刘妮 李丽荣 黄千卫 钟泽民（上海理工大学能源与动力工程学院制冷技术研究所 上海 200093）

喷雾参数对喷雾冷却换热特性影响的实验研究

刘妮 李丽荣 黄千卫 钟泽民
（上海理工大学能源与动力工程学院制冷技术研究所 上海 200093）

搭建了一套封闭式喷雾冷却实验系统（水为工质），利用高速摄像仪对实验进行了可视化研究，分析对比了喷雾高度和喷雾压力在光滑表面及微结构表面对喷雾冷却换热特性的影响。结果发现:相比于光滑表面，在微结构表面上，喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却换热的影响更加明显。当喷雾高度较高时，降低喷雾高度可明显提高热流密度，直至喷雾高度较低且喷雾底圆与换热面内接时，继续降低喷雾高度，热流密度也略有上升；反之，提高喷雾高度则会降低热流密度，减小工质的有效流量，使换热表面过早出现干涸，表面温度均匀性变差。但大幅降低喷雾高度会延迟喷雾冷却进入两相区换热，降低喷雾冷却效率，并不利于换热。所以，喷雾高度对喷雾冷却换热特性的影响具有两面性，而喷雾压力的影响则趋于单一性，增大喷雾压力能提高喷雾冷却热流密度，增强表面温度均匀性，尤其在单相区，随着喷雾压力的增大，热流密度明显增大，最后趋近于一个固定值。

喷雾冷却；喷雾高度；喷雾压力；CHF；温度均匀性

喷雾冷却是指液态工质经喷嘴雾化成细小液滴之后喷射到加热表面，通过单相或两相换热机制带走热量的冷却过程。Tan Shiwei［1］研究发现在整个喷雾冷却过程中两相换热约占总换热量的45%～65%，其余热量主要由强迫对流带走。如何提高喷雾冷却的换热能力和换热效率是当前研究的热点。喷雾高度直接影响换热面接收到的工质流量，而流量对喷雾冷却的热流密度有很大的影响，普遍研究表明［2-4］，热流密度一般随着流量的增加而提高，因为越大的喷射流量就意味着有越多的液滴参与换热。

Sawyer M等［5］利用水滴与壁面间的相互作用研究了液滴速度对临界热流密度（CHF）的影响。研究表明，提高喷射频率和液滴质量流量有利于提高CHF。

韩丰云［6］对喷射锥角为30°的喷嘴在不同喷雾流量下的换热能力进行了研究，结果表明:喷雾流量增大后，液滴速度增大，液滴索特直径减小，液滴数密度增大，从而加快了液膜的排出，加强了液滴对液膜的扰动和冲刷，使得换热能力增强。

然而Este K A等［7］发现大流量会降低喷雾冷却效率，使单相换热与两相换热的过渡变得不明显。这说明并不是喷雾流量越大越好。

Visaria M等［8］针对喷射角度对喷雾冷却换热的影响进行了理论和实验研究，通过改变喷射角度而改变实际到达加热表面的工质流量，研究了流量对喷雾冷却换热效果的影响。

Mudawar I等［9］通过建立受热表面上流量分布的理论模型，分析了喷雾冷却的临界热流密度。研究认为当喷雾完全覆盖表面时的换热效果最好，此时的喷雾高度为最佳喷雾高度。

谢宁宁等［10］采用垂直喷射，通过改变喷雾高度得到不同的有效流量，以研究流量对喷雾冷却换热特性的影响，指出在压力不变的情况下，工质流量越大则得到的热流密度越大。

Hsieh C C等［11］在实验中发现喷雾高度对临界热流密度会产生很大影响，喷雾高度越小，临界热流密度越大。类似地，Cheng W L等［12-13］的研究结果显示:当喷雾完全覆盖受热表面时并不是最佳喷雾距离，随着喷雾距离缩小，热流密度逐渐增大，当喷雾距离由9.3 mm（完全覆盖热源表面）缩小到3.3 mm时，其热流密度相对增加量约为21%。

