微小通道换热器内流动沸腾换热与压降特性实验研究

【摘要】：随着现代高性能电子设备中微处理器设计的微型化,高密度封装的电子设备将产生更大的功率密度,据ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)预测,到2020年,集成电路的功率密度将会达到100 W·cm~(-2),而更多高性能的电子设备将会产生比预测值更高的功率密度,传统风冷、热管等散热技术已逐渐不能满足未来大功率电子设备的散热需求,而微通道换热由于具有高效紧凑的特点,成为未来大功率电子设备最具发展前景的散热技术之一,尤其是微通道内利用换热工质的流动沸腾换热,具有换热能力强、换热效果均匀等特点,引起国内外研究者越来越多的关注。目前,虽然国内外研究者对微通道内的流动沸腾换热进行了大量的研究,但由于微通道内两相换热的复杂性,对于微通道内主导传热机制和压降特性的认识尚未达成普遍共识,也没有通用的传热和压降预测模型,因此,开展对微通道内流动沸腾换热的研究,可加深对微通道内流动沸腾传热机制和压降特性的认识和理解,为工程实际应用提供理论性指导,具有重要的学术价值和工程应用价值。本论文以R141b为工质,开展了微小通道换热器内流动沸腾换热的实验研究工作,通过搭建实验平台,对微小通道换热器内的流动沸腾换热与压降特性进行实验研究,分析热流密度、质量流量和饱和压力对换热和压降的影响,主要工作内容和结论包括以下4个方面:1)针对大功率电子芯片散热需求,设计并搭建了泵驱动的微小通道换热器流动沸腾换热实验平台,并完成实验系统中各个测量设备的校核与标定,完成实验系统的密封性检查、制冷剂充注及系统调试工作等。2)基于泵驱动的微小通道换热器流动沸腾换热实验平台,完成单相流验证实验。通过单相流动换热实验,得到Nu-Re_l、f-Re_l变化关系,并与单相流动的经典关联式的预测结果进行对比。结果表明,单相流动换热的经典预测模型能对实验结果进行较好的预测,验证了本实验装置的有效性和可重复性。3)基于泵驱动的微小通道换热器流动沸腾换热实验平台,在热流密度为2.2~20W·cm~(-2)、质量流量密度为9.8~16.3 kg·m~(-2)·s~(-1)、冷却水温为30~50℃、出口干度在-0.1~1之间的实验工况下,获得换热器在不同工况条件下的换热特性和压降特性。结果表明,在低干度(x_(out)0.1~0.4)时,随着热流密度的增大,两相换热系数也明显增大,但换热系数几乎不受质量流量的影响,当x_(out)=0.1~0.4时,换热系数达到峰值,而在干度较大(x_(out)0.1~0.4)时,随着热流密度的增大,两相换热系数呈现出缓慢减小的变化趋势,此时质量流量对换热系数的影响较为明显,质量流量越高,换热系数越低;整体上来看,系统实验段饱和压力越高,换热系数越大,但当x_(out)0.2~0.3时,较大饱和压力条件下所对应的换热系数出现了低于较小饱和压力时的现象。在流动沸腾换热过程中,两相摩擦压降是构成压降的主要组成部分,约占总压降的63%,摩擦压降随着热流密度和质量流量密度的增加而增加,而随饱和压力的增大而减小。4)将实验结果与较为经典、引用量较高的预测关联式的预测结果进行对比,其中,换热系数的实验结果与经典文献中的15个传热关联式的预测结果进行了对比,摩擦压降的实验结果与压降预测模型(包括均相模型和分相模型)的预测结果进行了对比分析。结果表明,现有传热关联式整体上预测偏差较大,Cooper公式、Bertsch公式、Gungor-Winterton公式及Tran公式的预测结果相对较好,平均绝对误差分别为37.7%、39.4%、39.9%、39.1%,但仍处于一个高误差范围;压降均相模型(Cicchitti公式)可对摩擦压降的实验结果进行较好的预测,平均绝对误差约为17.23%。