EHD强化微细槽道沸腾传热实验研究
戴勇，罗小平，方振鑫
(华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州，510640)
摘要：在横截面为2 mm×2 mm的微细槽道内，以去离子水为工质，对EHD强化微细槽道饱和沸腾换热进行实验研究，得出不同的外加高压电场作用下, 饱和沸腾段的热流密度与平均壁面过热度的关系曲线，分析外加电压对饱和沸腾传热系数的影响。研究结果表明，外加高压电场能在一定程度上强化微细槽道饱和沸腾传热，为探索EHD强化微细槽道饱和沸腾传热机理提供了一定的依据。
关键词：
中图分类号：TK124 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)05-1316-05
EHD experimental research on boiling heat transfer in micro-channels
DAI Yong, LUO Xiao-ping, FANG Zhen-xin
(College of Mechanical and Automobile Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Experiments were carried out to study electro-hydrodynamics (EHD) enhancement for saturated flow boiling heat transfer in micro-channels with cross-section of 2 mm×2 mm using deionized water as the working fluid. In the boiling section of the channels with different voltages, the relation between heat flux and averaged wall superheat temperature was studied. The influences of the electrified on the boiling heat transfer coefficient were analyzed as well. The results show that electric field with high voltage can enhance saturated boiling heat transfer in micro-channels, and it lays a foundation for exploring the mechanism of EHD enhancement for saturated boiling heat transfer in micro-channels.
Key words: micro channels; two phases flow; boiling heat transfer; heat transfer enhancement; EHD
强化传热技术是工程热物理学科和能源利用工程中一个重要研究领域。目前，强化传热技术发展很 快，EHD(Electro-hydrodynamics)强化传热是在流体中施加电场，以利用电场、流场和温度场之间的相互耦合作用而达到强化传热的一种主动强化传热方法[1]。在流体中施加外电场对传热具有强化作用，施加电场进行强化传热相对于传统的强化传热有许多优点，如：传热强化效果好，设备简单，易于控制热流和温 度，功耗低，应用广，适用于航天器等特殊场合等[2-5]。因此，对EHD强化传热的研究逐渐受到重视。微细槽道通道内的流动沸腾换热特性非常复杂[6-10]，表现出与常规大尺度通道内流动沸腾换热不同的换热规律。在引入电场后，由于电场作用与传热过程、介质流动过程及气泡产生过程相互影响，使得对EHD强化微细槽道沸腾传热机理的分析更加困难[11-14]。目前，国内外对这方面的研究甚少，相关的文献也很少。为此，本文作者对EHD强化微细槽道沸腾换热进行研究。
1 实验装置及步骤
1.1 试验系统
实验装置如图1所示，它由恒温水箱、热水泵、过滤网、流量计、测试段、闸阀、测量仪器和其他一些附属设备构成。水箱中的去离子水在热水泵的驱动下分为2路：一路进入旁通回路，另一路流过过滤网，以便除去杂质。然后，流经玻璃转子流量计，接着进入实验段的矩形微槽中(微槽底部通过导热硅脂把加热片黏在一起)加热，最后经过除泡器流回水箱。
