DMLS微型換熱器內(nèi)納米粒子濃度對(duì)Al2O3/R141b流動(dòng)沸騰壓降的影響

周建陽(yáng)，羅小平，謝鳴宇，鄧聰

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DMLS微型換熱器內(nèi)納米粒子濃度對(duì)Al2O3/R141b流動(dòng)沸騰壓降的影響

周建陽(yáng)，羅小平，謝鳴宇，鄧聰

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

為探究納米粒子濃度對(duì)納米流體制冷劑在微細(xì)通道中流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降影響，運(yùn)用超聲波振動(dòng)法制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均勻、穩(wěn)定的Al2O3/R141b納米流體制冷劑，在直接激光燒結(jié)（DMLS）微型換熱器中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力為176 kPa，納米流體制冷劑入口溫度為40℃，在熱通量21.2～38.2 kW·m?2和質(zhì)量流率183.13～457.83 kg·m?2·s?1工況下，研究納米粒子濃度對(duì)Al2O3/R141b納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降影響。研究結(jié)果表明：納米粒子濃度對(duì)納米流體制冷劑在微細(xì)通道中流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降有顯著影響，氣液兩相壓降隨納米流體制冷劑的納米粒子濃度增加而減少，在純制冷劑中R141b加入納米粒子Al2O3，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降降低5.5%～32.6%；通過(guò)SEM和表面靜態(tài)接觸角測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)納米流體制冷劑沸騰氣液兩相壓降隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減少的原因是納米顆粒沉積在通道表面，增加了微通道表面的潤(rùn)濕性；對(duì)比國(guó)際上3種比較經(jīng)典流動(dòng)沸騰兩相壓降模型，并基于Qu-Mudawar關(guān)聯(lián)式和Zhang關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得出兩相壓降結(jié)果的85%數(shù)據(jù)點(diǎn)位于修正后的關(guān)聯(lián)式模型值的±15%范圍之內(nèi)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與修正后的模型結(jié)果偏差MAE值為11.7%，說(shuō)明修正后關(guān)聯(lián)式能有效預(yù)測(cè)本工況下實(shí)驗(yàn)值。

微通道；燒結(jié)；納米粒子；濃度；氣液兩相；壓降

引 言

隨著科技的進(jìn)步，電子部件和設(shè)備趨向集成化發(fā)展，傳統(tǒng)大通道的傳熱設(shè)備已無(wú)法滿足電子芯片的傳熱過(guò)程，在此背景下，提出具有較高比表面積和換熱效率的微細(xì)尺寸換熱器來(lái)強(qiáng)化傳熱[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于換熱器內(nèi)流動(dòng)沸騰壓降的研究，往往集中在換熱器表面特性對(duì)流動(dòng)沸騰壓降影響，例如Rapolu等[2]在水力直徑為700 μm的圓管和方形管中，研究表面靜態(tài)接觸角對(duì)兩相壓降的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面靜態(tài)接觸角對(duì)兩相壓降有顯著影響，并隨表面靜態(tài)接觸角的增加而增加；Yu等[3]分別在直徑為0.546、0.763、1.018、1.555、2.075 mm的圓形通道中，研究不同的潤(rùn)濕性對(duì)兩相壓降的影響，結(jié)果表明壓降隨表面接觸角的增加而增加。

由于液體傳熱比傳統(tǒng)的風(fēng)冷具有更好的散熱性能，因此，自從Choi等[4]首次提出納米流體后，納米流體強(qiáng)化傳熱吸引了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者，納米顆粒具有較高比表面積，可以增加流體工質(zhì)的導(dǎo)熱性能[5-11]，因而流體工質(zhì)的傳熱性能得到顯著提高。Saidur等[12]在R134a中加入POE，研究池沸騰傳熱性能，研究發(fā)現(xiàn)傳熱性能相比純制冷劑提高26.1%。還有許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在流體中加入納米顆粒都能顯著提高傳熱性能[13-18]；而對(duì)于納米流體制冷劑對(duì)流動(dòng)沸騰壓降的影響往往被忽視，特別是納米流體制冷劑中的顆粒濃度對(duì)流動(dòng)沸騰壓降的影響，Barzegarian等[19]在BPHE（釬焊板式換熱器）中，研究納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.8%、1.5%的TiO2/水納米流體的傳熱及壓降特性，研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒濃度對(duì)壓降的影響相比對(duì)傳熱影響而言，影響沒(méi)有那么大，認(rèn)為納米顆粒濃度對(duì)壓降的影響可以被忽略。但是，在當(dāng)今能量短缺的時(shí)代，實(shí)際運(yùn)用中往往不能忽視納米顆粒濃度對(duì)流動(dòng)沸騰壓降的影響。

