节流型微通道流动换热系统研究_张培新.pdf

2023 年 5 月下129Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备节流型微通道流动换热系统研究张培新，黄璐路，吕亮亮，孙雪茹（新疆理工学院机电工程学院，新疆 阿克苏 843000）摘要：【目的】现阶段对于微通道内流体的流动特性规律的研究还不是很成熟，需要进一步研究微通道结构换热器对常规电子设备受热特性的优化情况。【方法】本研究设计加工了形状为渐缩渐扩节流型微通道散热器，以液体水为试验的流动工质，动力装置由隔膜计量泵提供，利用铜棒模拟现实生活中常见的热源，通过改变隔膜计量泵的滑动手轮，实现调节进入渐缩渐扩节流型微通道的工质流量。【结果】1）工质在通道入口端是简单的单相对流换热，具有较低的传热系数，使得温度相对较高。当工质经过空化结构时，由于截面积变小，使得工质流速增大、压力变小，在突扩界面处出现空化泡的两相传热。2）随着进口流量的积累逐渐大于出口流量的积累，使得进出口两端的压差不断增大。3）稳定状态下进出口压力的周期性波动与计量泵提供的流量周期性波动有关系。4）对于不同恒温的试验流体通过微通道时，随着时间的延迟，输入的热量越来越多，加热棒温度越来越高，微通道入口温度与输入热量呈线性关系。5）微通道内的流体流动时的雷诺数和通道对流体的阻力系数呈现递减的规律。在可以接受的误差范围内，当试验工质处于层流阶段时，摩擦阻力系数与理论模拟关系式模拟的结果误差相对较小。关键词：散热性能；实验模拟；流动换热中图分类号：TK124 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.039Study on Throttling Micro Channel Flow and Heat Transfer SystemZhang Peixin,Huang Lulu,Lyv Liangliang,Sun Xueru(College of mechanical and electrical engineering,Xinjiang Institute of Technology,Xinjiang Aksu 843000)Abstract:Objective Currently,the research on the flow characteristics of fluid in microchannels is not very mature,and further research is needed to optimize the heating characteristics of conventional electronic devices using microchannel structured heat exchangers.Method In this study,a microchannel radiator with a gradually decreasing and gradually expanding throttling flow pattern was designed and fabricated,using liquid water as the experimental flow medium.The power device was provided by a diaphragm metering pump.A copper rod was used to simulate common heat sources in real life.By changing the sliding handwheel of the diaphragm metering pump,the flow rate of the working medium entering the gradually decreasing and gradually expanding throttling flow pattern microchannel was adjusted.Result 1)The working medium is a simple single-phase convective heat transfer at the inlet of the channel,with a lower heat transfer coefficient,making the temperature relatively high.When the working medium passes through a cavitation structure,due to the reduced cross-sectional area,the flow rate of the working medium increases and the pressure decreases,resulting in two-phase heat transfer of cavitation bubbles at the sudden expansion interface.2)As the accumulation of inlet flow gradually exceeds the accumulation of outlet flow,the pressure difference between the inlet and outlet ends continuously increases.3)The periodic fluctuation of inlet and outlet pressure in a stable state is related to the periodic fluctuation of the flow provided by the metering pump.4)When experimental fluids with different constant