喷雾冷却换热机理和影响换热性能的因素

 基于目前国内外相关研究结果,分析了喷雾冷却的传热特性,阐述了喷雾冷却换热机理,给出了强化方法,研究了影响换热性能的因素,并给出一些理论临界热流密度（CHF）模型。最后结合高功率激光器件的散热需求,提出了喷雾冷却的发展方向。     

高功率固体激光器喷雾冷却技术

 喷雾冷却作为一种解决高功率激光器散热需求的技术得到越来越多的关注。结合近几年的研究工作,综述了喷雾冷却技术的研究现状。针对高功率激光器的散热需求,主要从传热机理、影响因素、温度均匀性方面进行阐述,分析了存在的问题。提出将制冷系统和喷雾系统结合、R600a等制冷剂为冷却剂的冷却方案,设计了气助式制冷喷雾冷却系统,分析了适用于制冷喷雾冷却系统的工质,提出了喷雾冷却技术在高功率固体激光器散热中的发展方向。     

喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却性能的影响

为了满足大功率激光器件高热流密度及低表面温度的冷却需求,以R22为冷却工质,实验研究了在闭式系统中改变喷雾腔压力及喷嘴孔径对相变喷雾冷却中临界热流密度、冷却温度等冷却性能的影响,实验结果表明:在喷雾入口压力为0.8 MPa,喷雾高度为22 mm,入口温度为-3 ℃的实验条件下,当喷雾腔压力在0.2~0.4 MPa范围内变化时,随着喷雾腔压力的升高,临界热流密度值（CHF）先增大后减小,存在最优的临界热流密度,冷却壁面温度随着喷雾腔压力的升高而上升;当改变喷嘴孔径时,CHF存在最优值,过小及过大的孔径均会影响喷雾冷却性能;当喷嘴孔径为 0.4 mm,喷雾腔压力为0.34 MPa时, CHF值最高,为276.1 Wcm-2,其对应的被冷却表面温度为26.8 ℃,表面换热系数为 66 640 Wm-2K-1。     

小温差喷雾碰壁蒸发过渡段换热特性分析

本文对小温差下水平面的喷雾碰壁蒸发传热特性进行了实验研究.通过对实验数据的分析发现,喷雾碰壁蒸发换热过程可分为三个阶段,即雾化工质单相冲击对流换热段、过渡换热段、充分沸腾换热段.在喷雾碰壁蒸发换热过程中,总的热流密度由单相冲击对流换热的热流密度和沸腾换热的热流密度两部分组成.据此,提出并改进了喷雾碰壁蒸发换热过程中过渡段换热系数的处理方法,将有利于对喷雾碰壁换热的进一步研究.     

基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统实验研究

喷雾冷却是一种高效换热方式,有着良好的发展前景,其主要优势在于单位质量流体冷却能力强、系统中工质用量少、换热表面温度分布均匀、系统稳定性强。本文设计了使用R134-a作为工质的基于制冷循环的闭式喷雾冷却系统,研究了不同质量流量、腔内压力和热流密度情况下的冷却性能。实验结果表明,喷雾冷却的换热能力优异,最大冷却热流密度达到130 W/cm~2,同时可将表面温度控制在45℃以下,可以保证电子器件的稳定高效运行。此外,系统工质流量及腔内压力存在最优值,且表面过热度对冷却效率有显著的影响。     

以R21为工质开式系统喷雾冷却实验研究

本文采用准稳态法对以R21为工质的开式系统喷雾冷却性能进行了实验研究。实验在一个大气压和室温条件下进行,并与去离子水的喷雾冷却性能进行了对比。实验结果表明;热流密度在2.87×10~5~7.99×10~5 W/m~2范围内,并且热流密度相同的工况下,工质为R21的热沉表面温度明显低于去离子水;喷雾流量在10.7~17.7 L/h范围内,热流密度和换热系数随着喷雾流量的增加而增大;喷雾高度在6~15 mm范围内,热流密度和换热系数随着喷雾高度的增加先增加后减小。     