以上研究都是基于傳統(tǒng)加工工藝生產(chǎn)的換熱器，但是隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)的加工方式已逐漸無(wú)法滿足當(dāng)代科技的需求。本文用一種直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）加工制造方式（3D打印技術(shù)），制造出長(zhǎng)250 mm、寬40 mm、高7 mm的微型換熱器，換熱器包含18個(gè)寬1 mm、高2 mm微細(xì)通道，通道的水力直徑為1.33 mm，同時(shí)配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）的Al2O3/R141b納米流體制冷劑為換熱工質(zhì)，在DMLS微型換熱器內(nèi)，通過(guò)改變換熱器的熱通量（21.2～38.2 kW·m?2）和質(zhì)量流率（183.13～457.83 kg·m?2·s?1）來(lái)研究納米制冷劑中的微納米顆粒濃度對(duì)Al2O3/R141b流動(dòng)沸騰壓降影響，本文主要關(guān)注納米顆粒濃度對(duì)納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰壓降特性影響以及在R141b中加入納米顆粒后，微型換熱器中制冷劑流動(dòng)沸騰壓降特性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 不同納米顆粒濃度的Al2O3/R141b的制備

制備納米流體制冷劑時(shí)，選用R141b作為基液，選用的Al2O3納米顆粒為球形，平均直徑為125 nm，Al2O3納米顆粒的SEM圖像如圖1所示。為了制備性能良好穩(wěn)定的納米流體制冷劑（Al2O3/R141b），采用超聲波振動(dòng)儀，同時(shí)加入SPAN-80分散劑，分散劑的質(zhì)量為總納米流體質(zhì)量的0.05%，制備不同濃度的納米流體制冷劑時(shí)所加入的分散劑質(zhì)量相同，制備過(guò)程及納米流體制冷劑（Al2O3/R141b）如圖2、圖3所示。

根據(jù)式(1)～式(5)[20]可得各質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體制冷劑在飽和溫度49℃時(shí)的物理參數(shù)，結(jié)果見表1，其中為質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）、為體積分?jǐn)?shù)（%）、為熱導(dǎo)率（W·m?1·K?1）、為黏度（Pa·s）、為比定壓熱容（kJ·kg?1·K?1），下角標(biāo)nf、np、r分別表示納米流體、納米顆粒、純制冷劑。

表1 Al2O3/R141b飽和狀態(tài)物理性能參數(shù)

(2)

(3)

(5)

1.2 DMLS微型換熱器制造成型原理

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)成型CAD Model后，使用高能量的激光束高溫熔化固化粉末金屬材料，三維模型數(shù)據(jù)控制激光器在加工臺(tái)上運(yùn)動(dòng)燒結(jié)路線，自動(dòng)層層堆疊來(lái)成型DMLS微型換熱器，成型原理如圖4所示。

圖5表示DMLS微型換熱器換熱通道表面的3D形貌，圖中右側(cè)表示通道表面凹凸程度情況，表面粗糙度平均值a=1.77 μm。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