本实验段去离子水的流量为10 L/h，外加电场电压的调节范围为0~20 kV。实验在常压下进行，实验段结构如图2所示。本实验设计的矩形流道共9条，每条长×宽×高为250 mm×2 mm×2 mm。矩形流道采用流道基板和底座一体的结构，底座的长×宽×高为350 mm×80 mm×35 mm。微流道基板和底座均为铝材，它们之间通过导热硅脂均匀黏接，以保证良好的导热性能。槽道盖板为隔热性能较好的有机玻璃盖板。实验段的9条矩形微槽中放入9根长250 mm、宽2 mm、高4 mm的PVC条，并与槽道底部紧密黏结，防止沸腾传热实验中槽道底部漏液。PVC条绝缘且绝热，在PVC条上铺上合适的垫片然后放上长250 mm、宽30 mm、高5 mm的铝板，用于连接电极的正极，负极则连接于铝质底座，中间通过PVC条绝缘，以保证EHD强化微细槽道沸腾换热实验能够顺利进行。加热片通过导热硅脂贴在底座底部来施加均匀热通量，实验段底座两侧和进出口敷设绝热材料以减少热量散失，调压器连接加热片以改变热流密度。
图1 实验装置示意图
Fig.1 Sketch map of experimental equipments
图2 实验段简图
Fig.2 Diagram of test section
打开水泵，启动数据采集程序，调整工作完毕后，开始连续采集水温、壁温。实验段经过流体加热，温度开始上升，直到进出口温度与微槽壁面温度一致，这时将调压器调到一定的电压，在开始加热实验段进行沸腾传热实验。首先做无外加电压作用下的饱和沸腾实验，关闭静电发生装置，调节玻璃砖子流量计到指定刻度，保持不变，由小到大改变调压器电压来调节热流密度。在每一个加热流密度下，观察采集程序中的壁温和水温。当加热片传给实验段的热量等于流体在微槽道中受迫流动带走的热量时，达到热平衡状态，壁温和水温都保持稳定，此时记录足够的有效数据。然后开启静电发生装置，依次调节电压为4，8，12，16和20 kV，每调节1次外加电压都重复无电场实验的操作步骤。
1.2 测量与数据采集
实验中需测量的参数有实验段进出口温度、底座壁面温度、电加热功率和工质流量。盖板两边开有直径为8 mm的小孔，用于安装Pt1000热电阻来测量进出口温度；沿流动方向开有上、下对应的6~8对直径为6 mm的小孔，孔深为30 mm，用于安装Pt100热电阻测量底座的壁面温度，测量范围均为0~150 ℃，精度为0.1%；流量的测量选用LZB-15玻璃转子流量计，可测微小流量，介质温度为0~120 ℃，公称压力为0.4~0.9 MPa，量程为0~100 L/h，测量误差在1%以内；接触调压器用来调节铝座底部加热片的电压，从而改变微槽道底部热流密度，型号为TDGC2-3KVA，额定输入电压为220 V，输出电压为0~250 V，最小刻度为5 V。实验中的温度通过采集系统进行采集输入到PC机，并采用专门编成的软件对稳态和动态数据进行采集、计算和显示等操作，实现实验工况的实时监测。采集卡是研华科技出品的16位ISA总线数据采集卡，型号为PCL-818L。
2.1 过热度与热流密度关系
矩形槽道单元如图3所示，其中，tf为水的饱和沸腾温度；tw为槽道地面温度。槽道上方通过有机玻璃盖板密封，实验中忽略通过有机玻璃传递的少许热量，故可假设槽道盖板绝热。则热流密度q可以由式(1)得到：
q=λ·(tw,dn-tw,up)/δ (1)
式中：λ为铝的导热系数[15]，约为228 W/(m·K)；微槽道底部的温度tw,up和tw,dn通过热电阻测量；δ为微槽道底部2个测温点的距离。
图3 矩形微槽道单元截面简图
Fig.3 Two-dimensional micro-channel heat sink unit cell
在实验中，去离子水进入微细槽道后，被不断加热，槽道壁温以及槽内水温不断升高。经过一系列的变化，在某一点处主流液体整体达到饱和沸腾状态，此点称为S点，S点由下式确定：
M·Cp(ts-tin)=q·n·Wch·Zs (2)
式中：M为质量流量，kg/s；wch为槽道宽度；n为槽
道数，n=8；Cp为水的比热容，kJ/(kg·℃)；ts和tin分别为去离子水饱和沸腾温度和入口温度，℃；Zs为S点距离槽道入口处的距离。本实验中取M= 2.66×10-3 kg/s；Cp=4.22 kJ/(kg·℃)；ts=100 ℃；Wch=2 mm。
由于本实验段铝座底部加热片的加热功率很大，流体进口温度的改变对式(1)计算热流密度的影响可以忽略。实验中通过改变加热功率得出9种不同的热流密度，对于每种热流密度可视其为常数，所以，由式(2)可知：在实验过程中能够对不同的热流密度采用改变去离子水入口温度tin的方法,以使Zs保持在150 mm附近。9组不同的q与tin如表1所示。
