摘要
通过搭建液氮喷雾冷却实验台,研究了TG6.5型实心锥喷嘴的喷雾冷却特性,分析了临界点附近的过热度和热流密度以及过热度和换热系数的关系,讨论了喷雾面积和喷雾流量对换热效果的影响。结果表明:在换热过程中,随着热流密度的增加,过热度变化可以分为缓慢增加、明显增加和急剧增加3个阶段,并且区间的分布和换热面积的大小关系密切。受核态沸腾过程中气泡的影响,出现最大换热系数时的过热度要小于达到临界热流密度时的过热度。增加喷雾流量能显著提高换热效果;增大热沉面积会降低单位面积内液滴颗粒冲击的频次和强度,换热效果下降。
喷雾冷却技术是换热领域最为高效的手段之一,有广泛的应用价值和前景。其中以液氮作为工质的喷雾冷却,被用于低温风洞、高温超导、机械加工、航空航天、冷冻医疗和电子工业等诸多行业和技术领域。
工程中低温风洞通过液氮喷雾快速降低气流温度,以获取高雷诺
目前液氮喷雾冷却性能的研究方向为液氮喷雾特性、液氮喷雾换热性能这两方面,主要手段有实验研究和数值模拟。
在液氮喷雾特性方面,西安交通大学的学者做了较为深入的研究。他们从喷嘴特性、喷雾压力和工质物性等多个方面进行了实验和分析。文献[
在液氮喷雾换热性能方面的研究主要集中在表面过热度、换热效率、换热系数和临界热流密度等参数的研究。Tilton
在数值模拟的研究方面,主要是建立液氮喷雾的流动传热模型。RUAN在实验的基础上建立了低温风洞液氮喷雾模型,利用拉格朗日‑欧拉方法,模拟风洞内有230个喷嘴的阵列喷雾情况。模拟结果与实验进行了比对,偏差在20%的范围
综上所述,相比于其他冷却工质而言,液氮喷雾冷却技术的研究,国内外的成果并不是特别丰富。近年来国内方面主要是由西安交通大学科研团队开展,主要是针对液氮的喷雾状态和喷雾特性,用于低温风洞空间冷却技术,没有涉及表面换热特性。而国外对于液氮喷雾冷却实验研究的报道较少,并且对该课题缺乏系统性研究。本文通过搭建液氮喷雾冷却实验台,改变喷雾参数,对液氮喷雾冷却进行相关研究,进而揭示低温工质的喷雾冷却特性,在此基础上进一步探索喷雾冷却的换热机理和影响机制。
实验装置如

图1 实验装置示意图
Fig.1 Schematic of the experimental setup

图2 喷雾腔结构图
Fig.2 Schematic of the spray chamber

图3 模拟热源结构示意图
Fig.3 Structure of the heat sink
型号 | 喷孔直径/mm | 最大畅通通道直径/mm | 喷射角度/(°) |
---|---|---|---|
TG6.5 | 2.38 | 1.6 | 46 |
(1)系统排空。打开氮气排气阀和3个低温阀,排气10 min后关闭排气阀。这一步是将系统内的空气排出,以防止水蒸气凝而造成冰堵。
(2)系统预冷。打开所有低温阀,对系统预冷,并启动数据采集系统。当管道上的温度传感器显示温度在78 K左右,预冷完成。
(3)流量调节。关闭旁通低温阀,调节主管道阀门直到获得实验需要的流量。
(4)热流输入调节。调节直流稳压电源的电流和电压输入,等待系统达到稳定,记录数据。然后改变电压和电流值,重复上述操作。
实验过程中,系统稳定时液氮出口流量波动在3%左右,出口压力稳定波动在1%左右。实验参数见
实验组次 | 热沉面积/ (1 | 流量/ (kg· | 喷雾高度/mm |
---|---|---|---|
1 | 1.13 | 67.90 | 20.7 |
2 | 2.54 | 65.13 | 20.7 |
3 | 1.13 | 181.13 | 20.7 |
4 | 2.54 | 165.93 | 20.7 |
采用薄膜电阻模拟热源,使得热响应时间很短,系统可以很快达到热平衡,因此可以用傅里叶一维导热定律进行计
(1) |
式中:为热电偶测得的各个温度点的平均值,为热沉表面温度,为测点距离热沉面的距离,为热沉材料的导热系数,为热流密度。
热流密度可以表示为
(2) |
式中:U和I分别为输入直流电压和电流,为实验中的热损失
(3) |
式中:和 分别为加热模块侧面和底部的漏热,A和为两个面的面积和对应部位绝热层的厚度。绝热材料为聚四氟乙烯板,导热率为。
经过计算,在实验过程中系统最大漏热率为0.204%,可以被忽略。因此热沉表面温度和换热系数分别可以表示为
(4) |
(5) |
式中:为过热度。