搭建如圖6所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)具體包含納米流體制冷劑注入系統(tǒng)模塊、制冷劑循環(huán)控制模塊（控制制冷劑入口溫度、壓力及輸送動(dòng)力）、測(cè)試實(shí)驗(yàn)段模塊、實(shí)驗(yàn)采集測(cè)試系統(tǒng)模塊，其中測(cè)試實(shí)驗(yàn)段模塊如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建后，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，需用惰性氣體對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行泄漏檢查，然后將系統(tǒng)抽真空，同時(shí)使用純制冷劑R141b在微型換熱器中進(jìn)行單相熱平衡實(shí)驗(yàn)，達(dá)到平衡后，熱效率和熱通量的變化規(guī)律如圖9所示，從圖中可以得出熱平衡偏差隨熱通量的增加而減少，在熱通量大于8 kW·m?2，熱平衡偏差已經(jīng)低于5%，而在兩相流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中，熱通量設(shè)計(jì)在21.2～38.2 kW·m?2，遠(yuǎn)大于8 kW·m?2，說(shuō)明熱平衡偏差遠(yuǎn)低于5%，符合實(shí)驗(yàn)精度要求。

制冷劑R141b吸收的熱量為

輸入實(shí)驗(yàn)段微細(xì)槽道的有效熱流量為

e=ech(7)

熱平衡偏差為

式中，r為R141b流體工質(zhì)的液相比定壓熱容，kJ·kg?1·K?1；in為微槽道進(jìn)口處工質(zhì)的溫度，℃；out為微槽道出口處工質(zhì)的溫度，℃；e為有效熱通量，kW·m?2；ch為微通道橫截面積，m2。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力在176 kPa，入口溫度為40℃，納米流體制冷劑的飽和溫度為49℃，因此納米流體制冷劑在入口狀態(tài)為全液相，在質(zhì)量流量為183.13～457.83 kg·m?2·s?1，熱通量為21.2～38.2 kW·m?2工況下，研究不同納米顆粒濃度對(duì)流動(dòng)沸騰壓降影響。

2 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 數(shù)學(xué)模型

實(shí)驗(yàn)段的單個(gè)通道截面圖如圖10所示，表2所示為相關(guān)尺寸參數(shù)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程微型換熱器中納米流體流向?yàn)榇怪毕蛏希{米制冷劑的飽和溫度高于制冷劑的入口溫度，因此納米制冷劑進(jìn)入換熱通道中會(huì)有一段單相段，長(zhǎng)度為sub，隨著加熱板對(duì)微型換熱器持續(xù)加熱，換熱工質(zhì)進(jìn)入兩相流狀態(tài)，納米流體在出口時(shí)的溫度在48～50.3℃波動(dòng)，基于本實(shí)驗(yàn)進(jìn)出口壓力表安裝位置及納米制冷劑流動(dòng)狀態(tài)，總壓降tot分為4部分：?jiǎn)蜗嗔鲏航祍ub、兩相流壓降sat、進(jìn)口突縮壓降in、出口突擴(kuò)壓降out。

表2 換熱通道橫截面尺寸

式中，in為單相段入口處局部壓降，計(jì)算公式為

(10)

式中，g為氣相密度，kg·m?3；out為工質(zhì)在換熱通道出口處的干度值。

(12)

式中，e為實(shí)驗(yàn)段的有效熱通量，kW·m?2；為肋片的換熱效率；sub為單相段長(zhǎng)度，mm；h,g為納米制冷劑的汽化潛熱，J·kg?1；為單個(gè)通道的質(zhì)量通量，kg·s?1。

,(14)

(15)

式中，w,up為實(shí)驗(yàn)段上測(cè)試點(diǎn)溫度，℃；w,dn為下測(cè)試點(diǎn)溫度，℃；為熱阻；為上下溫度測(cè)試點(diǎn)的距離，m；in為納米制冷劑進(jìn)口溫度，℃；nf為納米制冷劑比熱容，J·kg?1·K?1；sat為納米制冷劑飽和溫度，℃；為傳熱系數(shù)，kW·m?2·K?1。

(17)

參考文獻(xiàn)[22]可知單相段壓降為

(19)

式中，h為水力直徑。

(21)

(22)

綜合式(9)～式(23)，可得納米制冷劑在微細(xì)通道中的兩相壓降為

2.2 結(jié)果誤差分析

在測(cè)試過(guò)程中，溫度測(cè)量?jī)x器選用的是Pt100熱電阻，測(cè)量精度為0.1%，納米制冷劑的流量測(cè)量選用LWGY渦輪變量計(jì)，測(cè)量精度為0.5%，實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口的壓力測(cè)量選用HC3160-HVG4壓力傳感器，測(cè)量精度為0.5%，溫度變送器，測(cè)量精度為0.2%，根據(jù)誤差傳遞原理，部分物理量的誤差見表3。

