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摘要：喷雾冷却技术是一种新型的热管理技术，本文设计并搭建了喷雾冷却传热传质特性实验系统，在实验条件下，通过改变喷雾流量、喷雾温度以及喷射角度来研究其对冷却效果的影响。研究发现：喷雾流量和温度对换热系数、热通量以及局部换热系数有较大的影响；喷射角度对冷却效果影响较小；喷淋密度对换热系数影响显著，但会引起热通量的大幅变化。本文所做的研究可以为喷雾冷却技术在板式换热器上的应用提供一定的参考。

关键词：盘管；喷雾冷却；传热传质；实验

引言

随着科技的发展，许多设备需要冷却，如精密仪器、半导体器件、集成电路等。传统的冷却方法包括水冷却、风冷、液冷和热管等，这些方法都具有一定的局限性，比如水冷却易受温度影响，风冷和液冷容易产生结露问题等。因此，研究新型冷却技术成为了一个热点。喷雾冷却是一种新型的热管理技术，它通过液态的液滴与空气进行换热，与传统的水和风冷却相比具有显著的优势。其特点是换热系数大、蒸发速率高、不易结露等。然而喷雾冷却技术在我国起步较晚，并且喷雾冷却技术还需要更深入的研究和开发。本文通过设计搭建喷雾冷却传热传质特性实验系统来研究不同参数对喷雾冷却效果的影响，具体包括：喷雾流量、喷雾温度以及喷射角度。实验中用到了两相流速仪、激光热像仪、激光位移传感器等设备来测量喷雾过程中的热量传递情况及液滴分布情况。

一、喷雾冷却原理

喷雾冷却技术是将液态工质喷到介质表面形成雾状水滴，工质与喷淋介质之间存在着一层液膜，该液膜的存在使得液体表面张力减小，增加了液体的汽化潜热。在蒸发过程中，工质蒸发产生的热量通过液体向周围空气传播。在液滴与空气接触过程中，空气温度下降，使得空气中的潜热被蒸发带走，从而降低了周围空气的温度。当液膜与外界进行热交换时，水分蒸发吸热并通过冷凝放热回到液态工质中。在液体喷淋时，喷淋介质与工质之间存在着液膜，同时含有蒸汽和冷凝水。当加热介质处于饱和温度以上时，蒸汽冷凝形成的液滴会沿喷雾方向排列并在喷雾表面凝结成水膜。这种由液滴蒸发吸热并通过冷凝放热回到液体的过程称为喷雾冷却。喷雾冷却技术在传热传质领域的应用非常广泛，它主要应用于热源热管换热以及电子设备冷却[1]。喷雾冷却技术的优点主要表现在：第一，喷雾冷却可以实现微尺度下的传热传质过程，传热系数大，换热性能好；第二，喷雾冷却技术可以有效地避免工质和散热器之间的直接接触，使之能充分利用空气的动能提高换热能力；第三，喷雾冷却技术可以实现液体工质的连续喷射，从而能有效地降低流体流动阻力；第四，喷雾冷却技术对被冷却介质不会产生污染和腐蚀作用；第五，喷雾冷却技术的应用范围广泛，既可以用于各种电子设备的冷却，也可以用于其他领域如化学和生物反应过程中的热量回收等。喷雾冷却技术的应用非常广泛，它不仅可以用于热源热管和电子设备冷却，而且还可以用于其他领域的热量回收。喷雾冷却技术在传热传质领域的应用主要体现在：第一，喷雾冷却技术可以有效地降低被冷却介质的温度；第二，喷雾冷却技术可以有效地降低被冷却介质的温升；第三，喷雾冷却技术可以有效地提高传热传质效率；第四，喷雾冷却技术可以有效地提高传热传质效果；第五，喷雾冷却技术可以有效地提高传热传质效果。目前国内外对于喷雾冷却技术在传热传质领域的研究主要集中在以下几个方面：第一，喷雾冷却技术在电子设备冷却方面的研究；第二，喷雾冷却技术在热源热管换热方面的研究。

