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小尺度流道换热器换热特性的实验研究

2009年04月24 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要:在单相强迫对流情况下,以当量直径为0.55mm、0.91mm、1.38mm,槽道截面形状为矩形和三角形的小尺度流道换热器为实验段,以水和乙二醇溶液为换热介质,进行实验研究,实验的Re数范围为300~2500,结果表明:雷诺数相同的情况下,对流换热Nu数随当量直径de的增大而增大,Pr数大的乙二醇水溶液的Nu数大于水的Nu数,槽道形状对换热器的换热效果有显著影响,三角形槽道的Nu数大于矩形槽道的Nu数,小尺度流道内流体流动的临界雷诺数Rec在700~1200之间。

0引言

微细尺度流动和传热研究在高科技发展向微型化迈进的应用背景下,成为国际传热学和MEMS中的研究重热点,从上世纪90年代以来,随着微/纳米技术的发展,国际上正在逐步形成一个微细尺度传热的一个新的分支学科[1],其进展将给设备的小型化和微型化带来革命性的变革。

微细尺度的研究多是通过实验来进行的,目前的研究报道主要有TuckermanandPease[2],WuandLittle[3,4],Peng[5,6],朱恂和辛明道[7-9]等。已有研究显示,微细通道或结构中的流动换热研究出现了以下现象:微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小,其临界雷诺数Rec可为300~1000;微细通道湍流Nu 数比常规情况高5~7倍;充分发展通道流的f.Re ≠const,Nu≠const,它应是雷诺数的函数;微细通道湍流的Nu数比常规情况高5~7倍;近年来,许多研究者在此领域进行了大量的工作,但不同研究者得到的实验结果存在一定的差异,甚至有的还存在许多定性和定量的矛盾[1]。微管道内流动与换热实验研究现状表明:国内外的学者在不同实验条件下所得的实验结果可比性较差,不具有直接的参考价值。因此本实验对加工有20条槽道,当量直径分别为0.55mm、0.91mm、1.38mm,槽道形状为矩形和三角形的小尺度流道换热器,以纯净水和体积浓度为 30%的乙二醇溶液为工质进行实验研究,分析当量直径、槽道截面形状、换热工质等因素对换热的影响,希望为小尺度流道换热器的实际应用提供理论依据。

1实验装置和实验方法

本系统包含实验工质和冷却水两个回路。实验工质回路由水箱、水泵、流量计、实验段、加热器、板式换热器及管路系统组成;冷却水回路由板式换热器、恒温水槽组成。实验系统见图1:实验时水箱充工质至80%水箱容积,水箱中的工质经水泵加压后经回流阀和调节阀分流后分为两路,一路经回流阀返回水箱;另一路经调节阀调至合适的流量后,进入实验段。由热流密度为1.6×105W/cm2的氧化铝陶瓷加热器模拟电子芯片发热,再由小尺度槽道换热器内的液体工质将热量带走。加热后的工质进入板式换热器,与恒温水槽的冷水进行热量交换,工质冷却后回到水箱,完成一个循环。工质的流量在实验段入口处测量,压力传感器及铠装铂电阻的测头分别安装在实验段的进出口,小尺度槽道换热器与加热器之间均匀布置四对铂电阻,压力与温度传感器输出的标准信号输入到数据采集仪及PC机进行数据处理。

2实验参数的测量

2.1流量的测量

鉴于本实验单根微槽道槽宽最小仅0.3mm,其内微流体流量难以直接测量。因此本实验测量小尺度换热器的总流量,按微槽道根数取平均后作为单根微槽道的流量,采用德国ZENNER公司Compact 户用热量表来测量流量并可同时测量进出口温度, 精度高达99%以上。

2.2温度的测量

本实验采用PT100铂电阻来获得实验元件的换热系数和其表面的温度分布。PT100温度传感器的主要技术参数如下:测量范围:-200~+850℃;允许偏差值Δ℃:A级±(0.15+0.002│t│),B级± (0.30+0.005│t│);热响应时间<30s。

3实验数据的处理

定性温度:取微槽道进出口流体的平均温度。

T=(Tin+Tout)/2(1)

式中:Tin为流体的入口温度;Tout为出口温度。

微矩形槽道的当量直径:

de=2WH/(W+H)(2)

式中:W为微槽道的宽度;H为微槽道的高度。

雷诺数Re:

Re=ρude/μ(3)

式中:u为微槽道内流体平均速度;μ为流体工质的动力粘滞系数。

换热Nu数:

Nu=hde/λ=qde/(Twin-Tf)λ(4)

式中:q为加热热流密度,Twin为微槽道壁面平均温度,Tf为微槽道内流体平均温度,λ为流体的导热系数,h为对流换热系数。

深槽型实验段内部尺寸表:

