中圖分類號:TK124 文獻標識碼:A
0 引言
微細尺度流動和傳熱研究在高科技發展向微型 化邁進的應用背景下,成為國際傳熱學和MEMS中 的研究重熱點,從上世紀90年代以來,隨著微/納米技術的發展,國際上正在逐步形成一個微細尺度傳 熱的一個新的分支學科[1],其進展將給設備的小型 化和微型化帶來革命性的變革。
微細尺度的研究多是通過實驗來進行的,目前 的研究報道主要有TuckermanandPease[2],WuandLittle[3,4],Peng[5,6],朱恂和辛明道[7-9]等。已有研究 顯示,微細通道或結構中的流動換熱研究出現了以 下現象:微細通道層流向湍流過渡的雷諾數減小,其 臨界雷諾數Rec可為300~1000;微細通道湍流Nu 數比常規情況高5~7倍;充分發展通道流的f.Re ≠const,Nu≠const,它應是雷諾數的函數;微細通道 湍流的Nu數比常規情況高5~7倍;近年來,許多 研究者在此領域進行了大量的工作,但不同研究者 得到的實驗結果存在一定的差異,甚至有的還存在 許多定性和定量的矛盾[1]。微管道內流動與換熱實 驗研究現狀表明:國內外的學者在不同實驗條件下 所得的實驗結果可比性較差,不具有直接的參考價 值。因此本實驗對加工有20條槽道,當量直徑分別 為0.55mm、0.91mm、1.38mm,槽道形狀為矩形和三 角形的小尺度流道換熱器,以純凈水和體積濃度為 30%的乙二醇溶液為工質進行實驗研究,分析當量 直徑、槽道截面形狀、換熱工質等因素對換熱的影 響,希望為小尺度流道換熱器的實際應用提供理論 依據。
1 實驗裝置和實驗方法
本系統包含實驗工質和冷卻水兩個回路。實 驗工質回路由水箱、水泵、流量計、實驗段、加熱器、 板式換熱器及管路系統組成;冷卻水回路由板式換熱器、恒溫水槽組成。實驗系統見圖1:實驗時水箱 充工質至80%水箱容積,水箱中的工質經水泵加壓 后經回流閥和調節閥分流后分為兩路,一路經回流 閥返回水箱;另一路經調節閥調至合適的流量后,進 入實驗段。由熱流密度為1.6×105W/cm2的氧化鋁 陶瓷加熱器模擬電子芯片發熱,再由小尺度槽道換 熱器內的液體工質將熱量帶走。加熱后的工質進入 板式換熱器,與恒溫水槽的冷水進行熱量交換,工質 冷卻后回到水箱,完成一個循環。工質的流量在實 驗段入口處測量,壓力傳感器及鎧裝鉑電阻的測頭 分別安裝在實驗段的進出口,小尺度槽道換熱器與 加熱器之間均勻布置四對鉑電阻,壓力與溫度傳感 器輸出的標準信號輸入到數據采集儀及PC機進行 數據處理。
2 實驗參數的測量
2.1 流量的測量
鑒于本實驗單根微槽道槽寬最小僅0.3mm,其 內微流體流量難以直接測量。因此本實驗測量小尺 度換熱器的總流量,按微槽道根數取平均后作為單 根微槽道的流量,采用德國ZENNER公司Com pact 戶用熱量表來測量流量并可同時測量進出口溫度, 精度高達99%以上。
2.2 溫度的測量
本實驗采用PT100鉑電阻來獲得實驗元件的換 熱系數和其表面的溫度分布。PT100溫度傳感器的主要技術參數如下:測量范圍:-200~+850℃;允 許偏差值Δ℃:A級±(0.15+0.002│t│),B級± (0.30+0.005│t│);熱響應時間<30s。
3 實驗數據的處理
定性溫度:取微槽道進出口流體的平均溫度。
T=(Tin+Tout)/2(1)
式中:Tin為流體的入口溫度;Tout為出口溫度。
微矩形槽道的當量直徑:
de=2WH/(W+H)(2)
式中:W為微槽道的寬度;H為微槽道的高度。
雷諾數Re:
Re=ρude/μ(3)
式中:u為微槽道內流體平均速度;μ為流體工質的 動力粘滯系數。
換熱Nu數:
Nu=hde/λ=qde/(Twin-Tf)λ(4)
式中:q為加熱熱流密度,Twin為微槽道壁面平均溫 度,Tf為微槽道內流體平均溫度,λ為流體的導熱 系數,h為對流換熱系數。
深槽型實驗段內部尺寸表:
4 結果與分析
