微细通道纳米制冷剂压降波动特性研究

张 霖 罗小平

(华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)

微细通道纳米制冷剂压降波动特性研究

张 霖 罗小平

(华南理工大学机械与汽车工程学院 广州 510640)

为探究热流密度、质量通量和入口过冷度对微细通道流动沸腾压降波动特性的影响，以质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b及纯制冷剂R141b为工质在水力直径为1.33 mm的矩形微细通道内进行了流动沸腾实验。结果表明：热流密度从18.2 kW/m2增加到25.4 kW/m2时，工质进出口压降波动更为剧烈；较大质量通量和较高入口过冷度一定程度上可以使压降波动更平缓；与纯制冷剂相比，质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b的压降波动较为平缓，其压降标准差最大降低了18%。

微细通道 纳米制冷剂 流动沸腾 压降波动

1 引 言

微通道换热器是运用在制冷、电子冷却、生物工程等工程领域中的一种结构紧凑、轻巧、高效的换热器。据调查统计，55%的电子器件是使用过程中产生的热量不能及时换热掉[1]，导致温度过高而烧坏。在相同工况条件下，使用微通道换热器的空调系统的COP值相比于常规空调系统大约高出50%[2]。故将微尺度强化传热技术运用到电子与制冷领域内显得尤为重要。

Tuo[3]通过高速摄像仪对微通道蒸发器的制冷系统中的流动沸腾现象进行了观察，发现了在微通道内流动沸腾过程中的周期性回流现象，进而导致蒸发器的进出口的压降波动，并且压降波动的幅度和频率与热流密度有显著关系。 D.Bogojevic[4]等以去离子水为工质，研究了矩形微通道内流动沸腾的不稳定特性。通过高速摄像仪对微通道内流动沸腾现象进行了观察，他们发现当微通道内出现回流现象时，进口压力波动为高幅低频振荡，出口压力波动为低幅高频振荡，波动幅度和频率与工质入口过冷度、热流密度、质量通量有关。

在微细通道流动沸腾过程中，系统压降的波动会对系统的正常运转产生影响，会对仪器设备造成一定的损坏，研究表明，工质中加入纳米颗粒能对减小整套系统的压降波动，但是关于热流密度、质量流量和入口过冷度对纳米制冷剂的压降不稳定性的影响的研究较少。故本文主要分析热流密度、质量通量和入口过冷度对质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b和纯制冷剂R141b在水力直径为1.33 mm的微细通道内压降波动的影响。

2 实验设备与方法

2.1 实验系统

实验系统如图1所示。整套系统由实验管路系统、实验段和数据采集系统组成。实验管路系统由磁力泵作为动力源，工质一部分经回流阀流回泵腔，另一部分由涡轮流量计进入预热水箱加热到预定温度，并由温控仪保持恒温，通过实验段后经冷却水箱冷却回流至泵腔。过滤网可除去较大粒径固体杂质防止堵塞槽道。数据采集系统由安装在实验段上的测温测压传感器组成，所测数据经研华ADAM-6017数据采集模块传送到工控机里实时保存。

图1 实验系统简图Fig.1 Schematic diagram of system process

实验段如图2所示。槽道是加工精度较高的电火花线切割加工的铝基矩形微通道。槽道主体底部设有加热板对其进行加热，两者之间通过导热硅脂连接，确保槽道受热均匀，通过调压器调节加热功率。为保证实验准确性，用保温棉对整个实验段外侧进行包裹。实验段参数如表1所示，L、W、H分别表示槽道整体长度、宽度、高度，Wch、Hch分别表示单个槽道宽、高，Ww表示槽道间距。