图4 过热度和热流密度关系曲线
Fig.4 Curves of heat flux and superheat
实验组别 | 斜率区间 | 过热度区间/K | 热流密度区间/ () |
---|---|---|---|
工况1 | 0.02~0.04 | <5 | 0~70 |
0.07~0.09 | 6~12 | 87~138 | |
0.14~0.18 | >12 | >140 | |
工况2 | ≈0.07 | <2.5 | 0~25 |
0.14~0.15 | 4~6 | 35~43 | |
0.20~0.22 | >7 | >53 | |
工况3 | 0.02~0.03 | <4.5 | 0~113 |
0.05~0.07 | 5~8.9 | 127~171 | |
0.09~0.11 | >11 | >190 | |
工况4 | 0.01~0.02 | <3 | 0~33 |
0.04~0.05 | 3.5~5.2 | 44~90 | |
0.08~0.13 | >6 | >100 |
曲线斜率的变化反映了液氮喷雾冷却在换热过程存在3个阶段。在第1个阶段,液氮喷雾在热沉表面形成液膜,液膜内开始形成气泡,这个阶段,对流换热和沸腾换热耦合影响换热过程。第2阶段,大量气泡形成,换热进一步强化。由于液氮极易气化,同时液膜很薄,这个区域存在极短并且对过热度极为敏感,一旦过热度上升,液膜内大量液氮发生核沸腾,迅速进入到第3个区域。第3个区域,核态沸腾加剧,大量气泡在热沉面汇集,并会形成间断性局部气膜覆盖在热沉表面,使得过热度增加迅
分别对比工况1、3和工况2、4发现,流量对于过热度变化趋势的影响主要在换热第1阶段和第2阶段前期(如
分别对比工况1、2和工况3、4发现,在给定高度的情况下,对于相同的热流输入,热沉面积小则过热度发展缓慢,即换热效果越好。其原因在于热沉面积越大,液氮喷雾对热沉面的有效冲击越发

图5 热沉面积和喷雾覆盖度示意图
Fig.5 Diagram of the size of the heated wall and the impact area coverage of the surface

图6 临界点时过热度和热流密度关系曲线
Fig.6 Curves of heat flux and superheat at CHF

图7 表面过热度随时间的变化曲线
Fig.7 Curves of time and superheat

图8 换热系数变化曲线
Fig.8 Curves of heat transfer coefficient
对比工况1、2和工况3、4发现,喷雾流量基本保持不变时,增加换热面积,换热系数减小,这是因为增加换热面积降低了单位面积液氮粒子的冲击频率。当面积增加时,必须增加流速以确保传热效果保持不变或增加,如工况1和工况4。同时可以看出,热沉面积增加后,换热系数的增加幅度更加平缓。因此增加面积弱化了换热效果。
对比工况1、3和工况2、4发现,流量的增加依然对换热系数有很大影响,增加流量可以提高换热系数的上、下限。在相同过热度的情况下,大流量工况下的换热系数要明显大于小流量工况。