此外，在喷雾冷却过程中，由于液体在泵或高压气体作用下，从喷嘴喷出破碎成微小雾滴喷射到换热表面上进行换热，所以喷雾压力会直接影响雾滴的参数（如:雾滴速度、粒子数密度和粒径大小等），而雾滴参数会影响液滴与液膜间的相互作用，从而进一步影响液体在换热面上的流动和换热。

Chen R H等［14-15］研究了喷雾参数（喷雾流速、雾滴密度、雾滴粒径）对喷雾冷却临界热流密度的影响。结果表明:提高喷雾流速和增加平均雾滴数通量可以同时提高换热系数和CHF；减小雾滴粒径能提高换热系数，但对CHF无明显影响。

陈东芳［16］研究了雾滴粒径和雾滴速度对喷雾冷却的影响，增大进口压力和雾滴速度可以提高换热系数，并指出，随着进口压力的增加，雾化效果更好，雾滴粒径变小，导致单个雾滴质量减小；由冲量定理可知，即使在雾滴质量减少的情况下，雾滴速度的增加也能够增强液膜扰动，从而提高喷雾冷却的换热系数和CHF。

Abbasi B等［17-18］假设可根据喷雾压力预测单相区的平均换热系数，以此建立了理论模型，结合实验方法探究了实心喷嘴、空心喷嘴和平口喷嘴在不同喷雾压力对喷雾冷却的影响。结果表明，平均换热系数理论预测值与实验值相差在25%以内，说明喷雾压力可用于预测单相区的平均换热系数。进一步研究发现临界热流密度CHF随着喷雾压力升高而增大。

Yan ZB等［19］以R134a为冷却工质，用气助雾化喷嘴进行实验研究。结果表明，在较低的表面温度情况下，随着喷嘴进口压力增大，表面温差降低，蒸发压力对表面最大温差影响不大。

司春强等［20］研究了气助雾化喷雾冷却在无沸腾区的换热能力及表面温度均匀性，得出结论:在保持热流密度不变和喷嘴进口水温不变的情况下，气液比较低时，温度均匀性较好，但过度降低气液比，温度均匀性会变差。换热能力最好发生在气体压力和液体压力相当时，过大增加气体压力，会增大耗气率，不会明显强化换热。

孙纪远等［21］和赵锐［22］发现随着喷雾压力的增大，喷雾流量增大，在相同水平的热流密度下，换热表面平均温度降低，说明换热效果增强，进一步指出喷雾压力对喷雾曲线的影响是明显的。

喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却性能的影响已经被广泛关注，而怎样的高度和压力为最优值，对喷雾冷却换热效果更好，以及喷雾高度和喷雾压力影响喷雾冷却换热特性的确切机制，是当前研究的热点与重点。笔者搭建了一套密闭式喷雾冷却系统，研究了喷雾参数对光滑表面和微结构表面喷雾冷却换热特性的影响。

1　实验装置及方法

如图1所示，实验系统主要由供液喷雾系统、模拟热源系统、冷却系统和数据采集系统四大部分组成。喷雾工质（蒸馏水）在微型泵的增压作用下，依次经过缓冲罐、预热器、过滤器、流量计，然后经喷嘴雾化喷射到热源表面（2 cm2紫铜圆形表面），换热之后的工质在喷雾室内被盘管冷却，然后返回储液罐，进行下一个循环。

热源主要由导热铜柱、铜块基座和电加热棒组成。铜块基座的直径为80 mm，铜柱的直径为16 mm，通过其底部螺栓安装在铜块基座之上。在铜块基座的底部均匀分布7个盲孔，每孔内置一个功率为100 W的电加热棒，总加热功率700 W。为减少热损失，热源上除喷雾表面以外的其余散热面都包裹一层硅酸铝保温棉（导热系数λ=0.04 W/（m·K））。为能精确测量试验铜柱的轴向温度分布，在铜柱的三层截面上钻孔内置7个K型热电偶（精度±0.1℃），热电偶位置示意图见图2。

