高速飞行器水蒸发器换热性能实验研究

张雅丹 马德胜 庞丽萍

（1.新乡航空工业（集团）有限公司 新乡 453002；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100191）

0 引言

航空航天机载电子设备、汽车、电源逆变器和超级计算机等行业中的电子设备高性能化及小型化已成为发展的趋势，但这些机载电子设备在工作时会产生大量的热量，为了保持电子设备高效正常的工作，必须对这些电子设备进行有效的热管理[1-4]。同时，板翅式换热器以其体积小、重量轻等优点被广泛应用，根据不同的应用领域，板翅式热交换器发展出了各种扩展面，如普通翅片、波浪翅片、偏置条翅片、穿孔翅片和百叶窗翅片等在这些增强型翅片几何结构中，偏置条形翅片offset strip fin（OSF）的应用最为广泛[5,6]。传统上应用基于强制对流的单相冷却方法无法满足大功率电子设备冷却需求。因此可以在单相液冷的基础上增加沸腾相变，利用液-汽相变过程潜热能够带走大量的热量，从而实现对电子设备的冷却[8]。沸腾可分为池沸腾、内流沸腾、外流沸腾以及它们组合的混合配置[9]。池沸腾是上述沸腾配置中最简单的方案，并且具有所谓的被动冷却的显着优势，无需泵送功率或系统中的移动部件[7,8]。本文在前人研究的而基础上，提出了一种基于偏置条形翅片作为单相液冷侧翅片，平直矩形翅片作为沸腾侧翅片的相变换热器，探究相变换热器在压力为7kPa 环境和不同热通量下的池沸腾换热性能和单相液冷侧换热性能。为低压环境下池沸腾传热特性的研究提供参考。

1 实验方法

1.1 实验系统

设计并建立了一个旨在进行低压池沸腾传热研究的实验系统，如图1 所示，整个系统可分为三个部分，即单相液冷乙二醇水溶液（65%）回路、低压池沸腾子系统和数据采集子系统。实验前，对于单相液冷回路，乙二醇水溶液在实验前存储在储液箱内，并由储液箱内的控温设备（加热器）进行加热。对于低压池沸腾子系统，将换热器放置在罐内，并对罐内进行注水，水液面距换热器上表面高度8mm 处，初始水温为25℃。开始实验时，乙二醇水溶液从储液箱中被流体泵抽出，阀门2 和阀门6 被打开，阀门7 关闭，然后，通过调节液体泵的转速，来控制乙二醇水溶液的质量流量，通过读取流量计的数值，达到相应实验所需的质量流量后并待乙二醇水溶液在循环中达到稳定后，打开阀门7，并相应的关闭旁路阀门6，乙二醇水溶液就可以流入偏置条形翅片的微通道内。实验采取三种工况，即改变乙二醇水溶液质量流量，其他参数：罐内压力7kPa、单相液冷回路压力0.2MPa、乙二醇水溶液入口温度85℃等保持不变，输入参数如表1 所示。实验过程中，液冷回路以及罐体均采用隔热材料覆盖进行保温，以减少与周围环境之间的热交换（图1 中是拆除隔热材料后拍摄的实验装置照片）。

图1 实验系统原理图和照片Fig.1 Schematic diagram and photos of experimental system

表1 实验输入参数Table 1 Experimental input parameters

实验所用的罐体为铝合金圆柱体，内径为325mm，高度为272mm，罐体壁厚为5mm。换热器采用单相液冷两流程的板翅式换热器，如图2 所示，换热器长度为210mm，高度为120mm，宽度为186mm，单相液冷侧通道与沸腾侧通道采取间隔阵列的方式布置，即一层单相乙二醇侧通道两侧布置沸腾侧通道，实验所用换热器单相液冷侧共18 层，沸腾侧通道共19 层。其中沸腾侧翅片采取平直矩形翅片，翅片结构形式在图2 中的1 所示，单相液冷侧采用偏置条形翅片结构，翅片结构形式在图2 中的2 所示，单相液冷侧通道进出口采取下入上出。为了更加明确表示单相液冷侧偏置条形微通道的布局方式，选取一层偏置条形微通道布局方式在图2 中的3 所示，在进出口翅片末端连接处，采用翅片导流，翅片切割夹角为80°。翅片均采用铝合金材料。

