中圖分類(lèi)號(hào):TK124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0 引言
微細(xì)尺度流動(dòng)和傳熱研究在高科技發(fā)展向微型 化邁進(jìn)的應(yīng)用背景下,成為國(guó)際傳熱學(xué)和MEMS中 的研究重?zé)狳c(diǎn),從上世紀(jì)90年代以來(lái),隨著微/納米技術(shù)的發(fā)展,國(guó)際上正在逐步形成一個(gè)微細(xì)尺度傳 熱的一個(gè)新的分支學(xué)科[1],其進(jìn)展將給設(shè)備的小型 化和微型化帶來(lái)革命性的變革。
微細(xì)尺度的研究多是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的,目前 的研究報(bào)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(xì)通道或結(jié)構(gòu)中的流動(dòng)換熱研究出現(xiàn)了以 下現(xiàn)象:微細(xì)通道層流向湍流過(guò)渡的雷諾數(shù)減小,其 臨界雷諾數(shù)Rec可為300~1000;微細(xì)通道湍流Nu 數(shù)比常規(guī)情況高5~7倍;充分發(fā)展通道流的f.Re ≠const,Nu≠const,它應(yīng)是雷諾數(shù)的函數(shù);微細(xì)通道 湍流的Nu數(shù)比常規(guī)情況高5~7倍;近年來(lái),許多 研究者在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作,但不同研究者 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)流動(dòng)與換熱實(shí) 驗(yàn)研究現(xiàn)狀表明:國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在不同實(shí)驗(yàn)條件下 所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可比性較差,不具有直接的參考價(jià) 值。因此本實(shí)驗(yàn)對(duì)加工有20條槽道,當(dāng)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(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析當(dāng)量 直徑、槽道截面形狀、換熱工質(zhì)等因素對(duì)換熱的影 響,希望為小尺度流道換熱器的實(shí)際應(yīng)用提供理論 依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法
本系統(tǒng)包含實(shí)驗(yàn)工質(zhì)和冷卻水兩個(gè)回路。實(shí) 驗(yàn)工質(zhì)回路由水箱、水泵、流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)段、加熱器、 板式換熱器及管路系統(tǒng)組成;冷卻水回路由板式換熱器、恒溫水槽組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1:實(shí)驗(yàn)時(shí)水箱 充工質(zhì)至80%水箱容積,水箱中的工質(zhì)經(jīng)水泵加壓 后經(jīng)回流閥和調(diào)節(jié)閥分流后分為兩路,一路經(jīng)回流 閥返回水箱;另一路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)至合適的流量后,進(jìn) 入實(shí)驗(yàn)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(fā)熱,再由小尺度槽道換 熱器內(nèi)的液體工質(zhì)將熱量帶走。加熱后的工質(zhì)進(jìn)入 板式換熱器,與恒溫水槽的冷水進(jìn)行熱量交換,工質(zhì) 冷卻后回到水箱,完成一個(gè)循環(huán)。工質(zhì)的流量在實(shí) 驗(yàn)段入口處測(cè)量,壓力傳感器及鎧裝鉑電阻的測(cè)頭 分別安裝在實(shí)驗(yàn)段的進(jìn)出口,小尺度槽道換熱器與 加熱器之間均勻布置四對(duì)鉑電阻,壓力與溫度傳感 器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集儀及PC機(jī)進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理。
2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量
2.1 流量的測(cè)量
鑒于本實(shí)驗(yàn)單根微槽道槽寬最小僅0.3mm,其 內(nèi)微流體流量難以直接測(cè)量。因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)量小尺 度換熱器的總流量,按微槽道根數(shù)取平均后作為單 根微槽道的流量,采用德國(guó)ZENNER公司Com pact 戶用熱量表來(lái)測(cè)量流量并可同時(shí)測(cè)量進(jìn)出口溫度, 精度高達(dá)99%以上。
2.2 溫度的測(cè)量
本實(shí)驗(yàn)采用PT100鉑電阻來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)元件的換 熱系數(shù)和其表面的溫度分布。PT100溫度傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下:測(cè)量范圍:-200~+850℃;允 許偏差值Δ℃:A級(jí)±(0.15+0.002│t│),B級(jí)± (0.30+0.005│t│);熱響應(yīng)時(shí)間<30s。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
