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开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

杨春光 张浩 刘军

杨春光, 张浩, 刘军. 开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
引用本文: 杨春光, 张浩, 刘军. 开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
Yang Chunguang, Zhang Hao, Liu Jun. Experimental investigation on cooling uniformity of open single nozzle spray[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
Citation: Yang Chunguang, Zhang Hao, Liu Jun. Experimental investigation on cooling uniformity of open single nozzle spray[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
基金项目: 中物院高能激光重点实验室课题项目(2019HEL018)
详细信息
    作者简介:

    杨春光(1993—),男,硕士研究生,从事激光器高效热管理技术研究;pycg111@163.com

    通讯作者:

    刘 军(1972—),男,研究员,从事激光器高效热管理技术研究;1275137899@qq.com

  • 中图分类号: TB69

Experimental investigation on cooling uniformity of open single nozzle spray

  • 摘要: 针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度(16~110 W/cm2)、不同冷却工质流量(200~300 mL/min)以及不同喷雾高度(15~25 mm)下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/(cm2·K);喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。
  • 图  1  开式系统工艺图

    Figure  1.  Open system process diagram

    图  2  喷嘴流量与压阻

    Figure  2.  Nozzle flow rate vs pressure

    图  3  开式系统实物图

    Figure  3.  Photos of the open system

    图  4  模拟热源示意图

    Figure  4.  Sketch of the heat source

    图  5  表面温度与热流密度

    Figure  5.  Carves of surface temperature vs surface heat flux

    图  6  换热系数与热流密度关系曲线

    Figure  6.  Carves of heat transfer coefficient vs surface heat flux

    图  7  表面温差与热流密度

    Figure  7.  Surface temperature difference changes with surface heat flux

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图(7)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-17
  • 修回日期:  2020-04-22
  • 网络出版日期:  2020-05-25
  • 刊出日期:  2020-06-24

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
    基金项目:  中物院高能激光重点实验室课题项目(2019HEL018)
    作者简介:

    杨春光(1993—),男,硕士研究生,从事激光器高效热管理技术研究;pycg111@163.com

    通讯作者: 刘 军(1972—),男,研究员,从事激光器高效热管理技术研究;1275137899@qq.com
  • 中图分类号: TB69

摘要: 针对高热流密度激光介质高效散热与均匀冷却技术需求,设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究获得了不同热流密度(16~110 W/cm2)、不同冷却工质流量(200~300 mL/min)以及不同喷雾高度(15~25 mm)下单相喷雾冷却换热系数及其冷却均匀性效果。结果表明:该实验工况下,不同热流密度条件下喷雾高度及工质流量对于单相喷雾冷却换热效率及温度均匀性影响显著;喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时获得最大对流换热系数为5.93 W/(cm2·K);喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时面积20 mm×20 mm的热源表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。

English Abstract

杨春光, 张浩, 刘军. 开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
引用本文: 杨春光, 张浩, 刘军. 开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
Yang Chunguang, Zhang Hao, Liu Jun. Experimental investigation on cooling uniformity of open single nozzle spray[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
Citation: Yang Chunguang, Zhang Hao, Liu Jun. Experimental investigation on cooling uniformity of open single nozzle spray[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 071004. doi: 10.11884/HPLPB202032.200021
  • 固体激光器具有峰值功率高、输出能量大、器件结构紧凑等优点,广泛应用于机械制造、化学、医疗、科学研究及国防军事等领域[1]。随着激光器功率水平的日益提高及装置尺寸不断紧凑化,激光介质高效热管理已成为制约其输出功率与光束质量进一步提升的主要技术瓶颈之一。面向高功率固体激光高效热管理技术需求,亟需开展高热流密度条件下激光介质高效均匀冷却技术研究[2]

    喷雾冷却[3]因其换热系数高、控温性好、工质流量小、系统体积小等突出优点,被认为是最有潜力的高热流密度激光介质冷却技术[4]。由于喷雾雾化液滴、流体以及气相之间相互耦合关系,其传热机理尚未达成统一认识,目前大多采用模拟实验与数值模拟相结合的方法进行研究。Mudawar[5-8]等采用实心锥压力喷嘴,实验研究了以水、FC-72、FC-78为冷却工质的稀疏喷雾和密集喷雾换热性能,结果表明:稀疏喷雾相比密集喷雾具有更高的蒸发效率,且喷雾流量对喷雾冷却换热性能有较大影响,同时喷雾高度的改变会影响热源表面的有效质量流量。Chen[9-10]等采用1 cm2方形热源研究了不同喷雾参数对喷雾冷却换热性能的影响,结果表明,液滴平均速度对临界热流度(CHF)及在CHF时的传热系数影响最大。程文龙[11-12]等以水为冷却工质,实验研究了不同系统压力下喷雾冷却的换热性能并分析了表面不均匀性,结果表明,低系统压力有助于提升换热能力并降低表面不均匀性。王亚青[13-15]等以水为介质,采用不同实心圆锥喷嘴,研究不同流量时大功率激光器喷雾冷却中的换热性能,结果表明,在“无沸腾区”的喷雾冷却不能单独以流量来衡量换热性能,其换热性能受喷嘴性能、流量以及压力等因素相互耦合影响。周年勇[16-18]等以水为冷却工质搭建开式喷雾冷却系统,实验研究了喷嘴类型、喷雾高度、喷射压力等对热源表面换热性能的影响,不同型号的喷嘴各自存在一个使换热性能达到最优的最佳高度,喷射压力对高加热功率下的喷雾冷却性能的影响更加明显。

