真空閃蒸噴霧冷卻中非等溫液滴閃蒸特性的研究

2015-06-07 程文龍中國科學技術大學熱科學與能源工程系

　　真空閃蒸噴霧冷卻是利用液體工質在真空環(huán)境下相變吸熱來冷卻加熱表面的新型冷卻手段。具有散熱能力強、所需工質少，與加熱表面沒有接觸熱阻等優(yōu)點，在航天器電子元器件冷卻方面具有廣闊的應用前景。液滴閃蒸是真空閃蒸噴霧冷卻閃蒸過程的重要組成部分，要研究整個真空閃蒸噴霧冷卻系統(tǒng)的閃蒸過程就必須對液滴的閃蒸特性進行研究。本文考慮液滴閃蒸過程中液滴內部存在的溫度梯度和對流的影響，采用擴散控制蒸發(fā)模型并結合導熱方程，對液滴的熱導率進行修正，建立了熱導率修正模型計算直徑為微米級液滴在毫秒量級時間內的真空閃蒸特性，并通過實驗驗證。研究結果表明，導熱模型較等溫模型能更準確地預測液滴溫度的變化；液滴閃蒸導致液滴到達被冷卻表面時，其溫度下降明顯，但體積幾乎沒有變化；并且，環(huán)境壓力越低，液滴的初始半徑越小，液滴速度越大，液滴閃蒸對液滴溫度的影響越明顯。

　　真空閃蒸噴霧冷卻是指高溫高壓液體工質從噴嘴射入真空閃蒸腔中，形成均勻的微細霧狀液滴，并以較高的速度沖擊高熱流密度被冷卻表面，依靠液體迅速相變吸熱的一種新型散熱手段。與傳統(tǒng)的噴霧冷卻相比，真空閃蒸噴霧冷卻系統(tǒng)的工質在低壓環(huán)境下過熱度更大，蒸發(fā)的速率更快，散熱能力更強，在電子元器件散熱方面有非常廣闊的應用前景。在美國，真空閃蒸噴霧冷卻技術已經(jīng)得到應用。

　　NASA 已經(jīng)把閃蒸噴霧技術應用到航天器的熱控系統(tǒng)，并將緊湊式閃蒸器技術作為航天器熱控優(yōu)先發(fā)展方向之一。而在國內，真空閃蒸噴霧冷卻技術還未成熟，因此有必要對真空閃蒸噴霧冷卻的特性進行研究。真空閃蒸噴霧冷卻的閃蒸過程包括液滴到達被冷卻表面之前的液滴閃蒸和到達表面后在被冷卻表面的液膜閃蒸這兩種閃蒸過程。而前者所造成的液滴自身的溫度和尺寸變化將影響到后者的閃蒸特性并進而影響整個真空閃蒸噴霧冷卻系統(tǒng)的換熱性能。霧化后的液滴直徑在50 μm 左右，且由于真空閃蒸噴霧冷卻系統(tǒng)結構非常緊湊，其噴嘴到加熱表面的距離在10 mm 以內，工質的噴射速度在10 m/s 左右，因此液滴達到被冷卻表面的時間在毫秒量級。

　　目前還沒有相關文獻研究直徑為微米級液滴在毫秒時間量級內的低壓閃蒸對液滴溫度、粒徑變化的影響。因此，有必要對真空閃蒸噴霧冷卻過程中的液滴閃蒸特性進行計算評估，從而為進一步分析液滴閃蒸對整個真空閃蒸噴霧冷卻的影響奠定基礎。而由于液滴的尺寸非常小，且閃蒸的時間非常短，通過實驗研究的難度非常大，本文采用數(shù)值模擬的方法對小尺寸液滴的閃蒸過程進行研究。