定性溫度:取微槽道進(jìn)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(dāng)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(shù)Re:
Re=ρude/μ(3)
式中:u為微槽道內(nèi)流體平均速度;μ為流體工質(zhì)的 動(dòng)力粘滯系數(shù)。
換熱Nu數(shù):
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(nèi)流體平均溫度,λ為流體的導(dǎo)熱 系數(shù),h為對(duì)流換熱系數(shù)。
深槽型實(shí)驗(yàn)段內(nèi)部尺寸表:
4 結(jié)果與分析
通過(guò)對(duì)表1、2中六種不同型號(hào)的小尺度散熱器 分別以水與乙二醇溶液為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并根 據(jù)上述公式整理數(shù)據(jù),做出Nu-Re曲線圖,分別分析 當(dāng)量直徑、物性、槽道截面形狀等因素與換熱的關(guān) 系,并根據(jù)Nu-Re曲線斜率的變化推測(cè)小尺度通道 中臨界雷諾數(shù)的范圍.下面以部分實(shí)驗(yàn)工況為例,分 析小尺度換熱器的換熱規(guī)律及影響因素。
4.1 當(dāng)量直徑de對(duì)Nu的影響
圖2,圖3分別為當(dāng)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(zhì),Re變化范圍從200~3000時(shí), 對(duì)流換熱Nu隨Re變化關(guān)系。可以看出對(duì)流換熱 Nu數(shù)隨著當(dāng)量直徑的增大而逐漸增大。且隨著雷 諾數(shù)增大,當(dāng)量直徑的變化對(duì)Nu的這一影響趨勢(shì) 也更加明顯,以圖2a為例,當(dāng)雷諾數(shù)Re=500時(shí),對(duì) 應(yīng)當(dāng)量直徑為0.91mm、1.38mm的Nu數(shù)比當(dāng)量直徑 為0.55mm的Nu分別提高了約18%和58%;而當(dāng) Re=2000時(shí),對(duì)應(yīng)當(dāng)量直徑為0.91mm、1.38mm的 Nu數(shù)比當(dāng)量直徑為0.55mm的Nu分別提高了約 21%和64%。
4.2 Nu與Pr的關(guān)系
圖4、圖5分別為當(dāng)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(zhì),實(shí)驗(yàn)所得Nu隨Re變化曲線,可以看出,de、Re 都相同的情況下,Pr數(shù)大的乙二醇溶液的Nu數(shù)較 大。且隨著Re的增大,Pr數(shù)對(duì)Nu的這種影響趨勢(shì) 也漸趨明顯。以圖3a為例,在等于500時(shí),乙二醇 溶液的Nu數(shù)比水的Nu數(shù)提高10%左右,當(dāng)Re= 1000、1500、2000時(shí),這個(gè)值分別為12%、17%、31%。
4.3 槽道截面形狀對(duì)Nu的影響
圖6、圖7為分別以純凈水和乙二醇溶液為工 質(zhì)時(shí),當(dāng)量直徑為0.55mm的兩個(gè)不同槽道形狀的 散熱器,其N(xiāo)u-Re圖表明:Re相同時(shí),三角形槽道的 Nu數(shù)大于矩形槽道的Nu數(shù)。即三角形槽道的換 熱器換熱效果優(yōu)于矩形槽道換熱器。
4.4 關(guān)于臨界雷諾數(shù)
通過(guò)對(duì)各種實(shí)驗(yàn)工況下的Nu-Re曲線進(jìn)行對(duì)比 分析,可以發(fā)現(xiàn):Nu-Re曲線的斜率存在著先增大后 減小的趨勢(shì),該曲線斜率在開(kāi)始有增加趨勢(shì),分析認(rèn) 為,這是由于流動(dòng)狀態(tài)由層流向湍流的轉(zhuǎn)變?cè)斐傻?而當(dāng)Re到達(dá)某一范圍時(shí),該曲線斜率又趨于平緩, 分析認(rèn)為,這是由于此時(shí)流動(dòng)狀態(tài)已達(dá)到湍流,增加 工質(zhì)流速仍然能提高換熱效果,但提高幅度越來(lái)越 小,可以預(yù)見(jiàn)當(dāng)Re最終到達(dá)某一值,此時(shí),對(duì)換熱 效果的改善無(wú)明顯作用。因此認(rèn)為Nu-Re曲線的斜 率由增到減的區(qū)間范圍,為流動(dòng)狀態(tài)的過(guò)渡區(qū),由以 上各圖可以看出此區(qū)間大致在Re為700~1200,即 在此區(qū)間內(nèi),流動(dòng)由層流向湍流過(guò)渡。
5 結(jié)論
本文實(shí)驗(yàn)研究了當(dāng)量直徑為0.55~1.38mm并 具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的小尺度流道換熱器分別以水和 乙二醇溶液為換熱介質(zhì)的換熱特性,結(jié)果表明:小尺 度流道換熱器的槽道形狀、單槽道的當(dāng)量直徑以及 換熱介質(zhì)的物性參數(shù)對(duì)單相對(duì)流換熱有顯著影響。 槽道形狀與雷諾數(shù)相同的情況下,當(dāng)量直徑越大,Nu數(shù)越大;換熱效果來(lái)看,三角形槽道換熱器要優(yōu) 于同當(dāng)量直徑的矩形槽道的換熱器;換熱介質(zhì)的Pr 數(shù)越大Nu數(shù)也越大;層流向湍流過(guò)渡的臨界雷諾 數(shù)Rec較常規(guī)尺度提前,大約為700~1200。 小尺度槽道內(nèi)流體流動(dòng)的傳熱問(wèn)題是相當(dāng)復(fù)雜 的,上述結(jié)論能否推廣應(yīng)用還有待進(jìn)一步擴(kuò)大實(shí)驗(yàn) 參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
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