通過對表1、2中六種不同型號的小尺度散熱器 分別以水與乙二醇溶液為工質進行實驗研究,并根 據上述公式整理數據,做出Nu-Re曲線圖,分別分析 當量直徑、物性、槽道截面形狀等因素與換熱的關 系,并根據Nu-Re曲線斜率的變化推測小尺度通道 中臨界雷諾數的范圍.下面以部分實驗工況為例,分 析小尺度換熱器的換熱規律及影響因素。
4.1 當量直徑de對Nu的影響
圖2,圖3分別為當量直徑分別為0.55mm、 0.91mm、1.38mm的小尺度矩形與三角形通道換熱 器,以水為換熱工質,Re變化范圍從200~3000時, 對流換熱Nu隨Re變化關系。可以看出對流換熱 Nu數隨著當量直徑的增大而逐漸增大。且隨著雷 諾數增大,當量直徑的變化對Nu的這一影響趨勢 也更加明顯,以圖2a為例,當雷諾數Re=500時,對 應當量直徑為0.91mm、1.38mm的Nu數比當量直徑 為0.55mm的Nu分別提高了約18%和58%;而當 Re=2000時,對應當量直徑為0.91mm、1.38mm的 Nu數比當量直徑為0.55mm的Nu分別提高了約 21%和64%。
4.2 Nu與Pr的關系
圖4、圖5分別為當量直徑(de=0.55mm)矩形 和三角形通道換熱器,以水和乙二醇溶液為換熱介質,實驗所得Nu隨Re變化曲線,可以看出,de、Re 都相同的情況下,Pr數大的乙二醇溶液的Nu數較 大。且隨著Re的增大,Pr數對Nu的這種影響趨勢 也漸趨明顯。以圖3a為例,在等于500時,乙二醇 溶液的Nu數比水的Nu數提高10%左右,當Re= 1000、1500、2000時,這個值分別為12%、17%、31%。
4.3 槽道截面形狀對Nu的影響
圖6、圖7為分別以純凈水和乙二醇溶液為工 質時,當量直徑為0.55mm的兩個不同槽道形狀的 散熱器,其Nu-Re圖表明:Re相同時,三角形槽道的 Nu數大于矩形槽道的Nu數。即三角形槽道的換 熱器換熱效果優于矩形槽道換熱器。
4.4 關于臨界雷諾數
通過對各種實驗工況下的Nu-Re曲線進行對比 分析,可以發現:Nu-Re曲線的斜率存在著先增大后 減小的趨勢,該曲線斜率在開始有增加趨勢,分析認 為,這是由于流動狀態由層流向湍流的轉變造成的,而當Re到達某一范圍時,該曲線斜率又趨于平緩, 分析認為,這是由于此時流動狀態已達到湍流,增加 工質流速仍然能提高換熱效果,但提高幅度越來越 小,可以預見當Re最終到達某一值,此時,對換熱 效果的改善無明顯作用。因此認為Nu-Re曲線的斜 率由增到減的區間范圍,為流動狀態的過渡區,由以 上各圖可以看出此區間大致在Re為700~1200,即 在此區間內,流動由層流向湍流過渡。
5 結論
本文實驗研究了當量直徑為0.55~1.38mm并 具有不同結構參數的小尺度流道換熱器分別以水和 乙二醇溶液為換熱介質的換熱特性,結果表明:小尺 度流道換熱器的槽道形狀、單槽道的當量直徑以及 換熱介質的物性參數對單相對流換熱有顯著影響。 槽道形狀與雷諾數相同的情況下,當量直徑越大,Nu數越大;換熱效果來看,三角形槽道換熱器要優 于同當量直徑的矩形槽道的換熱器;換熱介質的Pr 數越大Nu數也越大;層流向湍流過渡的臨界雷諾 數Rec較常規尺度提前,大約為700~1200。 小尺度槽道內流體流動的傳熱問題是相當復雜 的,上述結論能否推廣應用還有待進一步擴大實驗 參數進行驗證。
參考文獻:
[1] 過增元.國際傳熱研究前沿[J].力學進展,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.微小槽道散熱器流動與換熱實驗研究[J].重慶 大學學報,2003,26(6):70-72.
[8] 朱恂,辛明道.滑移流區平行平板微通道內單側加熱流動與換 熱[J].重慶大學學報,2003,26(11):60-63.
[9] 辛明道,施晉生.微矩形通道內的受迫對流換熱性能實驗[A]. 中國工程熱物理學會第八屆年會論文集[C].北京:北京出版 社,1992.76-82.