本实验中采用了方形直肋微结构表面，表面微槽直接在紫铜表面雕刻而成，采用数控机床加工，精度为±0.02 mm。

所有的温度信号和压力信号均由Angilent34970A数据采集仪采集并输入到计算机。利用高清摄像机对加热表面进行拍摄，观察换热表面的液体分布情况和沸腾现象。

图1　实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

图2　热电偶分布图Fig.2 The distribution diagram of thermocouples

2　喷雾性能评价参数及误差分析

热流密度:通过铜块基座被加热的试验铜柱中竖直方向可视为一维导热。因此，实验中先算出每一层截面上热电偶的平均温度T1，T2和T3，再由傅立叶导热定律可推导出铜柱热流密度。在此采用三层截面之间算得两次热流密度再取平均值的方式，即:

式中:λ为铜的导热系数；δ为相邻两层热电偶的竖直间距。

热源表面平均温度:通过第一层热电偶的平均温度和热流密度推导出热源表面平均温度:

式中:Tw为换热表面的平均温度；δ1为第一层热电偶至换热表面的竖直距离。

换热系数:喷雾冷却换热系数为热流密度与表面平均温度和工质入口温度之差的比值，即:

式中:Tin为喷嘴入口处的工质温度。

表面温差:喷雾冷却存在温度不均匀性，笔者利用表面三点温度之间的最大差值ΔT反映表面温度分布的不均匀程度，根据铜柱内第一层热电偶（K1，K4，K7）的温度及其热流密度可以推导出换热表面上对应三点的温度Tw1，Tw4和Tw7，即:

对热流密度和表面温度进行误差分析。截面距离误差和温度测量误差分别为±0.1 mm和±0.2℃。热流密度误差为εq，表示为:

式中:εx为截面距离误差；Δx为不同截面之间距离；εt为温度测量误差；Δt为不同截面上热电偶的温差。根据实验测量数值计算热流误差εq在2.2%左右。

表面温度的误差εTw可表示为:

式中:ΔT12为截面1和截面2温差；Δx12为截面1和截面2之间距离；Δx02为换热表面和截面2之间距离。计算可以得到表面温度误差在5.4%。

3　实验结果与讨论

3.1高度及流量对喷雾冷却的影响

3.1.1喷雾高度对热流密度的影响

本研究中的所有实验均为垂直喷射（喷嘴轴线与换热面法线平行），垂直喷射的优点是可以避免换热表面上形成过厚的液膜，液滴冲击速度大。实验参数如表1所示。此外，实验中喷射高度对换热表面上工质的有效流量影响很大，其工质的有效流量与高度关系已列入表2。

表1　实验参数Tab.1 Experimental parameters

表2　有效流量与喷雾高度关系Tab.2 Effective flow rate and spray height

图3所示为不同喷雾高度下光滑表面与方肋表面的喷雾冷却曲线。从图中可以看出，降低喷雾高度即增加表面工质的有效流量能提高喷雾冷却的热流密度，光滑表面和方形肋片表面都表现出了相同的结果。因为降低喷雾高度可以提高工质的有效流量，意味着有更多的工质参与换热，带走更多的热量，这与其他研究者的结论相同［10］。喷雾冷却在小流量工况下比大流量工况下先进入两相区换热，并且单相区向两相区过渡比较明显。因为随着表面温度的升高，有更多的液体参与相变换热，热流密度迅速增加，小流量的工况下液体蒸发率高于大流量工况，相变换热占总量的比例大，因此从单相区向两相区过渡时比较明显。但是由于工质有效流量小，热流密度进一步升高时就容易出现干涸，随着干涸区域的逐渐扩大，最终达到临界热流密度（CHF）。

图3　不同喷雾高度下热源表面喷雾冷却曲线Fig.3 The curves for spray cooling of surfaces under the different spray heights

3.1.2喷雾高度对表面平均换热系数的影响

图4所示为不同高度下光滑表面与方肋表面平均换热系数随热流密度的变化。从图中可知，随着喷雾高度的降低，平均换热系数增大。这是因为降低喷雾高度，增大了液滴的速度，加强了对表面的冲刷，强化了换热。在单相区，方肋表面与光滑表面的平均换热系数的变化幅度基本一致。进入两相区后，随着热流密度增大，方肋表面各高度下的平均换热系数增幅明显大于光滑表面，而且不同高度下平均换热系数差距变小。这说明两相区内相变换热起主导作用，且表面微结构的存在加强了相变换热，强迫对流换热量占总换热量的比例越来越小，此时喷雾高度对热流密度及换热系数的影响远不如单相区。

