开式雾化喷射冷却技术的应用研究

唐小伟

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

雾化喷射冷却技术是一种高效快速的强制冷却手段。长期以来，雾化喷射冷却技术在工业上的应用主要集中在动力、化工、冶金等各个方面，并且取得了显著的经济效益。工业上雾化喷射冷却应用较早的是高炉降温，它利用雾化水射流对炉体进行降温，这种技术同以往的各种冷却手段相比，具有更好的制冷效果和经济性（如图1所示）。

图1 雾化喷射冷却示意图

图2 不同换热方式的换热系数

2 雾化喷射冷却机理分析

雾化喷射冷却技术是将制冷工质通过雾化喷射组件雾化为微小液滴群后喷射到待冷却物体的表面上，以强制对流及沸腾方式实现的冷却。它具有冷却效率高（如图2所示）、冷却温度均匀、对被冷却面形状无任何要求等优点。由于制冷工质与被冷却面直接接触，因此雾化喷射冷却技术不仅具有冷却效率高和温度梯度小的潜在优势，而且没有接触热阻。已有的研究表明，雾化喷射冷却效果受雾化特性、喷嘴与被冷却面之间距离、制冷剂质量流量、制冷工质热物性参数等多种因素影响。

雾化喷射冷却是大量雾化后的微小液滴群撞击被冷却壁面的行为，这是一个非常复杂的物理过程，其换热机理十分复杂，众多影响因素相互牵连，给实验研究带来了很大困难。雾化喷射组件是整个雾化喷射冷却系统的核心部件，制冷工质经雾化喷射组件完成部分节流循环，雾化后经喷嘴高速喷出，同周围环境充分热交换吸收大量的热量，达到降低环境温度的目的。

雾化喷射冷却技术从机理上分析是强制对流和核态沸腾换热的综合体，制冷工质与被冷却面及环境之间的换热不仅仅是壁面问题，同时也是空间问题。由于其影响因素众多，因此很难建立起准确的物理模型，但这并不影响雾化喷射冷却技术的广泛应用，雾化喷射冷却技术的实际应用早于其理论研究。在现实生活和工业生产中，雾化喷射冷却技术已经得到了很好的应用，它是一种新兴的、廉价的快速制冷方式，采用雾化喷射冷却技术不仅可以达到快速制冷的目的而且具有较好的经济性。

3 开式雾化喷射冷却系统方案

图3 开式雾化喷射冷却系统方案示意图

开式雾化喷射冷却系统由制冷剂贮瓶、阀门组件、节流组件、雾化喷射组件4个基本单元组成（见图3），各个单元的功能如下：

1）制冷剂贮瓶用于存储带压制冷剂。

2）阀门组件分为2个功能单元：制冷剂充罐控制与制冷剂流动控制。对制冷剂充灌控制可以采用单向阀或截止阀；对制冷剂流动控制可以采用电磁阀或电爆阀。

3）雾化喷射组件的作用是使节流膨胀后的制冷剂充分雾化，产生制冷效果。

开式雾化喷射冷却系统进行制冷工作后对制冷剂不进行回收循环再利用，因此其制冷时间取决于制冷剂携带量。开式雾化喷射冷却技术适用于短期内工作的高热流密度设备的热防护。

4 开式雾化喷射冷却系统制冷工质分析

雾化喷射冷却系统中制冷工质的选择要根据实际应用场合，对于电子设备的冷却，要求制冷工质不导电、无毒、化学性能稳定、单位质量制冷量尽可能大、对内部材料无腐蚀并适合长期贮存。对于有电磁波透射要求（譬如高功率小口径雷达天线）的高热流密度设备进行冷却时，要求制冷剂对电磁波不能吸收。对于非电子设备的冷却，对制冷工质导电性能不做要求，但要求其无毒、化学性能稳定、单位质量制冷量尽可能大。

制冷工质的选择要综合考虑各个因素。汽化潜热的大小固然重要，但由于使用在特定环境下，因此也要满足一些特定的要求，例如标准沸点，溶点，饱和蒸气压等。

常用的制冷剂包括R717与R22。R717（氨）有较好的热力性质和热物理性质，它在常温及普通低温范围内压力比较适中，单位容积制冷量大、黏性小、流动阻力小、密度小、传热性能好。R717（氨）是应用最早而且目前仍广泛使用的制冷剂，主要在大型工业制冷装置中使用。R717（氨）的主要缺点是有毒性，可燃可爆，其蒸气无色，是刺激性气体。空气中R717（氨）蒸气压的容积浓度达到0.5%～0.6%时，能引起中毒；R717（氨）的燃点为1171℃，容积浓度到11%～14%时可点燃，容积浓度为16%～25%时会引起爆炸。纯氨不腐蚀钢铁和有机材料，但在含水分时腐蚀锌、铜。