图4所示为不同外加电场电压下作用下，饱和沸腾段的热流密度q与平均壁面过热度Δts(饱和沸腾段内5个测温点处壁面过热度的平均值)的实验关系曲线。由图4可知：当外加电场电压一定时，随着q的增加，Δts逐渐增大；当q一定时，随着电场电压的增加，Δts逐渐减小，说明传热系数增大，沸腾传热得到了强化；当Δts一定时，随着外加电场电压的升高，热流密度也逐渐增大，说明传递的热量不断增加。本实验中热流密度为147.9 kW/m2，无外加电场电压时，Δts约为4.5 ℃；当外加电场电压分别为4，8，12，16和20 kV时，Δts依次约为3.8，3.2，2.8，2.5和2.2 ℃。
图4 热流密度与壁面过热度的关系
Fig.4 Relationship between heat flux and averaged wall superheat temperature
表1 9种不同的热流密度q及相应的tin
Table 1 9 kinds of different heat flux and their corresponding tin
2.2 EHD对沸腾传热系数的影响
饱和沸腾传热段的传热系数h理论计算公式为：h=q/Δts。热流密度q与沸腾传热系数h的关系如图5所示。由图5可知：随着热流密度q的增加，传热系数逐渐增加；在相同的热流密度下，外加电场电压增加，传热系数增大，说明外加电场电压越高，强化传热的效果越好。
在本实验中当热流密度为147.9 W/m2，无外加电场作用时传热系数h为32.9 kW/(m2·K)，而当外加电场电压分别为4，8，12，16和20 kV时，相应的沸腾传热系数都有所增大，依次分别为38.9，46.2，52.8，59.2和67.2 kW/(m2·K)。经比较可知：当外加电场电压为20 kV时，沸腾传热系数约为无外加电场时的2倍。这表明微细槽道换热器可以通过施加电场的途径来实现强化传热的效果，有广阔的应用前景。
图5 热流密度q与沸腾传热系数h的关系
Fig.5 Relationship between heat flux and heat transfer coefficient
2.3 强化系数与电场电压的关系
为了比较在相同热流密度下，有外加电场作用与无外加电场作用下的换热系数，定义强化系数α如下：
α=hEHD/h0 (3)
式中：hEHD为施加电场作用下的沸腾传热系数；h0为无外加电场时的沸腾传热系数。
强化系数α与电场电压U的实验关系如图6所示。由图6可知：在相同的热流密度q下，随着电场电压的升高，α依次增大；在相同的电场电压下，q越大，α越大，且随着电压的增加，当q为147.9 kW/m2，电场电压为20 kV时，α为约为2。
图6 强化系数α与电场电压U的实验关系
Fig.6 Relationship between voltage and enhancement coefficient
2.4 沸腾传热系数误差分析
由于实验数据由数据采集卡采集并通过编程由计算机自动保存，所以，本文仅根据仪表情况按误差传递理论来估算实验结果在极端条件下的最大可能误差。由h=q/Δts得h的相对误差为：
(4)
Pt100热电阻的精确度为0.1%，由于跟其连接的连接线以及保护装置等都会影响测量精度，因而导致其最大误差可能到达2%。加上数据采集以及电脑保存数据等过程的影响，最终可能使
≤5%，
≤4%。
因此，由式(4)可得h的最大可能误差约为：
6.4%。
3 结论
(1) 外加电场作用能在一定程度上强化了微细槽道饱和沸腾传热。
(2) 在饱和沸腾区段内，当热流密度一定时，平均壁面过热度随着电场电压的增加而逐渐减小，传热系数随着电场电压的增加而逐渐增大，传热得到强化。
(3) 当电场电压一定时，强化系数随着热流密度的增加而增大；当热流密度一定时，强化系数随着外加电场电压的升高而逐渐增大，本实验得出的最大强化系数约为2。
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收稿日期：2010-03-11；修回日期：2010-06-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(20676039)
通信作者：罗小平(1967-)，男，江西南昌人，教授，从事微尺度相变传热机理研究；电话：13660846819；E-mail: mmxpluo@scut.edu.cn