    以往喷雾冷却研究主要集中在喷雾冷却传热机理、换热特性上,而且研究的重点更偏向沸腾换热以及CHF、极限换热状况等,对于多种工况因素耦合下单相喷雾冷却换热性能尤其是换热面冷却均匀性研究较少。本文设计并搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却实验平台,实验研究不同工质流量、热流密度、喷雾高度下喷雾冷却换热性能以及换热面温度均匀性特性。

    • 开式单喷嘴喷雾冷却系统具有系统简单、整体质量小等特点,本文设计的开式喷雾冷却实验系统工艺如图1中所示,系统主要由供液回路、雾化单元、模拟负载、数据测量与采集单元四部分构成。

      图  1  开式系统工艺图

      Figure 1.  Open system process diagram

      根据喷雾流量和雾化效果,雾化喷嘴选用美国Spray System公司生产的1/4TT-TG-SS.4压力式实心圆锥喷嘴,孔口直径0.56 mm,入口压力范围150~1 000 kPa,工质流量范围0.22~0.52 L/min,喷射角度56°~63°,冷却工质经喷嘴雾化后形成实心锥形喷雾形状,在换热面上产生圆形雾化液滴覆盖区域,实验测量得不同喷雾流量下对应喷嘴压阻曲线如图2所示,两者拟合出关系式为

      图  2  喷嘴流量与压阻

      Figure 2.  Nozzle flow rate vs pressure

      $$ p = {{\rm{e}}^{2.548 + 0.014\varPhi - 1.182 \times {{10}^{ - 5}}{\varPhi ^2}}} $$ (1)

      式中:p为喷嘴前后压差(kPa);Φ为通过喷嘴的冷却工质流量(mL/min)。

    • 系统实物图如图3所示,喷雾腔采用开式设计,使系统背压恒定为大气压,减少气相回收处理装置;喷雾腔前后两端设置有玻璃视窗,可观测喷雾雾化及换热面冷却过程。实验中,储液罐中与环境温度平衡的冷却工质由泵驱加压经喷嘴雾化成为微小液滴,喷射到模拟热源表面并对其进行散热,换热后的冷却工质直接流入废液罐,换热稳定后,记录冷却工质流量、换热面温度分布。

      图  3  开式系统实物图

      Figure 3.  Photos of the open system

    • 采用如图4所示模拟热源开展实验,模拟热源由高热流密度陶瓷加热片焊接于紫铜基座构成,其功率(热流密度)由直流可调电源控制。陶瓷加热片单片电阻约10 Ω,通过对其通电加热为紫铜基座提供加热功率,调节外部可调电源的输出功率实现模拟热源换热面热流密度(q)调节。紫铜导热系数可达401 W/(m∙K),基于紫铜基座的高导热性能够更好地传递和匀化模拟负载热量,基座总高度为10.5 mm,被雾化液滴直接冷却的矩形面尺寸为20 mm×20 mm,基于陶瓷加热片及模拟热源基座保温处理,稳态条件下可忽略漏热,根据电源加热功率和热源表面积(S)即可计算得出热流密度(q)。模拟负载内部设置温度监测点,采用热电偶测得换热面温度分布,换热面等效换热系数h定义为

      图  4  模拟热源示意图

      Figure 4.  Sketch of the heat source

      $$ h = \frac{{q'}}{{\Delta t}} $$ (2)

      式中:$q'$为换热热流密度(W/m2);$\Delta t$为换热温差(℃)。以此推导喷雾冷却对流换热系数h

      $$ h = \frac{q}{{{T_1} - {T_{{\rm{water}}}} - \Delta T}} $$ (3)

      式中:q为喷雾冷却换热面换算热流密度(W/m2);T1Twater$\Delta T$分别为喷雾冷却下发热壁面维持的温度、进口水温、出口水平均温升(℃)。喷雾冷却换热面换算热流密度

      $$ q = UI/S $$ (4)