图4　不同喷雾高度下平均热流密度Fig.4 Heat transfer coefficient for spray cooling of surfaces in different spray height

图5所示为热流密度为80W/m2时不同喷雾高度下方形肋片表面液体分布情况。在此热流密度下，喷雾高度为H=6 mm时，喷雾冷却仍处于单相区换热。H=8 mm时，表面开始出现细小气泡，喷雾冷却即将进入两相区。H=10 mm时，喷雾冷却完全处于两相区，大量的气泡生长和破裂，相邻微槽间气泡生长合并，出现局部剧烈沸腾现象。增大喷雾高度，工质有效流量减小，液膜整体变薄，大部分区域液膜厚度低于微槽深度，气泡合并现象减弱，表面中心区域由于缺少液体开始出现干涸现象。继续增大喷雾高度，当H=14 mm时，表面中心区域的干涸面积进一步扩大，液膜变薄，缩短了气泡生长周期，此时液膜厚度整体低于微槽深度，不存在相邻微槽间气泡的合并现象。

3.2喷雾压力对喷雾冷却的影响

本研究中，压力实验的喷雾高度为12 mm。对不同喷雾高度下的有效流量进行测量后发现，当喷雾高度H=12 mm时，工质有效流量基本不随喷雾压力变化，因此可以更加准确地分析喷雾压力对喷雾冷却换热性能的影响。实验中压力变化范围为230～600 kPa。

图5　不同喷雾高度下方形肋片表面液体分布Fig.5 Fluid distribution of square pin fins surface under different spray heights

3.2.1不同喷雾压力对热流密度的影响

从图6可知，随着喷雾压力的增大，喷雾冷却曲线向左上方移动，即沿着更高热流密度，更低表面温度方向移动。具体表现为在相同的表面温度下，增大喷雾压力可以增大热流密度。例如光滑表面对应温度为95℃时，各喷雾压力对应的热流密度依次为55.9 W/cm2，61.7 W/cm2，66.1 W/cm2，70.6 W/cm2和73.8W/cm2。前面提到，在H=12 mm时，换热表面工质有效流量基本相当，因此改变喷雾压力主要是通过改变液滴速度，进而影响喷雾冷却换热效果。压力越大，液体出口速度大，液膜移动速度快，强迫对流效果好。但由热流密度增幅可知，随着喷雾压力的增大，热流密度的增幅逐渐减小。这就意味着随着喷雾压力的增大，热流密度越来越趋近于固定值。在单相区当其他条件保持不变时，压力的增大主要有两方面的影响:一方面液滴速度增大，加快了换热表面上液膜的排出，液滴容易穿透液膜，加强了液膜扰动，起到强化换热的作用；另一方面液滴对换热表面冲击的阻碍作用不再明显，换热能力得到很好的改善。在高压力工况下，上方液体对液膜的冲刷力远远大于毛细力，此时的换热情况与光滑表面类似。

图6　不同喷雾压力下两种表面喷雾冷却曲线Fig.6 The curves for spray cooling of surfaces under different spray pressures

3.2.2不同喷雾压力对表面换热系数的影响

由图7（a）可知，对于光滑表面，在单相区随着热流密度增加平均换热系数逐渐增大，不同喷雾压力间平均换热系数差距较大，因为喷雾冷却在单相区主要以强迫对流为主，所以增大喷雾压力能够有效地提高对流换热系数。进入两相区后由于工质的相变，平均换热系数迅速增大，但不同喷雾压力间平均换热系数差距变小。在两相区喷雾冷却换热方式以相变换热为主，强迫对流占总换热量的份额较小，因此，相比于单相区，改变喷雾压力对平均换热系数的影响较小。

图7　不同喷雾压力下两种表面平均换热系数Fig.7 Heat transfer coefficient of surfaces under different spray pressures