4结果与分析

通过对表1、2中六种不同型号的小尺度散热器分别以水与乙二醇溶液为工质进行实验研究,并根据上述公式整理数据,做出Nu-Re曲线图,分别分析当量直径、物性、槽道截面形状等因素与换热的关系,并根据Nu-Re曲线斜率的变化推测小尺度通道中临界雷诺数的范围.下面以部分实验工况为例,分析小尺度换热器的换热规律及影响因素。

4.1当量直径de对Nu的影响

图2,图3分别为当量直径分别为0.55mm、 0.91mm、1.38mm的小尺度矩形与三角形通道换热器,以水为换热工质,Re变化范围从200~3000时, 对流换热Nu随Re变化关系。可以看出对流换热 Nu数随着当量直径的增大而逐渐增大。且随着雷诺数增大,当量直径的变化对Nu的这一影响趋势也更加明显,以图2a为例,当雷诺数Re=500时,对应当量直径为0.91mm、1.38mm的Nu数比当量直径为0.55mm的Nu分别提高了约18%和58%;而当 Re=2000时,对应当量直径为0.91mm、1.38mm的 Nu数比当量直径为0.55mm的Nu分别提高了约 21%和64%。

4.2Nu与Pr的关系

图4、图5分别为当量直径(de=0.55mm)矩形和三角形通道换热器,以水和乙二醇溶液为换热介质,实验所得Nu随Re变化曲线,可以看出,de、Re 都相同的情况下,Pr数大的乙二醇溶液的Nu数较大。且随着Re的增大,Pr数对Nu的这种影响趋势也渐趋明显。以图3a为例,在等于500时,乙二醇溶液的Nu数比水的Nu数提高10%左右,当Re= 1000、1500、2000时,这个值分别为12%、17%、31%。

4.3槽道截面形状对Nu的影响

图6、图7为分别以纯净水和乙二醇溶液为工质时,当量直径为0.55mm的两个不同槽道形状的散热器,其Nu-Re图表明:Re相同时,三角形槽道的 Nu数大于矩形槽道的Nu数。即三角形槽道的换热器换热效果优于矩形槽道换热器。

4.4关于临界雷诺数

通过对各种实验工况下的Nu-Re曲线进行对比分析,可以发现:Nu-Re曲线的斜率存在着先增大后减小的趋势,该曲线斜率在开始有增加趋势,分析认为,这是由于流动状态由层流向湍流的转变造成的,而当Re到达某一范围时,该曲线斜率又趋于平缓, 分析认为,这是由于此时流动状态已达到湍流,增加工质流速仍然能提高换热效果,但提高幅度越来越小,可以预见当Re最终到达某一值,此时,对换热效果的改善无明显作用。因此认为Nu-Re曲线的斜率由增到减的区间范围,为流动状态的过渡区,由以上各图可以看出此区间大致在Re为700~1200,即在此区间内,流动由层流向湍流过渡。

5结论

本文实验研究了当量直径为0.55~1.38mm并具有不同结构参数的小尺度流道换热器分别以水和乙二醇溶液为换热介质的换热特性,结果表明:小尺度流道换热器的槽道形状、单槽道的当量直径以及换热介质的物性参数对单相对流换热有显著影响。槽道形状与雷诺数相同的情况下,当量直径越大,Nu数越大;换热效果来看,三角形槽道换热器要优于同当量直径的矩形槽道的换热器;换热介质的Pr 数越大Nu数也越大;层流向湍流过渡的临界雷诺数Rec较常规尺度提前,大约为700~1200。小尺度槽道内流体流动的传热问题是相当复杂的,上述结论能否推广应用还有待进一步扩大实验参数进行验证。

参考文献:

[1]过增元.国际传热研究前沿[J].力学进展,2000,30(1):1-6.

[2]TuckermanDB,PeaseRF.Optimizedconvectivecoolingusingmi- cromachinedstructure[J].ElectrochemSoc,1982,129(3):98C.

[3]WuPY,LittleWA.Measurementoftheheattransfercharacteristics

gasflowinfinechannelsheatexchangersusedformicrominiaturere-frigerators[J].Cryogenics,1984,24(8):415-420.

[4]WuPY,LittleWA.Measurementoffrictionfactorfortheflowof

gasesinveryfinechannelsusedformicrominizturejoule-thompsonre- frigerators[J].Cryogenics,1983,23(5):273-277.

[5]PengXF,WangBX.Coolingcharacteristicswithmicrochannelstruc- tures[J].JEnhancedHeatTransfer,1994,1(4):315-326.

[6]PengXF,WangBX.Liquidflowandheattransferinmicrochannels

with/withoutphasechange,keynotelecture[A].TenthInternational

HeatTransferConference[C].Brighton,England,1994.14-18.

[7]朱恂,辛明道.微小槽道散热器流动与换热实验研究[J].重庆大学学报,2003,26(6):70-72.