图2 实验段结构图1.透明有机玻璃;2.密封垫;3.进口测压孔;4.底座;5.工质入口 6.加热板;7.进口测温孔;8.壁面测温孔;9.出口测温孔;10.矩形槽道;11.工质出口;12. 出口测压孔;13.密封垫;14.铝制盖。Fig.2 Schematic diagram of tset section

mm

2.2 纳米制冷剂的配置

本实验所用工质纳米制冷剂采用分散法[5]制取。先将Al2O3纳米颗粒与基液R141b按照0.8%的质量分数配比，在容器内进行混合，再加入少量Span-80分散剂混合搅拌，形成纳米粒子悬浮液，再用超声波振荡仪振荡一定时间，形成均一稳定的纳米制冷剂溶液。本实验配制了质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b。

3 实验结果及分析

3.1 实验数据处理

水力直径Dh计算式：

(1)

工质流速平均流速u计算式：

(2)

式中:V为工质的体积流量，m3/h；Sch=WchHch为单个微通道的流通面积，m2；N为微通道条数，本实验N取18。

质量通量G计算式为G=ρLμ，kg/(m2·s)；ρL为工质液态密度，kg/m3。

因加热板传给工质的热量有一定损失，故定义平均有效热流密度，利用傅里叶定理计算：

(3)

式中：ΔTi为每对测温孔处上下的温度差，ΔTi=[T2-T1,T4-T3,T6-T5,T8-T7],℃；k为材料的导热系数，实验槽道材质为铝，取k=201 W/(m·℃)，δ为上下测温孔的距离，取20 mm。

入口过冷度ΔTsub=Tsat-Tin，Tsat为操作压力下工质的饱和温度，℃；Tin为工质入口温度。

总压降Δptot为进出口压力传感器所测压力值的差。

流动沸腾过程中进出口局部压力的波动特性一般用进出口压降的波动特性来表征。压降的波动幅度与频率直接影响着整个系统的稳定性，导致系统中动力源负荷也会产生波动。本实验研究质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b和纯制冷剂R141b的压降波动特性，且与热流密度、质量通量和入口过冷度的影响。

对于实验中所测的进出口压力波动信号的处理，先将其差值压降波动认为是随时间变化的一组离散序列数据，接着运用数理统计学中的两个特征参数均值与标准差对压降波动信号进行定量表征，以便于好分析压降波动信号的特性。

均值为：

(4)

式中：N为样本数量；ΔPi为第i个样本值。

均值反映了压降波动信号变化的中心趋势，代表在一定时间区域内，压降信号的平均水平，由于微通道流动沸腾过程中的压降值是一直在波动的，为了确定某种特定工况下压降波动信号在一定区域内的值，故可以定义均值来对压降波动信号进行表征。

标准差为：

(5)

标准差体现了离散序列在均值上下的离散程度，即压降波动信号与压降均值的离散程度，文章主要是研究压降波动特性，故可以将标准差作为衡量压降波动特性的一项重要指标。

3.2 热流密度对压降波动的影响

图3反映了在质量通量为185 kg/(m2·s)、入口过冷度为8 ℃,热流密度分别为18.2 kW/m2和25.4 kW/m2工况下，纯制冷剂和质量分数为0.8%的纳米制冷剂在微通道内的流动沸腾压降波动情况。如图3(a)与图3(b)，在相同工况下，纳米制冷剂的压降波动标准差为0.36 kPa，比纳米制冷剂为工质时大8%；图3(c)与图3(d)中，相比与图(a)与图(b)，其热流密度明显更高，此时纯制冷剂的波动标准差比纳米制冷剂制冷剂高20%。

对比可知：热流密度增大，压降波动剧烈[6]，不利于系统的稳定。其主要原因为：当质量通量和入口过冷度相同时，热流密度增大，气化核心点密度增大，相应产生的气泡增多，大量小气泡逐渐汇集成大气泡，故使得压降波动更剧烈。

图3 两种热流密度下纳米制冷剂与纯制冷剂的压降波动对比Fig.3 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of heat flux

3.3 质量通量对压降波动的影响

图4反映了热流密度为18.2 kW/m2和入口过冷度为8 ℃时，质量通量分别为277 kg/(m2·s)和462 kg/(m2·s)工况下，纯制冷剂和质量分数为0.8%的纳米制冷剂在微通道内的压降波动情况。质量通量为277 kg/(m2·s)时，纳米制冷剂的压降波动与纯纳米制冷剂相比降低了6%；质量通量为462 kg/(m2·s)时，两者相差7%。