temperatures pass through the microchannel,as time delays,more and more heat is input,and the temperature of the heating rod becomes higher and higher.The microchannel inlet temperature has a linear relationship with the input heat.5)The Reynolds number of the fluid flowing in the microchannel and the channel resistance coefficient to the fluid show a decreasing rule.Within an acceptable error range,when the experimental medium is in the laminar flow stage,the error between the friction resistance coefficient and the theoretical simulation relationship simulation results is relatively small.Keywords:heat dissipation performance;experimental simulation;flow heat transfer0 引言微型化、智能化是如今高科技不断发展的趋势。随着微电子机械系统加工技术的精度不断提高，电子芯片根据使用场合的需要，其几何尺寸已经发展到纳米级的水平1。高精尖微电子器件利用自身独有的优势解决了现实生活中很多传统散热器不能解决的棘手的问题，得到了很多行业领域的大面积使用。但是微电子元器件的寿命会受到其自身散热和加热性能的影响，对于任何电子设备而言，器件的使用周期对自身的加工成本起着决定性的影响2。随着该研究领域的不断推进，电子元器件的换热性能研究成为当代电气散热研究的重点。作者简介：张培新（1991），男，甘肃白银人，硕士研究生，助教，研究方向为空调系统及换热设备。通信作者：黄璐路（1991），女，新疆阿拉尔人，硕士研究生，讲师，研究方向为公司金融。1302023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备微通道内流体的换热性能和选择的工质以及实验选取的环境有关系，与传统电子元器件的散热相较而言，微通道流体的散热也是通过液态流体的流动以对流换热的方式带走散热元产生的热量3。微通道内流体的流动特性对它产生的对流换热有一定的影响，进一步决定了微通道的散热特性，最终影响着微电子元器件的使用寿命和对应投入的生产成本。目前，国内外对于各种各样的微通道内流体的流动特性做了很多研究4。通过查阅文献发现不同的微通道内的流动特性规律是不一样的，甚至类似的结构得到的结论可能是不一致的或者相反的。由此可以说明，现阶段对于微通道内流体的流动特性规律研究还不是很成熟，需要开展进一步的研究5。1 实验系统本实验的系统结构如图1所示，分别由驱动力装置、热源装置、数据采集装置、试验件四大部分构成。为了保证实验顺利进行，本实验以氮气罐和隔膜计量泵为动力源6，隔膜计量泵方便调节进入试验件的流体的流量大小，氮气罐一方面可以用来研究两相流动时的流动特性，另一方面在做单相流动换热实验时，其自身也可以作为液体工质流过微通道的动力源。本实验首先通过调节隔膜计量泵的手轮来调节流量的大小，待流量确定好之后，同时开启稳压电源对研究的试验件进行加热，研究的液体水被隔膜计量泵吸收后经过加热的试验件、测压装置，最终流向水桶。实验过程：先关闭氮气罐，再通过开启调节计量泵驱动力，使得过滤后的试验流体依次经过流量计、过滤器、压力变送器、试验件、压力变送器，最后流向自来水桶。本实验考虑到微通道结构容易堵塞并且流量计存在被损坏的风险，在流量计的进出口位置安装了过滤器。直流稳压电源提供的电压和电流可以得到用于计算的加热功率。试验件的材质选择紫铜，主要是考虑到紫铜方便加工、易于操作，受热性能稳定，方便数据的采集。试验件（微通道结构）示意图如图2所示，设计的是四个不同尺寸矩形结构节流空化的结构。试验件背面每隔2 mm布置一道凹槽，凹槽用来放置T型热电偶，测量微通道温度的变化。为了方便用高速摄像机观察试验流体经过微通道时的流动现象，将加工好的试验件与透明钢化塑料片粘接在一起。2 理论分析本实验主要研究流体通过试验件时的受热现象并分析微通道内流体的阻力压降特性，通过采集一些基础数据，在考虑一部分误差的情况下，对导热和对流换热过程中的各个物理量、流体流动各个过程进行分析7。本实验测量的物理量有进出口流体的温度、数据采集仪稳压电源水桶电脑试验件热电偶压力变送器恒温水箱调节阀流量计过滤器隔膜计量泵氮气罐减压阀过滤器图1实验系统结构图2023 年 5 月下131Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备进出口流体的压力、加热热源的功率、通过微通道流体流量的大小。通过理论分析可以得知本实验的热传递有导热、对流两种方式。试验流体经过通道时，流体在通道内伴随着层流、紊流、空化等流动现象。（a）微通道内部结构示意图（b）背面凹槽及出入口示意图图2微通道结构示意图流体通过微通道时除了会伴随着热量的变化，也会伴随着压降的变化8。通过实验结构图可以清楚地发现，液体水在动力泵的作用下依次通过四个不同尺寸的微通道9。由于设计有空化结构，必然会在流过该结构时伴随着流动阻力和局部阻力的影响。流动时产生的具体压力如图3所示。1p2p3p4p5p6p7p8p9p图3微通道压降示意图p1=1u122 p2=2L2u222d2 p3=3u322 p4=4L4u422d4p5=5u522 p6=6L6u622d6 p7=7u722 p8=8L8u822d8式中，代表试验流体与通道之间的阻力系数，u 代表试验流体在微通道内的流速，代表试验流体的密度，L代表每一段通道结构所对应的尺寸。