由图7（b）可知，对于方形肋片表面，不同喷雾压力下的平均热流密度曲线均出现一个相同的趋势。在热流密度较小时，平均换热系数随着热流密度的增加出现明显的增大，随后很长一段时间保持稳定，基本不随热流密度变化，直到进入两相区后平均换热系数出现突升。本实验中方形肋片表面最大换热系数为1.55 W/（cm2·K），相同条件下光滑表面的最大换热系数为1.31 W/（cm2·K）。方形肋片表面喷雾冷却在两相区换热时，液膜厚度整体低于微槽高度，在毛细力作用下液体重新分布，形成均匀稳定的液膜，有效促进了液膜的蒸发，强化了换热效果。对比图7 （a）和（b）可知，喷雾冷却由单相区向两相区过渡时，方形肋片表面比光滑表面更加明显，因为微结构表面工质相变份额更大。

4　结论

用高速摄像仪对喷雾冷却中光滑表面和微结构表面的液体分布进行了可视化研究，结果发现:

1）喷雾高度对喷雾冷却换热特性的影响具有两面性。相比于光滑表面，在方形直肋表面上，喷雾高度和喷雾压力对喷雾冷却换热的影响更加明显。当喷雾高度较高时，降低喷雾高度可明显提高热流密度，直至喷雾高度较低且喷雾底圆与换热面内接时，继续降低喷雾高度，热流密度也略有上升；反之，提高喷雾高度会降低热流密度，减小工质的有效流量，使换热表面过早出现干涸，表面温度均匀性变差。但大幅降低喷雾高度会延迟喷雾冷却进入两相区换热，降低喷雾冷却效率，并不利于换热。

2）喷雾压力对喷雾冷却换热特性的影响趋于单一性，增大喷雾压力能提高喷雾冷却热流密度，增强表面温度均匀性，尤其在单相区，随着喷雾压力的增大，热流密度明显增大，最后趋近于一个固定值。

3）表面微结构的存在能够提高工质蒸发率，使喷雾提前进入两相区。与光滑表面相比，方形肋表面的喷雾冷却效果由单相区向两相区过渡时更加明显。

符号说明

CHF——临界热流密度，W/cm2

λ——导热系数，W/（m·K）

q——热流密度，W/cm2

T——温度，℃

Δ

T——表面温差，℃

δ——热电偶距换热表面距离，mm

h——换热系数，W/（cm2·K）

Tw——换热表面平均温度，℃

Tin——喷嘴入口处工质温度，℃

εq——热流密度误差

εx——截面距离误差

Δx——截面与换热面之间距离，mm

εt——温度测量误差

Δt——截面间热电偶的温差，℃

εTw——表面温度的误差

H——喷雾高度，mm

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Li Lirong，female，graduate student，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，+86 18301932868，E-mail:llr_320@163.com.Research fields:electronic cooling.

The Influence of Spray Parameters on Heat Transfer Characteristics in Spray Cooling

Liu Ni Li Lirong Huang Qianwei Zhong Zemin
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Testing system is builtup to study the heat transfer characteristics ofmicro-structure and smooth surface under the conditions of different spray heightand spray pressure.The experiment is carried out in a closed loop spray cooling system with water as theworking fluid with high speed camera.The experimental results indicate that both the spray height and spray pressure playmore significant role in the spray cooling performance of themicro-structure surface than smooth surface.When the spray height staying in a high level，decreasing it until the critical height as indicated can obviously improve the heat flux，acquire higher CHF；Continually reducing the spray height can still slightly improve the heat flux，buta largemargin reduction of the spray height can result in a decrease of heat flux and even delay the time of transition to two phase region.Thus the influence of spray height has two sides，different from the spray pressure，whose effect is monistic.Increasing the spray pressure can improve the heat flux and enhance the uniformity of the temperature distribution，especially in single phase region，and the heat flux increase obviously until to a stable value with the increasing of spray pressure.

spray cooling；spray height；spray pressure；CHF；temperature uniformity

About the

TK124；TK172

A

0253-4339（2016）05-0093-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.093

2015年7月30日

简介

李丽荣，女，在读研究生，上海理工大学能源与动力工程学院，18301932868，E-mail:llr_320@163.com。研究方向:电子元件冷却技术。