硅基微通道内分相式冷凝换热实验研究

摘要

如何实现微通道流动冷凝减阻以及强化传热一直是微通道内亟待解决的问题，在这一背景下，本文将流型调控的思想与微通道相耦合，创新性地提出了分相式冷凝微通道的概念。本次实验采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺，自主设计了一种具有流型调控效果的分相式微通道(PSC)，以及具有可比性的普通对比微通道(BC)。设计并搭建了具有国际先进水平的硅基微通道冷凝实验平台，并利用高速的，高同步性，高精确度的数据采集系统进行数据采集。
　　本研究以双重蒸馏的去离子水作为工质，进行如下三组实验：微通道开式冷凝实验系统单相热校核，微通道芯片内部属性测试实验，以及微通道水蒸汽流动冷凝对比实验。实验开式系统单相热校核结果表明各系统传热误差小于等于20％，实验系统热性能良好。微通道芯片内部属性测试实验表明离子刻蚀加工的两微通道表面均为亲水表面，分相式微通道可通过吸液的方式实现流型调控。微通道水蒸汽流动冷凝对比实验进行了600g/h，1700g/h，2700g/h三种冷却水流量的实验，入口压力范围:25kPa～130kPa。实验发现:在分相式微通道与普通对比微通道们内，流动冷凝流型差异明显，分相式微通道内“门”型微针肋结构具有吸液特性，小液滴会被“门”型针肋结构吸进液通道中从而聚合成大液滴，可以有效避免通道中小液滴的出现。分相式微通道具有汽液分相流动的效果，产生分相流型。在小中冷流下，分相式微通道具有的流动减阻特性。在大冷流下，分相式冷凝微通道未起到减阻的效果。在小中冷流下，分相式硅基微通道整体具有强化传热效果，前段强化传热特性更好，而在大冷流的情况下，分相式微通道未起到强化传热的效果。最后，采用能量耗散法以及液膜调控模型对分相式微通道阻力特性，流动传热特性进行机理分析，解释了在一定条件下分相式微通道流动减阻以及强化传热的原因。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景与意义

1．2 国内外研究现状外与发展动态

1．2．1 微通道流动冷凝流型

1．2．2 微通道流动冷凝压降特性

1．2．3 微通道流动冷凝不稳定性

1．2．4 微通道流动冷凝传热特性

1．2．5 汽液分相冷凝传热概念

1．3 本文研究思路及内容

第2章 硅基微通道流动冷凝实验平台

2．1 硅基冷凝微通道实验芯片

2．1．1 测试实验微通道芯片结构

2．1．2 硅基冷凝实验芯片加工工艺

2．2 硅基微通道冷凝实验平台

2．2．1 硅基微通道冷凝实验开式系统

2．2．2 硅基微通道冷凝芯片封装方法

2．2．3 硅基微通道水冷闭式循环系统

2．2．4 硅基微通道冷凝实验测量系统

2．3 微通道冷凝实验平台调试及数据误差分析

2．3．1 微通道冷凝实验平台调试

2．3．2 数据测量方法及误差分析

2．4 本章小结

第3章 微通道冷凝对比实验与结果分析

3．1 开式实验系统热校核

3．1．1 实验系统单相热校核法

3．1．2 实验系统热校核结果

3．2 微通道芯片内部属性测试实验

3．2．1 微通道刻蚀表面特性测试

3．2．2 分相式微通道“门”型针肋吸液实验

3．3 微通道水蒸汽流动冷凝对比实验工况

3．4 微通道流动冷凝流型对比

3．4．1 普通对比微通道(BC)流动冷凝流型

3．4．2 分相式微通道(PSC)流动冷凝流型

3．4．3 微通道流动冷凝流型对比分析

3．5 微通道流动冷凝阻力特性对比

3．5．1 分相式微通道(PSC)与普通对比微通道(BC)流动冷凝质量流速对比

3．5．2 微通道流动冷凝阻力特性分析

3．6 微通道流动冷凝传热特性对比

3．6．1 分相式微通道(PSC)与普通对比微通道(BC)流动冷凝传热特性对比

3．6．2 微通道流动冷凝传热特性总结分析

3．7 本章小结

第4章 分相式微通道流动冷凝特性机理分析

4．1 能量耗散法分析分相式冷凝微通道减阻机理

4．2 液膜调控模型分析传热特性机理

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及专利

致谢