喷雾冷却的热逆转现象及其传热强化特性

针对高热流密度激光介质散热问题,利用实验方法研究了以十二烷基硫酸钠水溶液作为工质的喷雾冷却传热特性。结果表明,在特定的热流密度范围内,随着热流密度的增加,加热面温度不升反降,称之为热逆转。热逆转现象对对流换热系数的提升作用可高达94.0%,提升大小与热流密度有关。热逆转对应的热流密度区间为80～130 W/cm2,与浓度关系较小。热逆转现象与实验过程有关,该现象仅在热流密度逐渐升高的过程中出现,降低和任调热流密度过程中未发现此现象。热逆转具体原因还有待研究。     

R1336mzz闪蒸喷雾冷却传热特性的实验研究

闪蒸喷雾冷却是高热流密度电子器件有效的散热技术之一。本研究采用新型工质R1336mzz,建立了一个闭式闪蒸喷雾冷却实验平台,研究了喷雾流量和入口温度等影响因素对其传热特性的影响。实验结果表明,闪蒸喷雾冷却的传热性能随流量的增加先增大后减小,在流量为1.4 L/min时,获得最佳的传热性能,临界热流密度最高可达349 W/cm²。较高的入口温度能够改善传热性能,这是因为高入口温度有助于提高闪蒸雾化效果,产生更多细小液滴,大大提高了闪蒸喷雾冷却系统的传热性能。     

喷淋高度对氨喷雾相变冷却特性的影响

喷雾相变冷却具有高热流密度的换热能力,本文通过建立喷雾相变冷却实验系统,以液氨为工质,使用单喷嘴,对冷却面为2.5 cm×1.2 cm的热沉进行了实验研究。结果表明:以氨为工质的喷雾相变冷却具有较高的换热能力;在热流密度达到400W/cm~2时,热沉表面的温度在15℃以下;在实验工况不变时,随喷嘴喷淋高度的降低,临界热流密度值(CHF)增大,最大换热系数可达95000 W/(m~2·K)。     

开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究

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 ℃。     

泡沫金属对含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的影响

实验研究了制冷剂-润滑油混合流体在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热特性。泡沫金属为10ppi、90%孔隙率;制冷剂为R410A,润滑油为VG68,油浓度为0～5%。实验结果表明:纯制冷剂工况下,泡沫金属强化流动沸腾换热系数,换热系数提高30%～120%;含油工况下,泡沫金属只强化流动沸腾换热系数20%以下,在低质流密度或者高质流密度的高干度情况下出现恶化换热的情况。润滑油总是恶化制冷剂在内嵌泡沫金属圆管内流动沸腾的换热系数,换热系数最多恶化71%,且在低质流密度下对换热的恶化比在高质流密度工况下严重。     

大冷量相变喷雾冷却的实验研究

相变喷雾冷却具有很高的换热效率和临界热流密度,为了获得大冷量相变喷雾冷却特性,文中设计并搭建了开式喷雾冷却性能实验台,采用R22制冷剂开展了大热流密度喷雾冷却特性的实验研究,详细研究了不同喷嘴入口压力、不同喷雾高度以及不同加热功率下R22的喷雾相变冷却效果。实验结果的分析表明:采用R22时最高热流密度可达到150W.cm-2,其对应的被冷却表面温度为-29.0℃,具有高热流密度及低冷却表面温度的显著特点;实验还从一定程度上揭示了喷嘴高度和喷嘴入口压力对R22喷雾冷却效果的影响。     

Effect of Coolant Temperature on the Condensation Heat Transfer in Air-Conditioning and Refrigeration Applications

This article directly investigates the effect of a cooling medium's coolant temperature on the condensation of the refrigerant R-134a. The study presents an experimental investigation into condensation heat transfer, vapor quality, and pressure drop of R-134a flowing through a commercial annular helicoidal pipe under the severe climatic conditions of a Kuwait summer. The quality of the refrigerant is calculated using the temperature and pressure obtained from the experiment. Measurements were performed for refrigerant mass fluxes ranging from 50 to 650 kg/m²s, with a cooling water flow Reynolds number range of 950 to 15,000 at a fixed gas saturation temperature of 42°C and cooling wall temperatures of 5°C, 10°C, and 20°C. The data shows that with an increase of refrigerant mass flux, the overall condensation heat transfer coefficients of R-134a increased, and the pressure drops also increased. However, with the increase of mass flux of cooling water, the refrigerant-side heat transfer coefficients decreased. Using low mass flux in a helicoidal tube improves the heat transfer coefficient. Furthermore, selecting low wall temperature for the cooling medium gives a higher refrigerant-side heat transfer coefficient.     