图2 换热器结构模型图Fig.2 Structural model diagram of heat exchanger

数据采集子系统包含质量流量计、温度传感器、压力传感器组成。本文使用涡轮流量计（LWJ）测量乙二醇溶液的质量流量，涡轮流量计的测量范围和精度分别为0～3000kg/h 和±0.5%。压力传感器（KYB600）测量水罐内的压力，压力传感器的测量范围和精度分别为0～600kPa 和±0.25%。温度传感器（WZPK-336）测量水罐内的水温以及乙二醇溶液的进出口温度，温度传感器的测量分为和精度分别为-50℃～300℃和±0.5%。在进行正式实验前，测量仪器均进行校准。

1.2 翅片结构尺寸及实验边界条件

偏置条形翅片结构如图3（a）所示，结构参数包含翅片高度（h）、翅片间距（s）、翅片长度（l）、翅片厚度（t）。通常，翅片通道假定为矩形，翅片偏移量均匀且等于半翅片间距[12]。平直矩形翅片结构如图3（b）所示，结构参数包含翅片高度（hv）、翅片间距（sv）、翅片厚度（tv）和翅片长度（lv）。偏置条形翅片和平直矩形翅片的尺寸列于表2。

图3 翅片结构形式Fig.3 fin structure

表2 偏置条形和平直矩形翅片（mm）Table 2 serrated and straight rectangular fins(mm)

偏置条形翅片的水力直径由公式（1）计算，平直矩形翅片水力直径由公式（2）计算[3]：

式中，lf为单相液冷侧流动总长度，mm。

1.3 数据处理

防冻液的散热量（Qf）可由公式（3）进行计算：

式中，Qf为散热量，W；m˙为乙二醇质量流量，kg/s；cp为乙二醇定压比热，J/(kg·K)；Tout、Tin分别为乙二醇进出口温度，K。

乙二醇侧传热因子可由公式（4）进行计算[9]：

式中，ReDh为乙二醇溶液的雷诺数。

乙二醇侧努塞尔数（Nuf）可以公式（5）计算[9]：

式中，Pr为乙二醇的普朗特数。

由上式进而可以计算获得乙二醇侧对流换热系数：

式中，λf为乙二醇的导热系数，W/（m·K）。

翅片壁面温度采用公式（7）进行计算[9]：

式中，Asur是液冷侧换热面积，m2；Tw为壁面温度，K。

沸腾传热系数由公式（8）计算：

式中，Asat为沸腾侧总的换热面积，m2；Tsat为水的饱和温度，K。

2 结果与讨论

图4（a）是实验数据与经验关联式的热流和过热度的对比，从图4（a）中可以得出过热度随着热流的增加而增大。当过热度从4K 变化到7K时，相应的实验热流从1.57W/cm2变化到5.75W/cm2；过热度从7.6K 变化到12.16K 时，相对应的实验热流从6.92W/cm2变化为20.35W/cm2。因此，当过热度大于7K 时，此水蒸发器可以在较小过热度下获得较大热流。将实验数据与现有经验关联式Jens-Lottes 和Thom 进行对比，误差分别为34%和16%。实验数据与Thom 关联式误差较小，因此本文Thom 关联式基础上进行修正。

图4 实验数据与经验关联式比较Fig.4 Data Comparison between experiment and calculation.

Jens-Lottes 关联式[10]：

拟合关联式如公式（11）所示：

式中，q为热流密度，W/m2；P为压力，MPa。

图5 是实验数据与拟合关联式间的对比，除极少数点外，大多数实验数据都在最大±10%偏差内，可以认为拟合关联式与实验数据吻合较好。

图5 实验数据与拟合关联式对比Fig.5 Comparison of experimental data and fitted data

3 结论

在低压环境7kPa 和质量流量为800kg/h、1500kg/h 和2500kg/h 的工况下研究了基于偏置条形翅片的板翅换热器的沸腾换热特性和单相液冷流动换热特性通过实验探究，通过将实验数据与现有沸腾经验关联式进行对比可以得出，实验数据与Jens-Lottes 关联式误差较大，与Thom 关联式误差较小。因此在Thom 关联式的基础上进行修正，提出了一个修正的适用于平直矩形翅片的低压沸腾关联式，最大误差在±10%以内。