表3 部分物理量的誤差

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制納米流體工質(zhì)的入口溫度為40℃，不同納米顆粒濃度的制冷劑在不同的熱通量21.2～38.2 kW·m?2、質(zhì)量流率183.13～457.83 kg·m?2·s?1工況下，進(jìn)行流動(dòng)沸騰特性實(shí)驗(yàn)，各工況下系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，系統(tǒng)壓力為176 kPa，各納米顆粒濃度制冷劑的流動(dòng)沸騰壓降特性如圖11～圖14所示。

圖11表示在DMLS微型換熱器中，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑的流動(dòng)沸騰兩相壓降隨質(zhì)量流率的變化情況，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰兩相壓降隨質(zhì)量流率增加而增加，在此實(shí)驗(yàn)工況下，質(zhì)量流率增加60.4%，不同濃度的納米制冷劑的兩相壓降增加17.5%～28.9%；同時(shí)通過(guò)方差分析，納米顆粒濃度和質(zhì)量流率對(duì)流動(dòng)沸騰兩相壓降都有顯著影響。文獻(xiàn)[23]也得到類似的結(jié)果，這是因?yàn)橘|(zhì)量流率增加，納米流體制冷劑與流動(dòng)沸騰壁面的摩擦增強(qiáng)，液體與未脫離的氣泡摩擦也會(huì)增加，從而導(dǎo)致整個(gè)兩相壓降的增加。

圖12表示在DMLS微型換熱器中，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑的流動(dòng)沸騰兩相壓降隨熱通量的變化情況，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰兩相壓降隨熱通量增加而增加，在此實(shí)驗(yàn)工況下，熱通量增加60.4%，不同濃度的納米制冷劑的兩相壓降增加15.8%～38.8%；這是因?yàn)殡S著熱通量的增加，DMLS微型換熱器中單相段長(zhǎng)度sub減短，兩相段長(zhǎng)度sat增長(zhǎng)，氣泡脫離的直徑最大[23]，脫離的氣泡容易在主流區(qū)域匯聚，阻礙通道，因此兩相總壓降增加；通過(guò)方差分析可得熱通量和納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降有顯著影響。

圖13、圖14表示在DMLS微型換熱器中，納米流體制冷劑的流動(dòng)沸騰兩相壓降及總壓降隨納米流體顆粒濃度的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰的兩相壓降及總壓降隨納米流體納米顆粒濃度的增加而減少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的納米制冷劑的流動(dòng)沸騰總壓降比0（純制冷劑R141b）、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%流體制冷劑的流動(dòng)沸騰兩相壓降分別低32.6%、27.6%、23.0%、13.8%、5.5%，總壓降分別低13.45%、10.8%、7.5%、5.3%、1.5%，同時(shí)通過(guò)方差分析可得納米顆粒濃度對(duì)制冷劑在微型換熱器中的流動(dòng)沸騰兩相壓降有顯著影響。

值得注意的是納米流體制冷劑Al2O3/R141b流動(dòng)沸騰的總壓降和兩相壓降都要比純制冷劑R141b小，且有納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰的總壓降和兩相壓降隨納米顆粒濃度的增加而減少。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖11～圖14）表明納米流體制冷劑在微型換熱器中流動(dòng)沸騰兩相壓降和總壓降都隨納米流體制冷劑中的顆粒濃度發(fā)生變化，在R141b中加入納米顆粒，能減少流動(dòng)沸騰壓降，并且隨納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩相壓降和總壓降都減少，其原因是納米流體制冷劑在流動(dòng)沸騰過(guò)程，納米顆粒沉積在微型通道表面，影響通道表面的潤(rùn)濕。圖16表示納米制冷劑流動(dòng)沸騰后，通道表面納米顆粒沉積情況（圖15表示實(shí)驗(yàn)前通道表面情況）。

