蒸发床力邨./I目湘喷雾相变冷却过程中】浪选用的冷却介质有水、甲ft7.R134a.FC 72、 FC—36、PF 5050、液氨等・Yang等人〔纲采用水作为拎却介质.通过喷辑相变 冷却实鹽研究,换热农而热流密度可达1000W/cm\研究者通过实验研究发现. fi喷雾相变冷却过師I采用篠檢类化合tt （FC-87, FC-Xm—m：；. 换热汲而临界热流密度分别可达90W/cm\490W/cnV和160 WcinI44，l County 等人选用PF-5060作为冷却介质.对徽權追表面进行喷雾相变冷却实胶研究・ 购农而冷却热流密度可达120W/cm2・热祓面冷却温度为70 J在喷雾相变冷却 过卅中选用纯液氮作为冷却介质的研究较少.左2D0B年,Rini等人阿采用饨液氮 作为冷却工质•研究了不同涂层结构表iHi对啖雾换热转性的影响"喷雾相变冷却的换热待性与喷嘴进口流At以及换热S面的方向密切相关.研 究农明当斥差•定时.増大喷嘴进口iOt.能增加换热液滴数M.使喷雾相变冷 却换热效県握升呻呦.Ester and Mudnvar等人⑷实宇;、说朋厂iiffi.葩流密度 较髙时，换热主耍以单相强制对流换热为主向核态沸聘换轴过渡延缓.换热效率 较低-在喷•雾液滴至力作用下.换热表面与喷嘴的相对位牝使冷却介质在热表衣 向的分布发生变化•从而对换热持性也会产生较大形响.Hsieh :?人的实验发现 当喷嘴竖点布置时・热衣面垂直喷嘴中线水T布置逹渐转向垂宜方向的过程中, 换热恃性莎若换热面与水半面夹角的逐渐增加而降低"啮维仲等人阿进行了单液滴播击热茨面实瓶利用高速摄彩进行拍《L并用 数字图像对拍摄结果进行T处^.FnmcoiJ等人种】数值横拟 3液滴摘击恒iH表血 的液滿形状变化与换葩进行了数值模拟.结果義明在液滴撞击发袪面的初期热流 密度很烏.Cliow（S01研究认为液滴速度対换热特性形响较人.肚次她液滴数.液滴 、“对换热特性形响不明显I Mudwar等人叫究左明体积通量抱形响换热特竹的 1淒因索•广大学者认为「•质热物tt对换热n能的形响足通过过冷度來形响的. 换热n能随过冷度的增大而増强阿.研究&明喷嘴儿何翁数对换热性能的形响 !•耍表现裡喷嘴与热表山i之间的距离.为喷嘴垂直喷射时，喷雾底圆与换热而外 岡相切时换热性能加好;研究喷嘴蚀斜角对换热性能形响的文章较少.it e耍研 了喷淋高度不变时惻斜角变化对换热特竹的妙响.Sclwaizkopf 9人阿采用 PF36D作兀.冷却I•质.维持喷淋高度为14 mm不变,倾角。

\ 0* -60 Z间 变化.实验表明喷射角度9<40*时，临界热派密度（CHF）呈本不变，当喷射角度0A4D•时,临界ISiS密度(CHF) ■ 加急剧碱小・Eiic :?A允丧明维持 喷淋高”不变•选用2x2 列，当或射角度0=15*时换热特性最好：在喷雾冷却中采用多喷嘴阵列.在冷却换热我面会存在細区.在滯止区大ft冷却介质淤 积杉响换热性能,Jfu 用切斜射可以减少那11区壇强换热・仅有少m 7-者研究门剋和爪力的变化导致的匸质饱和温度的改变对喷雾冷却 传热性能的形响，如Manos等人㈣以水作为冷却匸质，在低压密闭系? I対1 cm2 换热ihiiaffTH雾冷却实齡.喷淋室压力变化为0.015 bai-1 bar.实验表明热表 血温度RS,室圧力降低而减小.换热系数明显提高Grissom等人冋在封JJ 系统中发现.液滴的蒸发率随冷却床力的降低明显减小,冷却过程中存在•个如 隹的工作床力"但足Lin等人(冈发现在以FC-72为匸质的封闭循坏喷雾冷却系 中.