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喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究

韩丰云  
【摘要】:电子器件小型化、微型化和集成化技术发展迅速,功率密度也越来越高,其散热问题已成为制约高功率电子器件发展的一个关键瓶颈问题。喷雾冷却是一种高热流密度散热方式,由于具有散热能力强、工质需求量小等优点,在电子器件散热方面具有广阔的应用前景。本文的工作重点在于研究喷雾冷却的传热特性,进而分析了喷雾冷却加热而温度不均匀性的影响因素和形成机理,探索了强化表面和添加剂对喷雾冷却换热的影响。 首先,利用实验方法研究了喷雾冷却的传热特性和各主要因素对传热特性的影响,并得出了单相区和两相区换热的无量纲关联式。研究结果表明:喷雾高度、喷雾流量主要通过改变喷雾特性参数来影响换热,其对单相区换热影响最大:系统压力通过改变喷雾工质的饱和温度来影响发热表面的过热度,系统压力越低,喷雾冷却越提前进入两相区,发热面过热度越高,换热也越强;而入口温度对喷雾冷却单相区换热影响相对较小。通过对实验结果的分析,得出了喷雾冷却在单相区和两相区换热的无量纲关联式:单相区喷雾冷却换热无量纲关联式主要与液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和代表液膜蒸发速率的无量纲温度有关;两相区喷雾冷却换热的无量纲关联式主要与喷雾液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和雅克伯数有关,所得关联式和本文及国内外文献的实验结果相比,其误差在10%以内,具有较高的精度。 在对原喷雾冷却理论模型修正的基础上,结合实验方法研究了不同喷雾高度、喷雾流量、热流密度、喷嘴、系统压力以及重力条件下的表面温度不均匀性。研究结果表明:实验结果和计算结果吻合较好,其误差小于10%;喷雾高度、喷雾流量和喷嘴类型通过改变喷雾特性参数来影响喷雾冷却换热,并进而对表面温度不均匀性产生重要影响;表面温度不均匀性随着热流密度的增大而增大,当喷雾冷却工作在两相区时,这种增长的趋势会得到减缓;低系统压力时的表面温度不均匀性低于常压下的表而温度不均匀性;在单相区,微重力条件下和常重力条件下喷雾冷却的表面温度不均匀性相差很小;在两相区,这种表面温度不均匀性差别增大,微重力条件下喷雾冷却的温度不均匀性远远大于常重力条件下的喷雾冷却。 本文还通过对不同喷雾液滴速度分布不均匀性、SMD分布不均匀性、液滴数分布不均匀性及不同加热功率下的液膜厚度、液膜速度和表面温度分布进行仿真分析,探讨了喷雾冷却表而温度不均匀性的形成机理,并得到了影响表面温度不均匀性的关联式。液膜厚度、速度及表面温度分布随喷雾液滴速度分布不均匀性、SMD分布不均匀性、液滴数分布不均匀性的改变而发生变化;随着三个喷雾特性参数不均匀性的减小,加热面上液膜厚度分布趋向均匀,液膜速度增大表面温度不均匀性减小;加热面上温度最高点出现在加热面中心,最低点出现在液膜覆盖区和无液膜区的分界处;液滴数分布不均匀性的变化对表面温度不均匀性的影响最大,其次是液滴速度分布不均匀性,液滴SMD分布不均匀性对表而温度不均匀性的影响最小;表面温度不均匀性主要是由于喷雾特性参数的不均匀性和加热面上的液膜分布不均造成的;最后通过对这些影响因素的分析,得到了反映单相区和两相区表面温度不均匀性的关联式,其误差在20%以内。 最后,通过实验方法探索了直肋结构强化表面和不同添加剂对喷雾冷却的换热的影响,并提出了采用高醇类添加剂强化喷雾冷却传热特性的方法。研究结果表明:直肋结构强化表面能增大有效传热面积,进而增强喷雾冷却的换热能力,但对换热能力增强较小,仅为12%;盐类添加剂(NaCl和Na2SO4)、高醇类添加剂(1-Octanol和2EH)均能对喷雾冷却的换热起到增强的作用,但是这种增强作用并非随溶液中添加剂的含量的增大而单调增大的,当添加剂含量增大到-定程度后,其喷雾冷却的换热能力反而下降:以盐类添加剂(NaCl和Na2SO4)的水溶液为喷雾工质的喷雾冷却,其换热能力最大提高分别为29%和31%,但盐类添加剂容易堵塞喷嘴,对喷嘴和实验系统具有一定的腐蚀作用;以高醇类添加剂(1一Octanol和2EH)的水溶液为喷雾工质的喷雾冷却,其换热能力最大增幅分别为28%和36%,且此添加剂具有用量小,价格便宜,换热能力强,无毒无腐蚀性等优点,与盐类添加剂相比,具有更广阔的应用前景。


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