　　液滴閃蒸現(xiàn)象在很多領域都有應用，國內外學者對液滴閃蒸現(xiàn)象進行了大量數(shù)值模擬研究。周致富等對激光手術治療中的閃蒸噴霧和傳熱特性進行了比較深入的研究。章學來、趙凱旋等利用Hertz-Knudsen-Schrage 蒸發(fā)模型描述并預測靜止液滴的閃蒸結冰過程。辛慧等采用經(jīng)典蒸發(fā)模型計算了R404a 液滴的蒸發(fā)特性并提出R404a 可以比R134a 達到更低的溫度。辛娟娟等對單個液滴的蒸發(fā)模型中的不同質量和傳遞公式的有效性進行了分析。金從卓、Shin 等在用真空法制取冰漿時對液滴的溫度變化進行了建模分析。Shin 認為液滴顯熱的變化是蒸發(fā)吸熱與液滴和蒸汽的對流換熱的綜合結果，而在液滴表面存在蒸發(fā)與對流的熱平衡，從而得到液滴的表面溫度和液滴整體溫度的變化表達式。高文忠等在研究除濕溶液再生時以氯化鋰液滴為對象建立了液滴閃蒸的溫度方程，值得注意的是，文獻在數(shù)值模擬時都對液滴做等溫處理。然而在實驗研究中，劉偉民等對靜止液滴的真空閃蒸現(xiàn)象進行了實驗觀察及測量，并提出液滴在閃蒸過程中隨環(huán)境壓力的不同而存在不同的形態(tài)，液滴內部存在很大的溫度梯度，而外側溫度梯度很小。根據(jù)劉偉明的實驗結果，液滴外側的對流對換熱速率的影響不大，而Shin 在計算表面溫度時認為蒸發(fā)傳熱和對流換熱達到熱平衡，這會使計算的蒸發(fā)傳熱的速率偏小，從而造成液滴溫度下降速率偏慢。L. Liu 等研究了環(huán)境壓力下降過程中液滴的蒸發(fā)情況，并通過實驗發(fā)現(xiàn)液滴內部存在較大的溫度梯度。

　　基于劉偉民和L. Liu 等的實驗研究結果，本文考慮液滴內部的溫度梯度，建立了一維導熱模型來描述液滴的閃蒸過程。除了劉偉民，L. Liu 等外，杜王芳、趙建福等也對液滴閃蒸結冰的現(xiàn)象進行了研究。他們通過對快速降壓過程中單水滴閃蒸—凍結過程的實驗研究發(fā)現(xiàn)半徑為毫米量級液滴達到凍結所需的時間超過了毫秒量級；而與半徑為毫米量級的液滴處于相同的環(huán)境壓力時，由于表面張力的作用，半徑為微米量級的液滴內部壓力更大，過熱度更低，更不易發(fā)生結冰。除了以上實驗結論外，還必須考慮液滴在運動過程中會受到周圍蒸氣的剪切力作用，這種剪切力作用會造成液滴內部產(chǎn)生對流并增強液滴內部的傳熱效果。因此，需要對液滴的熱導率進行修正。

　　綜上所述，本文考慮了液滴內部存在的溫度梯度并考慮液滴內部存在的對流影響，對熱導率進行了修正，將擴散控制蒸發(fā)模型與導熱方程相結合，計算了在穩(wěn)定低壓環(huán)境下直徑為微米級液滴在毫秒量級時間內的閃蒸特性。

　　1、數(shù)學模型及模型驗證

　　1. 1、模型描述

　　本文對液滴閃蒸做出如下簡化：

　　(1) 由于液滴內部存在溫度梯度，且內部對流會增強液滴內部的傳熱效果，現(xiàn)建立一維徑向導熱方程并對熱導率進行修正，以修正對流換熱的影響。

　　(2) 由于液滴外側的溫差很小，忽略液滴表面的對流傳熱和與環(huán)境之間的輻射傳熱。

　　(3) 由于蒸汽壓力很低，可以將蒸汽看成理想氣體。

　　(4) 氣液兩相交界面滿足Clausius-Clapeyron 方程。

　　(5) 蒸汽運動速率遠小于液滴的運動速率，故液滴與其周圍蒸汽的相對速率假定為液滴的運動速率。

　　(6) 蒸發(fā)過程由擴散機制主導，且為準穩(wěn)態(tài)過程。

　　(7) 對液滴做常物性處理。

液滴閃蒸的模型圖