喷淋室床力的改变对换热系数的形响不大,并且以I：的研究中也未見作者对 朴J饱和用力对传热特性的形响机制作出了明确的闸述和分析•苴机理的不明确. 审驾相变拎却在不同I•况以及《*重力环境下的研究较少，Baysincer& Yeik*w対 喷雾冷却在徽暇力环境中换热面进行『实验研究.Rnu冋描岀在页力为5 G的坏 境中对换热面进行喷雾冷却研究.选用单喷嘴・研究表明对换热转性儿乎无形响. 梅冷却系貌置于变化的微电力环境中的大换热面喷雾冷却的换热特•点有待进步 研究.综I：所述.喷雾相变冷却技术的应用前景和领域非常广闕•吸引众多学者務 研究目光聚焦在这样学术研究领域上,在过去十儿年.尽管研究人员开展了大笊 対喷嘴结构、啖雾特性和制冷剂物性等因素对传热性能形响的研究T作.一些研 究者也给出r•有关喷雾冷却的传热理伦.但是完善的喷霍冷却机制和传热理论并 没有得到充分认识和定义.传热理论仃然存在较人的争议iii j-妙响喷雾冷却换热 特性的因索是非常错煖复杂的.很难将各个形响因索统-起來.因此还有待进• 步的研究.1.3.2喷雾相变冷却换热机理喷雾相变冷却的换站机理足山J；液滴冲击热稅面.在换热山「I:形成强迫对流、 相变换热等带走热淮•当液滴雾化喷射到换热面上.在换热面上成Sh形成汽化 核心.进行核态沸聘传热.同时喷射出的派体在换热面上形成液膜,存在•个气 液界面.山干喷射到气液界面匕的液滴温度低于换热而的温度.在二者之间存在 温度梯ffi.因此液滴在气液界面上蒸发.换热面温度越岛.液体的温度梯度趣人. 液滴越揚蒸发.从而带走换热面的热fit越多•在气液界面液滴的碰撞・液I内携 带的气泡莎細度升筒•丿k力增大•气泡不断长大、介并.放终形成大气泡破裂. 导致气泡二次成核.使液恨内气泡不断形成、长人和破裂的过丹・强化了液漁与 换热面之间的传热.M雾相变冷却换热机理如图1.3所示.也有学者认为通过改变 换热面粗糙度和结构・柠换热区域划分为1个不同的区：完全浸没区、湿蒸汽区、 F涸区・认为喷雾411变冷却1：耍发生在湿蒸汽区W・目曲广泛认为喷雾相变冷却 换热机理楚ill J换热表面温度在冷却过程中的不断变化而产生"同的换热机 制.主要包括单相强制对涼换热、薄液膜表而蒸发区、核态沸腾换热、过渡沸腾 换热、薄液唳汽化沸化热-在单411强制对流换热区山喷嘴畋射出的雾化液滴刺 击到温度不高的換热表面上.液漁戏孟在换热表而上存在强迫对流换热現象•当 冷却介质处F过冷时.换热左婆以单相強迫对流换热为主.Naved等人⑴I选用水 作为冷却介质.当在常压下进行喷雾相变冷却实勉过冷度为75 C.热流密度达 为200 W/cm时.换热农面温度为99 9・沸腾现象不明显•喷嘴喷射出的高速雾 化液滴冲击冷却表面・液脈内扰动较大•使热边界层耳度变陣•减少了导热热阻. 强化対流换热.在变冷却过程中液衣面蒸发换热被认为& -个要的换热机理- 由于在审雾相变冷却过程中.液膜厚度根薄，一般约为300 pm・导热热阻很小. 热at山薄液般传导液膜表面・在表面通过蒸发换热.勞化液滴将蒸发产生的气体 排出，换热效率很高.To血等人回切以水为喷雾相变冷却冷却介质进行实验研究, -U ?< 1 / 热流密度达到300 W/cm- A I亍时.换热达到临界热流密度< CHF):枚 态沸n换热現不明显・热流密度与热表面过热度近愼线性变化关系.认为在实 验过程申■裁膜表面蒸发起主导作用.Monde 9A〔刊以水fl 增相变冷却E 质.采用爪力式喷嘴进行实验研究,结果表明在热流密度为1000 Wcma时•热表 血过热度高达50 J Tilton"41采用气雾喷嘴,同样采用水作为冷却介质.