R22的饱和压力特性与氨相近，标准蒸发温度等与氨也接近，但其单位制冷量与氨相差较多。R22广泛应用于家用空调器以及中型冷水机组中，其无色、无味、不燃、不爆，对金属无腐蚀，使用安全。R22传热性能不如氨，流动性差，流动阻力损失大。R22是极性分子，对天然橡胶、树脂、塑料等非金属材料有腐蚀（膨润）作用。

由于水的汽化潜热极高，在20℃时的汽化潜热达到了2 454.09 kJ/kg，因此纯水是一种非常好的制冷剂，它可以用于对导电性能、电磁波透射性能不做要求的高热流密度设备冷却。

5 雾化特性对冷却效果的影响分析

雾化喷射组件的雾化效果及雾化后流动换热情况由雾化喷射组件的内部结构及布置方式决定。喷雾过程是一个瞬变的、多维多相的复杂过程，它是工质喷射、喷束扩展、雾化、液滴破碎、汽化、液滴碰撞聚合、混合、喷雾撞壁等过程的综合和叠加，存在强烈的气液耦合。

液体薄膜破裂成雾滴的方式有3种:周缘破裂、穿孔破裂和波浪破裂。但破裂的过程是一样的，即先由薄膜裂化成液丝，液丝再断裂成雾滴。液力式雾化的雾滴，其运动轨迹在不考虑风力等情况的影响下，可以近似认为是直线运动，雾滴的重力与从喷头获得能量相比可以忽略不计。液力式雾化方式产生的雾型主要取决于喷嘴的形式和喷雾压力，其雾形如图4所示[1]。

图4 液力式雾化的雾形

图5 同一结构不同喷口直径雾化喷射组件制冷剂液体工作压力pL与雾化角度α试验曲线

通过测量制冷剂液体在不同工作压力下的雾化锥角试验可以看出（试验结果如图5所示），雾化喷射组件喷嘴压降越大其质量流量越高，雾化锥角随喷嘴压降增大而上下波动剧烈，但整体处于一个较小的范围之内变化。

对雾化过程进行计算机数值仿真，其雾化张角越大，雾化扩散出现的位置越提前，液滴雾化越充分，液滴直径越小，分布越均匀。当液体被分离为小雾滴时，雾滴的直径越小，与空气接触的表面积越大，雾滴在空气中的存在时间越短，飞行距离越近。随着雾滴直径的增大，雾滴在空气中存在的时间和飞行的距离增大，雾滴在空气中汽化的时间也随着增大。由于雾滴从一定高度喷出，超过一定直径范围的雾滴会迅速落至被冷却对象表面，使得雾滴的实际汽化时间大大缩短，并且雾滴飞行距离较雾滴存在时间对雾滴直径更为敏感。因此，要取得较好的制冷效果，须严格控制雾滴的直径在合理的范围之内。试验表明，雾化喷射冷却系统雾滴直径一般控制在50～100 μm之内。

雾化喷射冷却过程是大量雾化后的微小液滴群撞击被冷却壁面的行为，通过强制对流及核沸腾方式实现冷却。雾化喷射组件由于制冷剂雾化液滴高速流动的黏性作用，带动周边的气体工质进行运动，实现强制对流冷却。因此雾化液滴速度越高，其所带来的对流冷却效应越好。雾化液滴在被冷却表面上充分吸收热量完成相变过程实现核沸腾冷却，因此雾化液滴直径越小，单个液滴完成相变所需要吸收的热量越少，越容易实现核沸腾过程，其冷却效果越好。

雾化喷射过程中如果忽略重力的影响，根据贝努利方程可以得到喷嘴出口处的速度V与压力的关系

式中 Δp为喷嘴入口和出口的压差，它近似等于液体的工作压力pL；ρL为液体密度。

实际上，制冷剂液体在雾化喷射组件出口处并不是充满了整个喷口，其中心部分有一个空气芯，使实际的流通面积变小。因此可引入一个流量系数β，将其定义为实际流量与理论流量之比。于是，质量流量qM可表示为