An Experimental Investigation of Liquid Jet Impingement and Single-Phase Spray Cooling Using Polyalphaolefin

Experiments on triangular and rectangular array jet impingement and single-phase spray cooling have been performed to determine the effect of both cooling techniques on heat transfer coefficient (h) and the coolant mass flux required for a given cooling load. Experiments were performed with circular orifices and nozzles for different H/D values from 1.5 to 26 and Reynolds number range of 219 to 837, which is quite lower than the ranges employed in widely used correlations. The coolant used was polyalphaolefin. The experiments simulated the boundary condition produced at the surface of the stator of a high power low-density generator or motor. For the custom fabricated orifices, commercial nozzles, and conditions used in this study, both cooling configurations showed enhancement of heat transfer coefficient as H/D increases to a certain limit after which it starts to decrease. The heat transfer coefficient always increases with Reynolds number. In keeping with previous studies, single-phase spray cooling technique can provide the same heat transfer coefficient as jets at a slightly lower mass flux, but with much higher-pressure head. Special Nu_d correlations that account for the range of parameters and coolant studied in this work are derived.     

适用于服务器CPU散热的微通道两相流研究

设计了一套以R134a为冷媒的微槽道两相流循环散热系统,用于冷却高发热密度的服务器CPU,实测综合传热系数1000~1200 W/(m^2·℃)。冷却水既可以由制冷机提供,也可以由蒸发冷却装置提供.搭建了实验测试平台,系统地测试和对比了该系统在不同CPU负荷和冷却水供水温度工况下的散热性能.测试结果表明,通过饱和温度为25~30℃的R134a两相流相变传热,可将散热热流密度为3 W/cm^2量级、总散热量在50~150 W量级的CPU本体温度稳定控制在50~60℃。根据实测数据,在不同气候条件下,该系统应用于大型数据中心全年理论能效比可以达到10以上,远高于常规机房空调。该系统具有换热能力强、体积小、能效高、冷源温度高、适用性广、节能潜力大等优点,具有可观的经济效益和社会效益。     

高功率激光器喷雾冷却的实验研究

 以水为冷却介质,采用Spray公司的TG0.3机械雾化实心圆锥喷嘴,在体积通量为0.044,0.049和0.053 m³/(m²·s)情况下,对刻有不同微结构槽道冷却面的无沸腾区换热性能进行实验研究。结果表明：刻有微结构的表面可明显增强换热效果;壁面刻有高为0.2 mm的微结构槽道且壁面温度为52 ℃时,体积通量为0.044 m³/(m²·s则热流可达260 W/cm²,通量为0.053 m³/(m²·s则散热功率高达376 W/cm²,完全可以满足当前高功率激光器的散热需求。对于光滑面以及槽肋高为0.1和0.2 mm的换热面,其换热能力随着体积通量的增加而增强;换热面高度为0.4 mm时,通量对换热的影响变得较微弱。微结构槽道不仅增加了换热面积,还有利于液膜扩散,减小液膜厚度,增强换热。在三种不同的流量通量下,高度为0.2 mm的微结构槽道换热性能最佳。     

喷雾冷却过程的数值模拟方法探索

喷雾冷却是一种高效的热控技术，为了探索形成喷雾冷却技术设计流程，文章研究了喷雾冷却过程的数值模拟方法.针对单相模式和相变模式的喷雾冷却数值模拟，利用发展成熟的内燃机燃油喷雾油膜模拟方法来模化喷雾冷却液膜的相变与传热，开展了基于计算流体动力学的模拟计算.同时建立了喷雾冷却实验台，开展了稳态喷雾冷却实验.计算结果与实验对比表明，基于内燃机燃油喷雾的油膜模拟方法能够较准确地计算单相传热模式下的喷雾冷却性能，而会显著低估相变传热模式下的喷雾冷却性能.