二、实验系统

本文搭建的喷雾冷却传热传质特性实验系统主要由喷雾单元、热流传感器、流量控制单元和数据采集与控制单元等组成，可实现对喷雾冷却过程中的喷雾流量、喷淋密度和喷射角度进行控制。喷嘴由水和高纯度氮气组成，喷嘴的直径为0.1 mm，喷嘴的间距为0.2 mm，喷淋密度为5～10L/min。为了实现对不同工况下的喷雾冷却过程进行观测，本文设计了三个喷雾单元。其中A区为高流量控制单元，由气液分离器、流量传感器和压力变送器组成；B区为高温度控制单元，由温度传感器、水温控制器和压力变送器组成；C区为高精度压力传感器，由压力传感器和流量控制器组成。通过在A区的喷嘴中通入氮气进行降温，并在B区的喷嘴中通入高纯度氮气进行加热，然后通过在C区的喷嘴中通入氮气进行降温。气液分离器的作用是将汽化后的氮气分离为气态，再将液态氮气送入B区，再加热到50℃以上，通过加热的方式使液态氮气凝结为气态，然后送入C区。为了研究喷雾冷却过程中的传热传质特性，设计了一种热流传感器，它可以将热流密度转换成电信号并将其传输给计算机。本实验所用热流传感器是由铂电阻和电阻温度计组成，可以测量热流体的温度、压力以及热通量等参数。在A区和C区中设计了数据采集与控制单元，通过采集和处理数据来获得相应的实验数据。A、B、C三个区域的流量均可根据需要进行调节[2]。在喷雾单元与热流传感器之间设计了流量控制单元，当喷雾单元工作时，通过流量计可以计算出所需的喷雾流量。实验所用工质为水和氮气，温度设置在40℃～50℃之间，流量范围在1～3L/min之间。实验工况分别为：喷雾流量分别为50L/min、200L/min；喷淋密度分别为10L/min、20L/min；喷淋角度分别为0°、45°、90°。

三、实验结果分析与讨论

通过以上实验，可以得出以下结论：

（一）从图1中可以看出，三种不同材料的导热系数随高度的变化而变化。SS1的导热系数在30-40mm范围内是先升后降的趋势，SS2和SS3的导热系数在30-50mm范围内是持续上升的趋势。

（二） 从图2中可以看出，三种不同材料的导热系数随高度的变化而变化。SS1的导热系数在30mm以下较高，在30mm以上较低；SS2的导热系数始终低于SS1和SS1.5；3.6的导热系数先随着高度增加逐渐达到最大值，后随着高度增加逐渐降低。

（三） 从图3中可以看出，随着加热功率的增加，三种不同质量的试样均呈现上升趋势。当加热功率为2.08kW/min时，3.6kg试样的线斜率最大，升温最快；而4.2kg和2.05kg/min的试样线斜率相近，升温速度也相近。

（四） 从图4中可以看出，随着 Chamber pressure 的增大，Heat flux （W/cm^2） 呈现出先升后降的趋势。当 Chamber pressure 在0.4 MPa到0.6 MPa之间时，Heat flux 迅速上升；在0.6 MPa到0.7 MPa之间，Heat flux 略有下降；在0.7 MPa到0.8 MPa之间，Heat flux 再次显著上升；最后在0.8 MPa以上，Heat flux 开始明显下降。