图4 两种质量通量下纳米制冷剂与纯制冷剂压降波动对比Fig.4 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of mass flux

对比可知：当热流密度和入口过冷度一定时，质量通量较大时，压降波动更平缓[7]，但影响较小。其主要原因为：质量通量的增加使得工质流速增大，通道内产生的小气泡会很快流过通道，减小了汇集成大气泡的概率，对压力波动影响较小。随着质量通量的持续增加，通道内沸腾的程度也会一定程度的趋于平缓，压降呈现小振幅的波动。

3.4 入口过冷度对压降波动的影响

图5反映了质量通量为185 kg/m2·s和热流密度为18.2 kW/m2时，入口过冷度分别为6 ℃和12 ℃的工况下，纯制冷剂和质量分数为0.8%的纳米制冷剂在微通道内的压降波动情况。入口过冷度为12 ℃时，纳米制冷剂的压降波动标准差比纯制冷剂低18%；入口过冷度为6 ℃时，两者差异为8%。

图5 两种过冷度下纳米制冷剂与纯制冷剂压降波动对比Fig.5 Compartion of pressure drop fluctuation between nanorefrigerants and pure refrigerant with two kinds of inlet subcooling

对比可知：当热流密度和质量通量一定时，入口过冷度较大时，压降波动较为平缓，其主要原因为：过冷度越大，产生气泡所需能量越多，沸腾起始点位置后移，产生气泡的位置也后移，气泡运动时间较短，汇集成大气泡数量较少，压降波动也会较为平缓。

综合图3到图5的压降波动情况可以发现纳米制冷剂为工质时，压降的波动比纯制冷剂更为平缓，压降的波动标准差降低了6%—18%。这说明纳米颗粒的加入一定程度上抑制流动沸腾的不稳定性，使得压降波动更为平缓[8-9]。

4 结 论

对质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b和纯制冷剂R141b为工质的流动沸腾过程中进出口压降波动特性进行了分析，分析了热流密度、质量通量和入口过冷度对进出口压降波动的影响，并引入均值、标准差来对压降波动情况进行了定量评估。得出以下结论：

(1) 与纯制冷剂141b为工质相比，质量分数为0.8%的纳米制冷剂Al2O3-R141b压降波动较为平缓，标准差最大降低了18%。

(2)在质量通量为185 kg/(m2·s)、入口过冷度为8 ℃,条件下，微通道内工质在流动沸腾时，热流密度为25.4 kW/m2的压降波动比18.2 kW/m2的压降波动更为剧烈。

(3)实验工况范围内，较高质量通量和较高入口过冷度可以一定程度上使压降波动更为平缓，但其影响效果较小。

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Research on pressure drop fluctuation of nanorefrigerant in microchannels

Zhang Lin Luo Xiaopin

(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

To investigate the influence of heat flux，mass flux and inlet subcooling on pressure drop fluctuation of nanorefrigerant in microchannels, experiment have been conducted through the aluminum-based rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.33 mm,which used Al2O3-R141b nanorefrigerants with a partical of 0.8%(mass fraction) and pure refrigerant as the working fluids. The results show that the heat flux increases from 18.2 kW/m2to 25.4 kW/m2,the pressure drop fluctuation of working fluids are more turbulent;The bigger mass flux and higher inlet subcooling can make pressure drop fluctuation more gradual.Compared with pure refrigerant, the pressure drop fluctuation of Al2O3-R141b nanorefrigerants with a partical of 0.8%(mass fraction) is more gradual,its standard deviation is reduced by 18%.

microchannels; nanorefrigerant; flow boiling; pressure drop fluctuation

2016-03-23；

2016-06-01

国家自然科学基金项目(21276090)项目资助。

张 霖，男，22岁，硕士研究生。

TB657,TB663

A

1000-6516(2016)03-0051-06