图6 同一结构、不同喷口直径雾化喷射组件制冷剂液体工作压力pL与质量流量G试验曲线

通过测量制冷剂液体在不同工作压力下的质量流量试验可以看出（试验结果如图6所示），雾化喷射冷却系统中增大雾化喷射组件的压力差（进口/出口），则制冷剂质量流量增大，可明显提升雾化喷射冷却的换热效果。其原因在于喷射液体的流量增加，则喷嘴进口压力随之增大，雾化形成的液滴平均直径将会变小，液滴更细密，分布更均匀，液滴与热表面换热面积也会增大，导致换热系数增高，提高其冷却效果[2]。

在实际应用中，雾化喷射组件与被冷却表面之间存在一个最佳距离。雾化喷射冷却试验表明喷嘴距离被冷却表面较远，雾化液滴不能充分覆盖被冷却表面，冷却效果不好。喷嘴距离被冷却表面较近，被冷却表面温度反而升高，冷却效果下降。从对喷射状态的观察来看，当喷嘴距热表面距离变近，飞溅液滴数量变多，实际喷射到表面上的液滴量减小；另一方面，喷射距离变近后，在喷射角度不变的情况下，实际喷射到热表面的面积减小，冷却效果下降，因此雾化喷射冷却系统在实际应用过程中存在一个最佳喷射距离[2]。

对于雾化喷射冷却系统，令制冷剂的制冷量（即制冷剂汽化潜热）为q0，被冷却对象需要的冷量为Φ，则存在如下关系：

由于冷却过程中不可能所有制冷剂完全充分雾化，因此引入雾化效率系数λ，

令喷嘴直径为FC，经过换算，可得：

由此可见，在雾化喷射冷却系统中，雾化喷射组件的压力差与被冷却对象所需要冷量的二次方相关。

在雾化喷射冷却系统的实际应用中应结合制冷工质热物理性质、制冷量大小、喷嘴与被冷却面的相对距离、雾化喷射组件的布置形式等综合考虑，合理的选择雾化喷射组件的结构形式及关键尺寸并确定雾化喷射组件的最低/最高工作压力。

6 环境外热流对冷却效果的影响分析

对于制冷工质不进行回收再循环利用的开式雾化喷射冷却系统，制冷剂存储于高压容器内，制冷过程中由于制冷剂的不断消耗使制冷剂贮瓶内的压力不断下降，而雾化喷射冷却系统又是为高热流密度设备进行散热，工作环境中的外热流长时间作用于制冷剂直接影响制冷剂贮瓶内的压力，压力影响制冷剂的质量流量，进而影响制冷效果与制冷时间，因此有必要分析环境外热流对开式雾化喷射冷却系统制冷效果的影响。

随着环境温度的升高，制冷剂贮瓶内的压力也在不断的升高。制冷剂贮瓶内的压力变化速率与环境温度变化速率线性相关。当环境温度上升至某一温度并保持恒温后，由于热容的存在，此时制冷剂仍不断的吸收外界热量，制冷剂贮瓶内的压力仍持续升高，直到制冷剂在该环境下达到饱和蒸气压为止，此后制冷剂不再吸收环境热量，制冷剂与外界环境达到热平衡。在开式雾化喷射冷却系统的实际应用中，由于制冷剂吸收外热流的速率较慢，而贮瓶内制冷剂不断减少，引起制冷剂工作压力的迅速下降。因此为了简化设计，可以忽略在制冷过程中环境外热流对不断减少的制冷剂工作压力作用的影响，只需考虑制冷剂减少引起的压降损失及环境外热流在雾化喷射冷却装置工作前对制冷剂压力的影响。

雾化喷射冷却系统具有恒定的流阻，而流阻和制冷剂压力共同作用并影响制冷剂质量流量，从而对制冷效果产生影响。由于系统中流阻恒定，制冷剂压力和质量流量成正比关系。因此带压制冷剂贮瓶必须满足雾化喷射组件全程工作中对最低/最高工作压力的需求。

7 结论

雾化喷射冷却技术具有冷却效率高、冷却温度均匀、没有接触热阻、对被冷却面形状无任何要求等优点，因此它是一种非常有前景的高热流强制冷却方式。因其换热强烈，具有很高的临界热流密度（CHF），非常适用于一些对温度要求很严格的领域。开式雾化喷射冷却技术是一种极具发展潜力的高效快速强热流冷却方式，它非常适合于高速飞行器等短期内工作的高热流密度设备的散热及热防护。

[1]乔宇锋，毛宽民，黄其柏.液力式雾化制冷研究[J]，科学技术与工程，2004，（03）：214～217.

[2]陶毓伽，淮秀兰，王磊等.双喷嘴雾化喷射冷却实验研究[C].中国工程热物理学会学术会议论文，073400.