图9 热流密度和换热系数的关系
Fig.9 Curves of heat flux and heat transfer coefficient
实验过程中,工况1和工况2明显观察到了换热过程在临界点的变化,工况3和工况4则未观测到,原因是实验系统的热源模拟功率有限,无法达到临界热流密度。
热沉面积/c | 流量/ (kg• | 最大 过热度/K | 临界热流 密度/ (W•c | 最大换热 系数/ (W•c |
---|---|---|---|---|
1.13 | 67.90 | 207 | 192.8 | 13.08 |
2.54 | 65.13 | 159 | 77.4 | 10.17 |
1.13 | 181.13 | 20.89 | ||
2.54 | 165.93 | 17.05 |
本文搭建了液氮喷雾冷却实验台,通过内窥摄像头对实验初始阶段的现象进行了观察,分析了TG6.5型喷嘴在不同工况下的实验现象,并根据实验数据进行分析,有以下结论:
(1)相比传统的铜柱加热式热源模拟装置,以薄膜电阻+陶瓷基底为核心的热源模拟系统,具有系统热响应快,稳定性好的特点,可以广泛应用于需要热源模拟系统的实验中。
(2)在达到临界热流密度前,TG6.5型喷嘴的换热曲线可以分为的3部分,并且出现最大换热系数时的过热度要小于达到临界热流密度时的过热度。这是因为当进入核沸腾后,表面的微小气泡能强化换热,随着沸腾的继续,在热沉表面逐渐形成局部大气泡,此时虽然没有进入到临界点,但是局部形成大气泡已经对换热效果产生了减弱。当达到临界热流密度,过热度急剧增加,换热系数急剧下降,直至系统趋于稳定而进入膜态沸腾。实验过程,最大换热系数为20.89 W/(c
(3)喷雾流量增加能够强化换热,增加换热面积则对换热产生弱化效果。
参考文献
Afshin J G , Mou T L , SIK Chung T S. Improved heat transfer correlation in the transition region for a circular tube with three inlet configurations using artificial neural networks[J]. Heat Transfer Engineering, 2004, 25(2):30-40. [百度学术]
Goodyer M J , Kilgore R A . The high reynolds number cryogenic wind tunnel[C]// Proceedings of AIAA 7th Aerodynamic Testing Conference Paper 72-995. AltoPalo, Calif :AIAA, 1972: 613-619. [百度学术]
Anders J , Anderson W , Murthy A . The use of heavy gas for increased Reynolds numbers in transonic wind tunnels[C]//Proceedings of 20th AIAA Advanced Measurement and Ground Testing Technology Conference. [S.l.]:AIAA , 1998:2882. [百度学术]
LIU X,FENG C, XUE R, et al. Experimental study on liquid nitrogen spray in atmospheric environment[C]//Proceedings of 24th International Congress of Refrigeration. Yokohama, Japan: ICR, 2015: 271. [百度学术]
Cui Z Q, Shi H X, Wang W X. Laser surface melting AZ31B magnesium alloy with liquid nitrogen-assisted cooling[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(5): 1446-1453. [百度学术]
Sehmbey M S, Chow L C, Hahn O J. Spray cooling of power electronics at cryogenic temperatures[J].Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 1995, 9(1):123-128. [百度学术]
Tilton C . Liquid nitrogen spray cooling of a simulated electronic chip[J]. Advances in Cryogenic Engineering,1994, 39: 1779-1786. [百度学术]
Liu X, Xue R, Ruan Y. Effects of injection pressure difference on droplet size distribution and spray cone angle in spray cooling of liquid nitrogen[J]. Cryogenics, 2017, 83:57-63. [百度学术]
Liu X, Xue R, Ruan Y. Flow characteristics of liquid nitrogen through solid-cone pressure swirl nozzles[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 110:290-297. [百度学术]
Awonorin S O. Film boiling characteristics of liquid nitrogen sprays on a heated plate[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1989,10(32): 1853-1864. [百度学术]
Somasundaram S, Tay A A O. A study of intermittent liquid nitrogen sprays[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 69(1/2):199-207. [百度学术]
Ruan Y, Hou Y, Xue R. Effects of operational parameters on liquid nitrogen spray cooling[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 146:85-91. [百度学术]
Chao Wang, Yu Song, Jiang Peixue. Modelling of liquid nitrogen spray cooling in an electronic equipment cabin under low pressure[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 136:310-326. [百度学术]
Smakulski P, Pietrowicz S. Dynamics of liquid nitrogen cooling process of solid surface at wetting contact coefficient[C]//Proceedings of IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Tucson, AZ, USA:IOP, 2015, 101: 012037. [百度学术]
赵可,佘阳梓,蒋彦龙,等.液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究[J].物理学报,2019, 68(12):1‑15. [百度学术]
ZHAO Ke, SHE Yangzi, JIANG Yanlong, et al. Numerical study on phase change behavior of liquid nitrogen droplets impinging on solid surface[J]. Acta Phys Sin, 2019, 68(12):1⁃15. [百度学术]
孙少鹏.高热流密度电子元件喷雾相变冷却系统的研究[D]. 重庆:重庆大学,2010. [百度学术]
SUN Shaopeng. Research on spray cooling system for electronics with high heat flux[D]. Chongqing: Chong⁃qing University, 2010. [百度学术]
Bostanci H, SAARLOOS B A, Rini D P. Spray cooling with ammonia on micro-structured surfaces [C]// Proceedings of Intersociety Conference on Thermal and Thermo mechanical Phenomena in Electronic Systems.Orlando, Florida, USA:IEEE, 2008: 290-295. [百度学术]
Jia W, Qiu H H. Experimental investigation of droplet dynamics and heat transfer in spray cooling[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2003, 27: 829‑838. [百度学术]
Zhu D S, Sun J Y, Tu S D, et al. Experimental study of non-boiling heat transfer by high flow rate Nano fluids spray[C]//Proceedings of Heat Mass Transfer and Energy Conversion. Xi’an, China: AIP, 2010:476-482. [百度学术]
MUDAWAR, K A E. Optimizing and predicting CHF in spray cooling of a square surface[J]. Journal of Heat Transfer, 1996, 118(3): 672-679. [百度学术]
Shou SHING H, TSUNG C, Huang H T. Spray cooling characteristics of water and R-134a. Part I: nucleate boiling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, 47: 5703-5712. [百度学术]
Pautsch A G, Shedd T A. Spray impingement cooling with single- and multiple-nozzle arrays. Part I: Heat transfer data using FC-72[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48: 3167-3175. [百度学术]