      式中:UI分别为外部电源输入的电压(V)和电流(A);S是热源表面积(m2)。出口水平均温升

      $$ \Delta T = \frac{{UI}}{{c\rho \varPhi }} $$ (5)

      式中:c是去离子水的比热容(J/(kg·K)),ρ是去离子水的密度(kg/m3)。

      由Jia等[19]的实验研究可知,热源表面存在径向温度梯度,鉴于热源结构和冷却工质实心圆锥雾化的对称性,选取热源表面中心点与角上一点(如图4所示Thermocouples)的温差作为温度均匀性的依据。

    • 实验之前对热电偶进行了标定,其误差为±0.2 ℃。线性直流电源电流表读数精度0.01 A。电压表读数精度0.1 V。体积流量计误差为±0.5%。热源表面热流密度误差为±2%。通过对模拟热源进行保温处理,其与空气的热损失可忽略不计。

    • 稳定换热状态下的表面温度和热流密度所对应的关系曲线即为喷雾冷却曲线,可以直观反映喷雾冷却换热性能。图5为不同喷雾高度H(mm)、不同工质流量下表面温度T(℃)与热流密度q(W/m2)关系图,即去离子水沸腾曲线。从图中可以看出:在同一喷雾高度、工质流量下表面温度与热流密度成线性增长关系。根据热源表面温度可知,实验处于单相换热阶段,主要发生对流换热,来不及蒸发的喷雾液滴在热源表面铺展形成液膜,在液滴冲击与重力相互作用下,液膜向四周快速冲刷,形成液膜冲刷换热,因此在这一阶段散热只有强迫对流换热和液膜的主动蒸发;同一热流密度、工质流量下,表面温度随着喷雾高度降低而降低,温度降低幅度也随之减小,热流密度越高,表面温度随喷雾高度降低而降低越显著,即在喷雾高度H为15 mm时得到最佳沸腾曲线;工质流量对表面温度存在一定影响,但耦合在喷雾高度中,不能单独考虑其影响效果。

      图  5  表面温度与热流密度

      Figure 5.  Carves of surface temperature vs surface heat flux

    • 图6 为不同喷雾高度、工质流量下热源表面热流密度与对流换热系数所对应的关系曲线,从图中可以看出:同一工质流量、喷雾高度下,换热系数随表面热流密度增大而增大,低热流密度时换热系数增长速度较高热流密度时快;同一工质流量时,随着喷雾高度降低,换热系数随之增大,改善了热源表面强迫对流换热性能;在同一喷雾高度时,热源表面对流换热系数随工质流量降低而增大,增强了热源表面强迫对流换热性能。即在本实验工况下降低喷雾高度或减小工质流量能改善对流换热,在喷雾高度15 mm、工质流量200 mL/min时,获得最大对流换热系数5.93 W/(cm2·K)。

      图  6  换热系数与热流密度关系曲线

      Figure 6.  Carves of heat transfer coefficient vs surface heat flux

    • 图7是反映不同喷雾高度、工质流量下热源表面不同测点之间最大温差(T1T2)与热流密度的关系曲线。同一工质流量、喷雾高度下,表面平均温差随热流密度增加而变大;工质流量为200 mL/min时,喷雾高度为20 mm的表面温度均匀性效果明显优于高度为15 mm和25 mm的表面温度均匀性;工质流量为250 mL/min及以上,热流密度相同时,表面平均温差随喷雾高度的降低而减小,但减小幅度反而增大;喷雾高度15 mm、工质流量250 mL/min时,表面温度均匀性最佳可优于0.6 ℃。

      图  7  表面温差与热流密度

      Figure 7.  Surface temperature difference changes with surface heat flux

    • 本文设计搭建了以去离子水为冷却工质的开式单喷嘴喷雾冷却换热实验研究平台,开展了不同喷雾高度、工质流量和热流密度条件下喷雾冷却换热效率及换热表面冷却均匀性影响因素研究,得出以下结论:(1)单相区喷雾冷却曲线,表面温度随热流密度线性增加;实验条件下,喷雾高度降低可以改善换热表面温度;(2)实验工况下,降低喷雾高度或工质流量能改善换热性能,提高对流换热系数,对流换热系数最大可达到5.93 W/(cm2∙K);(3)热源表面热流密度增加会使表面温度均匀性变差;工质流量在250 mL/min及以上时,降低喷雾高度可改善表面温度均匀性,其最佳温度均匀性可优于0.6 ℃;(4)实验中,在喷雾高度为15 mm处得到最大换热系数和最佳表面温度均匀性效果,但更低喷雾高度下的冷却效果还有待继续研究。

参考文献 (19)

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