圖17、表4表示各質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)后微型通道表面接觸角的情況，從表4結(jié)果可以得出隨著納米顆粒濃度的增加，納米顆粒沉積到通道表面，表面的靜態(tài)接觸角逐漸減少，表面的潤(rùn)濕性依次增加。

表4 各質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米制冷劑流動(dòng)沸騰后通道表面靜態(tài)接觸角

流型為彈狀流時(shí)，表面潤(rùn)濕性對(duì)流動(dòng)沸騰壓降影響模型如圖18所示，在流動(dòng)沸騰兩相段，定義單個(gè)氣泡的水力直徑為h，氣泡的長(zhǎng)度為b，由于表面潤(rùn)濕性的存在，單個(gè)氣泡在流動(dòng)前進(jìn)時(shí)，表面張力對(duì)氣泡前進(jìn)有一種“阻力”，會(huì)使表面接觸角前角r和后角a不相等，Phan等[24]將此種工況下單位長(zhǎng)度兩相壓降定義為

在流動(dòng)沸騰時(shí)，由于前角r和后角a很難被測(cè)量，并且流動(dòng)沸騰過(guò)程中，具有高氣體和液體速度比率使得前接觸角減少為0，后接觸角接近靜態(tài)接觸角，因此上述式(25)可以簡(jiǎn)化成如下形式

流型為泡狀流和環(huán)狀流時(shí)，表面潤(rùn)濕性（接觸角）對(duì)壓降的影響主要是影響氣泡的生長(zhǎng)及氣泡脫離，生成一個(gè)氣泡所需要的焓和表面接觸角之間的關(guān)系為式(27)[25]，從式(27)可知：接觸角越小（潤(rùn)濕性越好）生成一個(gè)氣泡及脫離需要更多的能量（焓），從而生成氣泡數(shù)量越少，對(duì)流動(dòng)造成的阻力越小，壓降越小。

(27)

在純制冷劑R141b中加入納米顆粒，在流動(dòng)沸騰過(guò)程中，納米顆粒沉積到通道表面，并且隨著納米顆粒的增加，沉積越嚴(yán)重，通過(guò)表面靜態(tài)接觸角的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，通道表面接觸角越小，見表4，由式(26)、式(27)可得納米制冷劑在通道中的兩相壓降、總壓降和納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，即：納米流體制冷劑在微型通道中的兩相壓降隨納米顆粒濃度的增加而減少。

2.5 方差分析

分別定義納米流體制冷劑質(zhì)量流率、納米顆粒濃度（制冷劑中納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、熱通量對(duì)流動(dòng)沸騰壓降影響為影響因子、、，對(duì)DMLS微型通道中的流動(dòng)沸騰壓降影響做方差齊性檢驗(yàn)分析（檢驗(yàn)），根據(jù)圖11中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制成如表5所示的雙因素作用結(jié)果表，表中縱列為不同質(zhì)量流率值，橫列為不同濃度值，共同影響壓降值，通過(guò)式(28)～式(33)可得表6方差分析結(jié)果，式中SS表示離差平方和，df表示自由度，MS表示均方，其中F服從自由度為（dfdfe）的分布，對(duì)于給定的顯著性水平=0.05，若F>F（dfdfe）=crit，則認(rèn)為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，否則無(wú)顯著影響，其他影響因子對(duì)壓降影響方差分析可通過(guò)上述方法得到表7、表8結(jié)果。

,,(29)

,,(30)

(32)

(33)

表5 質(zhì)量流率與納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 質(zhì)量流率與納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降影響方差分析

表7 熱通量與納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降影響方差分析

表8 納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降影響方差分析結(jié)果

表6表示質(zhì)量流率和納米顆粒濃度雙因素作用下對(duì)兩相壓降影響的方差分析，表7表示熱通量和納米顆粒濃度雙因素作用下對(duì)兩相壓降影響的方差分析，表6、表7中影響因子對(duì)應(yīng)的F>0.05（dfdfe）=crit，取=0.05（顯著性因子），說(shuō)明質(zhì)量流率、納米顆粒濃度、熱通量對(duì)納米制冷劑在DMLS微型換熱器中流動(dòng)沸騰兩相壓降都有顯著影響。