四、喷雾冷却热质传输特性

喷雾冷却装置包括：雾化单元、冷却单元、换热单元、电源及控制系统。其中，雾化单元用来将液体雾化成雾滴，冷却单元用来将雾滴加热到一定温度，换热单元用来将加热后的雾滴与空气进行换热，电源及控制系统用于对雾滴的加热功率进行控制。在喷雾过程中，喷雾的压力会对液滴的分布产生影响。压力会影响到雾滴的形状，并且会影响到雾滴在空气中的扩散速率[3]。因此，本文选取了压力作为衡量喷雾冷却过程中液滴分布情况的一个重要指标。雾化单元主要由喷嘴和雾化盘组成，其中喷嘴用来将雾滴喷入空气中，雾化盘则是用来使雾滴在空气中保持均匀分布。实验中使用了一个直径为0.5 mm的不锈钢喷嘴，它可以将雾化介质从空气中完全雾化成直径为2.5μm的液滴。冷却单元包括：水冷、汽冷、热管以及热管换热单元。其中水冷用来对喷雾冷却后的温度进行控制；汽冷用于对冷却水进行降温；热管用于加热喷雾冷却后的空气。在喷雾冷却过程中，空气和冷却水之间会发生热质交换，包括了凝结过程、蒸发过程以及沸腾过程。本文通过激光热像仪来研究了在喷雾冷却过程中热量传递及传热传质特性。喷雾冷却系统主要由喷雾单元、加热单元、冷却单元以及循环冷却单元等部分组成。喷雾单元由加热器、供液系统以及控制系统构成。其中，加热装置主要负责对热源进行加热，以满足喷雾冷却系统运行时的温度需求。控制系统负责调节喷雾单元中各个部件的工作状态，同时，在喷射过程中，为了保证喷头始终处于开启状态，需要对喷头进行控制。实验系统由热电偶、温控仪以及压力传感器等组成。在本实验中，采用热电偶测量喷雾单元内部的温度分布情况。利用压力传感器检测加热过程中加热板两端压力的变化情况，由此可以得出喷雾单元内部的温度变化情况。实验中采用两种方式对喷雾冷却特性进行测试：一是在实验过程中同时改变两种液体的流量、温度以及喷射角度来观察喷雾冷却特性；二是在喷雾结束后同时改变两种液体的流量和温度，来观察喷雾冷却特性。实验中，采用的液体是工质R22，工质流量为100 mL/min，喷雾角度为30°，在此条件下对喷雾冷却特性进行研究。在喷雾结束后，利用热电偶检测到的温度数据和压力数据以及数据处理软件对喷雾冷却过程中的热质传输特性进行分析。在喷雾结束后，随着流量的增加，出口截面温度先升高后降低，在达到最大值之前，流量会缓慢增加；随着温度的升高，出口截面温度逐渐降低，在到达最大值后开始下降；随着喷射角度的增加，出口截面温度先增加后减小；随着喷射角度的增加，热通量逐渐降低。在喷雾结束后，热通量和流量都保持不变。随着喷射角度的增加，流量先增加后减小；随着温度的升高，流量逐渐减少。当喷射角度为30°时，流量最大；随着温度的升高，流量逐渐减少；随着喷射角度的增加和温度的降低，出口截面温度都降低[4]。在喷雾结束后，流量和温度均保持不变；随着喷射角度的增加，流量先增加后减小，当喷射角度为30°时流量最大；随着温度的升高，流量逐渐减少，当温度达到80℃时，流量为最小；随着流量的增加和温度的降低，出口截面温度都降低。

结论

本文通过对喷雾冷却实验装置进行了设计，并搭建了喷雾冷却传热传质特性实验系统，通过改变喷雾流量、喷雾温度以及喷射角度来研究其对喷雾冷却传热传质特性的影响。主要结论如下：第一，通过改变喷雾流量，可以使喷雾冷却换热系数、热通量以及局部换热系数发生变化，随着流量的增大，其变化幅度减小；第二，随着喷雾温度的升高，换热系数热系数都会增大；第三，改变喷射角度可以使喷雾冷却换热系数发生变化，随着喷射角度的增大，其变化幅度减小[5]。在实验范围内，在一定的范围内增加喷射角度可以使换热系数和局部换热系数减小；第四，喷淋密度对换热系数有显著影响，随着喷淋密度的增加，其变化幅度增大；第五，在实验范围内，喷雾流量和温度对喷雾冷却传热传质特性影响显著。随着流量的增大和温度的升高，其变化幅度减小。

参考文献：

[1]周年勇，冯浩，许泓烨等.R134a闭式喷雾冷却传热性能实验研究[J].制冷学报，2021，42（03）：152-158.

[2]赵宇新. 喷雾冷却中重力对两相区换热性能影响的研究[D].大连理工大学，2019.

[3]王高远，王超，姜培学等.R134a低压闪蒸喷雾冷却实验研究[J].工程热物理学报，2020，41（10）：2549-2553.

[4]陈华. 闪蒸及喷雾液滴特性对喷雾冷却强化换热的影响[D].中国科学技术大学，2018.

[5]杨春光，张浩，刘军.开式单喷嘴喷雾冷却均匀性实验研究[J].强激光与粒子束，2020，32（07）：23-28.

基金项目：江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究面上项目（22KJD580001），江苏海事职业技术学院科技创新基金项目（kicx2020-2）