流动工质通过整个通道时产生的压降大小为：p=p1+p2+p3+p8+p9通过理论分析可知，本文设计的通道结构对应的几何当量尺寸远远小于通道入口处对应的几何当量尺寸，这就会导致试验流体通过进出口时前后的压降占据了主导因素。流体通过内部通道时，特别是空化结构处形成的压降差值又和出入口的压降有一定的联系。所以通过测量进口和出口的压力传感器的压力变化，就可以通过理论进一步推算出流体在通过微通道结构时与试验件内部结构之间的流动阻力系数。3 实验结果分析微通道背面温度波动如图4所示。质量流量为7 kg/h时，在不同的加热功率情况下，微通道背面温度沿着流体流动方向呈先升高后降低的趋势。这表明工质在通道入口端是简单的单相对流换热，具有较低的传热系数，使得温度相对较高。当工质经过空化结构时，由于截面积变小，使得工质流速增大、压力变小，在突扩界面处出现汽化泡的两相传热。两相传热具有较高的传热系数，使得温度相对较低。012345678910111228293031323334353637 T/Clength/mm 30V 50V 70V 90V图4微通道背面温度波动质量流量与压降的关系如图5所示，随着质量流量的增大，微通道两端的压力差不断增大。理论分析与实验测量相吻合。随着流量的增大，这种趋势越来越明显。对于微通道换热器而言，微通道截面积很小，随着进口流量的积累逐渐大于出口流量的积累，使得进出口两端的压力差不断增大。微通道两侧的压降差与隔膜计量泵所提供的工质流量大小成正比关系，可以通过不断改变流量大小的实验方法来研究节流型微通道内的阻力压降特性。12345668707274767880 flow/(kg/h)P/kPa图5流量压降图稳定状况下，当计量泵提供的流量为21 kg/h时系统的流量波动和压力波动如图6所示。从图中可以1322023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备看出，稳定状态下进出口压力的周期性波动与计量泵提供的流量周期性波动有关系。当流动稳定时，随着时间的变化，试验的质量流量基本在21 kg/h上下浮动最后趋于稳定的状态，但是随着时间继续变化，微通道进口处的压力和出口处的压力呈现出逐步增大的趋势，特别是出口的压力浮动较为明显。造成这种现象的主要原因和选取的计量泵有一定关系，并且还受到微通道结构自身的影响。一方面，隔膜计量泵在工作时由于内部结构的设计，再加上有时吸入空气使得泵体内部隔膜片出现将流体倒吸的情况，这种倒吸现象使得流量和压降出现上下浮动10。另一方面，由于通道结构是微型设计，通过流量计到达微通道入口的这部分流体并不能全部通过微通道进入到水桶，最终导致试验工质集中在试验件入口处，同时导致出口处流出的工质流量也不断增大，由于通道出口经过压力计和外界直接相通，试验的流体更容易排到水桶，所以相对进口的试验流体而言压降变化得更为明显一些。204060801001201401601802001617181920212223242526 Flow/(kg/h)time/s（a）流量波动02040608010012014016018040455055606570758085 P/kPatime/s out in（b）压力波动图6系统不稳定波动图试验流体经过微通道，流体与通道之间相对流动时，流体的流动状态和通道阻力之间的变化示意图如图7所示。通过该图可以发现微通道内的流体流动时的雷诺数和通道对流体的阻力系数呈现递减的规律。由图 7 可知，当 Re2 700 时，递减规律比较明显，此时没有空化结构产生的气泡影响，阻力系数和流动状态呈现明显的线性关系。当Re2 700时，递减规律的变化趋势不是很明显，此时空化结构产生的气泡对试验工质的对流换热影响较为明显，随着Re的不断增大，在这个状态下的试验工质在微通道内的阻力系数变化量相对较小。10001500200025003000350040000.20.30.40.50.60.70.8 fRe图7Re系数变化图不同流量的流体通过微通道时，通道流量和通道阻力之间的变化示意图如图8所示。通过该图可以发现微通道内的流体流动时的流量大小和通道对流体的阻力系数之间呈现递减的规律。通过理论分析可以知道，阻力系数和流体的流速以及流动状态按照一定的关系式发生变化，研究团队将误差等因素去除，使误差在可以接受的范围内，当试验工质处于层流阶段时，摩擦阻力系数与理论模拟关系式模拟的结果误差相对较小。和预期目标一样，入口效应对微通道流动特性的影响非常重要。4 结论实验结果表明：1）工质在通道入口端是简单的单相对流换热，具有较低的传热系数，使得温度相对比较高。当工质经过空化结构时，由于截面积变小，使得工质流速增大、压力变小，在突扩界面处出现空化泡的两相传热。2）随着进口流量的积累逐渐大于出口流量的积累，使得进出口两端的压差不断增大。3）稳定状态下进出口压力的周期性波动与计量2023 年 5 月下133Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备泵提供的流量周期性波动有关系。0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.00.20.30.40.50.60.70.8 fflow/(kg/h)图8通道流量和通道阻力之间的变化示意图4）当不同恒温的试验流体通过微通道时，随着时间的延迟，输入的热量越来越多，加热棒温度越来越高，微通道入口温度与输入热量呈线性关系。5）微通道内的流体流动时的雷诺数和通道对流体的阻力系数呈现递减的规律。在可以接受的误差范围内，当试验工质处于层流阶段时，摩擦阻力系数与理论模拟关系式模拟的结果误差相对较小。参考文献：1 RAJALINGAM A,CHAKRABORTY S.Effect of shape and arrangement of micro-structures 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