表8表示納米顆粒濃度對(duì)兩相壓降影響的方差分析結(jié)果，表8中的=21.4>0.05（5，11）=crit=4.38，從分析結(jié)果可以得出：納米流體制冷劑中的納米顆粒濃度對(duì)其流動(dòng)沸騰兩相壓降有顯著影響。

基于表6～表8中的方差分析，都說(shuō)明了納米顆粒濃度對(duì)納米流體制冷劑在DMLS微型換熱器通道中的兩相壓降有顯著影響，通過(guò)圖11～圖14分析，相同的工況下，納米流體制冷劑在微細(xì)通道中的兩相壓降隨納米顆粒濃度的增加而減少。

3 模型對(duì)比分析

微型換熱器換熱通道中流動(dòng)沸騰兩相過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，兩相壓降機(jī)理還沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，一些學(xué)者[26]將流動(dòng)沸騰壓降分相處理，兩相壓降關(guān)聯(lián)式為

其中為整個(gè)通道的長(zhǎng)度（單位：m），2L=/為兩相壓降影響因子，其中表示Martinelli數(shù)[26]，后來(lái)許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上將進(jìn)行修正，相關(guān)修正模型與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值見表9。

表9 實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式模型預(yù)測(cè)值的偏差

Note：

由表9可知，Mishima[27]關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值（MAE）為25.6%，Qu-Mudawar[28]關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值（MAE）為23.2%（圖19），Zhang[29]關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值（MAE）為27.8%。3種預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差值中，Qu-Mudawar關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)值的MAE為23.2%，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差最小。但是Qu-Mudawar關(guān)聯(lián)式并沒(méi)有考慮納米顆粒沉積對(duì)通道表面的潤(rùn)濕性對(duì)兩相壓降的影響，因此可以在Qu-Mudawar關(guān)聯(lián)式和Zhang關(guān)聯(lián)式基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，將實(shí)驗(yàn)得到代入上述的兩相壓降模型，進(jìn)行非線性擬合，可以得到如下關(guān)聯(lián)式

將原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入修正后的關(guān)聯(lián)式，實(shí)驗(yàn)值與修正后的相對(duì)誤差的絕對(duì)值MAE為11.7%，且有85%的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于修正公式預(yù)測(cè)值的±15%范圍之內(nèi)（圖20），說(shuō)明修正后關(guān)聯(lián)式能有效預(yù)測(cè)本工況下實(shí)驗(yàn)值。

4 結(jié) 論

運(yùn)用超聲波振動(dòng)法制備均勻穩(wěn)定的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體制冷劑，在直接激光燒結(jié)DMLS微型換熱器中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)壓力為176 kPa，納米流體入口溫度為40℃，在熱通量21.2～38.2 kW·m?2和質(zhì)量流率183.13～457.83 kg·m?2·s?1工況下，研究納米粒子濃度對(duì)Al2O3/R141b納米流體制冷劑流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降影響，研究結(jié)果表明：

（1）納米顆粒濃度對(duì)納米制冷劑在DMLS微細(xì)換熱器換熱通道中流動(dòng)沸騰兩相壓降有顯著影響，在相同的工況下，兩相壓降隨納米顆粒濃度的增加而降低（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，兩相壓降越?。?，在R141b加入納米粒子Al2O3，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米制冷劑流動(dòng)沸騰氣液兩相壓降降低5.5%～32.6%。

（2）通過(guò)SEM和表面靜態(tài)接觸角測(cè)試方法，發(fā)現(xiàn)納米流體制冷劑沸騰氣液兩相壓降隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減少的原因是納米顆粒沉積在通道表面，增加了DMLS通道表面的潤(rùn)濕性，表面潤(rùn)濕性越好，兩相壓降越小。

（3）對(duì)比了國(guó)際上3種比較經(jīng)典流動(dòng)沸騰兩相壓降模型，并基于Qu-Mudawar關(guān)聯(lián)式和Zhang關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，得出兩相壓降結(jié)果的85%數(shù)據(jù)點(diǎn)位于修正后的關(guān)聯(lián)式模型值的±15%范圍之內(nèi)；同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與修正后的模型結(jié)果偏差MAE值為11.7%，說(shuō)明修正后關(guān)聯(lián)式能有效預(yù)測(cè)本工況下實(shí)驗(yàn)值。