实验结 果A ,」」"；" 」. 1000 W/cm2.热农山i过热度仪f j 5 C i < i嬰;足il J：采比飞空 喷嘴气体流"较大•气体对冷却介质剪切,雾化粒较小,同时使科液膜厚度变薄, 导热热阻变小•液膜表面蒸发明显:采用用力式喷嘴・山于液滴粒径较大.液般 较厚，导热热阻较大.薄液膜表而蒸发换热不明显.从而使热表面温度较高.(\桟态沸腾区当热农面温度超过冷却介质的饱和温度.随着加热功率的增加 II：带丄的热ttK ■- •当带走的热达到Iti Affi•即为达刊『临界热流密度(CHF) 在核态沸跨换热过程中液膜内产生大at气泡.通过气泡的生长、发展、脱离、破 裂零过程带走大量的热債.在气泡脱离热表面时・在换热表面形成"度为2pm左 右的繼翩液I宙呵.薄液II艮内的换热剧烈.在喷需冷却过程中，山F•微液前群冲击 速度较大.対换热面形成的薄液旗貝有较大的冲击作用,使喷射液询被蒸发形成 的气泡芾破•使大部分气泡发生破製.气泡生甜周期编短.从而使气泡生长述度 增快.増强液叔内的剧烈扰动.刘沆换热时刘强化.增加了液恨内：次成孩救・ 换热效果人人握升"Rim人〔呦采用FC-72为冷却匸质.对喷雾相变冷却换热转 性进行了可视化实验研究.实鹽结果发现,在喷雾相变冷却过程中形成的液膜内. 存在權态沸腾换埜：快达钊临界热流密度（CHF）时.约S5%汽化核心山二次成 核形成.同时,次成枚换热约內榕个换热的4% Y皿等人用水作为冷却介质. 进行f喷雾相变冷却实购研究,在实验过程中观察到,随著喷嘴进口流fit増大到 -定值后.对沸腾换热曲线妙响不大.因为随善流fft的增加,液腹厚度増加.増 大了液膜的导热热P11.传热效率降低,同时也使褂按态沸聘换热区后移.在过渡沸腾换热区不世产生大啟气泡.同时还存在汽化薄瞰 主耍处J•檢化 沸聘换热向汽化溥膜沸蹒换热过渡:在汽化簿I沸胯区,山于热表面温度很离・ 液膜内的沸聘气泡减少.而产生一层蒸汽朕•使雾化液滴无法貝接接触加热哀面, 液滴与热表面之间枝落汽层隔离无法有效带走热债・换热效果较差.图1.3喷雾冷却換超机理Fig. 1.3 Heat transfer mecluiiKm of spray cooling1.3.3气体辅助雾化气体辅助雾化喷碧冷却是fit借助萬压气体通过气雾喷嘴務液体雾化为微细液 諦群.喷射到加热表你依館液滴的强迫対流、射流冲击以及液滴相变冷却帯走 大fit热陆实現壁而冷却・抱-种岛效强热流冷却方式.气体辅助雾化的特点雾 化形成的液滴速度大•半均色独小（液滴曲從20〜50 pm）.液渝史细密，分布更 的匀.液滴与热衣術换热丽积也会増人.从而増人换热系数.捉高换热能力.使 務却匸质有效蒸发址增加"Yang 人㈣以水作为匚质•用气体雾化喷嘴进行啖雾 冷却研究.冷却热流密度达到900 W/cm2时对应的冷却表而温度为160 J Lin 等人如以FC-72和不UM气体作为I •质，冷却热流密度达刘90 W/cn?时对应的冷 却表而温度为90 JYooivlio 人"悚川空气fi为细助气住、液相选用水作为拎却I•质.空气进I」 丿h力维持在0.4S2 bar.喷淋高度为25Dmm.通过改变液相水的遊口流H ＜分别为 1.10 ml/miii, 1.95 nil/niiii. 2.75 nil/niin）仆別 XJ 20 nrnix20 mm 的的光紡铜 llli 和 微结构涂层表而进行r喷雾冷却对比实胞.同时研究『涂层中不同徽粒尺r 涂成厚度对气体轴助雾化喷雾冷却换热性能的越响.结果表明气体辅助雾化换热能 力强&山于液体潜热带走。