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——質(zhì)量流率對(duì)壓降影響因子 B——濃度對(duì)壓降影響因子 cr, cnp, cnf——分別為純制冷劑、納米顆粒、納米流體比定壓熱容，kJ·kg?1·K?1 D——熱通量對(duì)壓降影響因子 Dh——水力直徑，m G——單個(gè)通道的質(zhì)量流率，kg·m?2·s?1 h——傳熱系數(shù)，kW·m?2·K?1 hl,g——納米制冷劑的汽化潛熱，J·kg?1 Lsub——單相段長(zhǎng)度，m ?pin——進(jìn)口突縮壓降，Pa ?pout——出口局部壓降，Pa ?psat——兩相壓降，Pa ?psub——單相壓降，Pa ?ptot——總壓降，Pa Qe——槽道吸收的熱量，kW ——制冷劑吸收的熱量，kW qe——熱通量，kW·m?2 Re——Reynolds數(shù) Tin——納米流體制冷劑進(jìn)口溫度，℃ Tsat——納米流體飽和溫度，℃ Tw,dn——下測(cè)溫點(diǎn)溫度，℃ Tw,up——上測(cè)溫點(diǎn)溫度，℃ w——質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% γ——?dú)馀莅霃?，m ε——熱力平衡偏差，% η——肋片的傳熱效率，% θ——接觸角，(°) κ——截面突縮比 λ——熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1 μ——黏度，Pa·s ρg——制冷劑氣相密度，kg·m?3 ρnf——納米流體制冷劑密度，kg·m?3 σ——表面張力，N ΔΦ——產(chǎn)生一個(gè)氣泡的焓，J ?l——液相比焓，J·kg?1 ?v——?dú)庀啾褥?，J·kg?1 cout——出口干度，%

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Influence of nanoparticle concentration on pressure drop of Al2O3/R141b boiling flow in micro heat exchanger by direct metal laser sintering

ZHOU Jianyang, LUO Xiaoping, XIE Mingyu, DENG Cong

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Uniform and stable nanorefrigerant coolants of 0.05%—0.4%Al2O3/R141b (mass fraction) were prepared by ultrasonic vibration and used to investigate nanoparticle concentration on pressure drop of gas-liquid two-phase boiling flow of a nanorefrigerant in micro channels. A micro heat exchanger was fabricated by direct metal laser sintering (DMLS) with designed capacity of system pressure at 176 kPa and inlet temperature at 40℃. At conditions of heat flux 21.2—38.2 kW·m?2and mass flow rate 183.13—457.83 kg·m?2·s?1, the experimental results show that the nanoparticle concentration had significant impact on pressure drop of Al2O3/R141b nanoparticle coolant boiling flow in micro channels and the pressure drop decreased with the increase of nanoparticle concentration. After added Al2O3nanoparticles to pure R141b coolant, pressure drop of the pure refrigerant in micro channels was reduced by 5.5%—32.6% depending on mass faction of nanoparticles. Scanning electron microscopy (SEM) and static contact angle measurement revealed that deposition of some Al2O3nanoparticles on the microchannel surface increased surface wettability, which might lower pressure drop of Al2O3/R141b upon increase of nanoparticle concentration. Considered three classic pressure drop models and correlations of Qu-Mudawar’s and Zhang’s for gas-liquid two-phase boiling flow, a revised correlation was developed that 85% of the experimental data points on pressure drop were fallen within a ±15% range of model calculation. The revised correlation can effectively predict the experimental results under these conditions as supported by small MAE number of 11.7%, which was relative deviation between experimental results and revised model predictions.

microchannel;sintering; nanoparticle; concentration; gas-liquid two-phase; pressure drop

2016-05-09.

Prof. LUO Xiaoping, mmxpluo@scut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160634

TK 124

A

0438—1157（2016）11—4587—12

周建陽(yáng)（1986—），男，博士研究生，講師。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21276090）。

2016-05-09收到初稿，2016-07-18收到修改稿。

聯(lián)系人：羅小平。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21276090).