锥形射流电喷雾散热器冷却性能的实验研究：土耳其大学2021年国际期刊论文665.

工程科学与技术，国际期刊24（2021）665锥形射流电喷雾散热器冷却性能的实验研究AbdüssamedKabakus，a，RídvanYakutc，KenanYakut b，AhmetNumanÖzakınb，a土耳其阿尔特温大学能源系统工程系b土耳其阿塔图尔克大学机械工程系c土耳其卡夫卡斯大学机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年4月30日收到2020年11月2日修订2020年11月10日接受2020年11月30日在线发布关键词：电喷雾冷却热沉强化比无水乙醇的A B S T R A C T本文研究了光滑表面热沉和翅片表面热沉的电喷雾冷却特性。在锥形射流模式下，对7种不同热流密度的乙醇进行了实验研究，在锥形射流模式下，产生了稳定和连续的液滴直径。在实验中，使用7 kV电压、20 mm的喷嘴到衬底的距离、具有0.61mm内径（di）的不锈钢喷嘴和0.45由于这两个流速值彼此非常接近，因此没有观察到电喷雾形成的差异，但是由于在0.60 ml/min流速下发送到散热器的流体量更高，因此与0.45 ml/min流速相比，在不同热通量下实现了15-44%的更好的冷却。此外，首次在电喷雾冷却中应用的翅片散热器提供了比光滑表面散热器高约1.3-1.6倍的冷却效果。本文用强化比（ER）来表示电喷雾滴下对翅片散热器冷却效果的影响。此外，翅片增强比（FER）的变化，这表明在翅片散热器相比，在无翅片散热器的冷却增强，被仔细检查在不同的表面温度。结果表明，与以往电喷雾冷却强化传热的研究不同，在电喷雾冷却过程中，可以采用以前没有采用过的翅片式表面散热器，作为进一步强化传热的有效参数。©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍微电子的热管理需要高的热通量去除解决方案，因为集成电路每单位时间每单位面积产生的热通量密度迅速增加[1]。暴露于高热通量的微电子器件的接头处的温度增加这降低了采用接头元件的装置的性能并缩短了它们的寿命。不同的冷却方法用于保持这些系统的温度控制在最佳状态。冲击空气冷却[2]、液体喷射冷却[3]、微通道冷却[4]、微泵冷却[5]和喷雾冷却[6]是用于高热流去除的方法之一。根据以前的研究结果，可以看出喷雾冷却是一种非常有效的方法，用于在高热通量系统中去除热量[7]。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 ： akabakus@artvin.edu.tr （ A.Kabaku ， s ） ，kyakut@atauni.edu.tr（K.雅库特），ahmet. atauni.edu.tr（A.N. Ozakin）。由Karabuk大学负责进行同行审查与许多传统的空气冷却系统相比，喷雾冷却是一种有吸引力的方法，因为其效率高[8]。然而，由于喷射液滴的反弹和相对高的功率需求，传统的喷雾冷却遭受低的冷却效率。此外，在电喷雾中，通过对液滴充电来防止液滴的反弹，使其附着在表面上，从而实现比传统喷雾更有效的冷却[9]。电喷雾通过使用库仑力的能量高效液体雾化提供两相冷却，同时用非常少量的液体提供改进的热传递[10]。此外，在传统的喷雾冷却技术中，有限的液滴携带能力、对用于液体雾化的高性能机械泵的需求以及调节液滴尺寸的不足可以被认为是该方法的其他缺点[11]。电喷雾是消除这些缺点的一种非常有用的方法虽然电喷雾雾化是由于高电压而发生的，但安培水平是毫米级甚至微米级。因此，系统的可靠性增加并且其提供低能耗。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.11.0042215-0986/©2020 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchAbdüssamedKabak u，s，K. Yakut，AhmetNumanÖzakın等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）665666电喷雾的其他优点是液滴尺寸小于通过机械雾化器获得的液滴尺寸，液滴的尺寸分布通常较窄并且标准偏差较低，产生均匀的液滴颗粒，带电液滴由于彼此排斥而自行散射，带电液滴的运动可以容易地通过电场控制，能够改变方向或焦点，带电液滴在物体上的累积效率大于不带电液滴并且易于应用方法[12在电喷雾中，当介电流体通过喷嘴时施加足够高的电压，在喷嘴尖端处形成的静电力和重力克服表面张力，因此流体颗粒从喷嘴尖端分散这种现象被称为电喷雾。关于文献中的电喷雾;在许多领域进行了研究，如质谱[16]，微粒生产[17]，表面涂层[18]，微胶囊化[19]，2D和3D打印[20]，电喷雾[20]，[21]，微推进器[22，23]，燃烧系统[24]和药物生产[25]。电喷雾是一种通过静电充电产生非常细的气溶胶的方法，不同于更已知的液压和空气喷雾。随着电压的增加，颗粒直径减小。因此，总传热面积增加。此外，电压的增加扩大了喷射角度，并在散热器上提供了更均匀的分布。研究发现，在锥形射流模式之后，液滴直径和喷雾角没有太大变化[26]为此，本研究在锥形射流模式下进行。电喷雾研究中的工作流体取决于要达到的表面温度，优选具有低或高沸点的介电流体。在电喷雾冷却系统中，带正电的流体颗粒移动到散热器。根据流动条件，流体颗粒蒸发，从而从加热表面去除热量 图 1示出了电喷雾冷却系统的工作原理。考虑到文献中的研究，其重点是喷嘴类型、喷嘴-散热器距离、电场强度、流速、流体、喷雾模式等。表1中给出了文献中与电喷雾冷却相关的一些研究中的主要参数。Gibbons和Robinson[10]指出，峰值传热系数和增强的径向冷却区虽然在某些情况下对喷嘴直径具有较小的依赖性，但主要取决于冷却流体流速以及喷嘴和目标表面之间的距离。他们还表明，即使在非常低的流速下，电喷雾也可以实现比自然对流高得多的传热。对于1082 W/m2热通量，0.108喷嘴内径和7.5 mm喷嘴-Fig. 1. 电喷雾冷却的示意图。基片距离越大，增强比越大（0Wang和Mamishev[29]检查了不同几何形状的电喷雾蒸发冷却（ESEC）室的传热性能，发现喷嘴几何形状以不同方式影响传热性能在最低的热通量，与5毫米的间距和8个喷嘴ESEC，实现了1.87的最大增强率通过增加微喷嘴之间的数量和距离，最高瞬态冷却速率已被显著提高。结果表明，随着流量的增加和热流密度的减小，强化比增大（1对于4个喷管，随着喷管间距的增大，增强比增大（1-Feng和Bryan[30]首次研究了外加电场对两相冲击传热的影响他们报告说，发现撞击质量的传热特性取决于流速、施加电压、喷嘴与冷却表面之间的距离、喷嘴几何形状、热通量、冷却表面的几何形状以及喷嘴布置。随着电压的增加，增强比增加（1-1.5），随着基片-喷嘴距离的Chapman等人[31]已经表明，电喷雾冷却能够独特地增强液相和气相的热/质传递，这两者都得到高动量电喷雾射流的电流体动力学的支持。Jowkar等人[32]在相同的喷雾流速和喷雾到目标表面距离条件下，使用半球形电喷雾、传统电喷雾和滴液条件进行了实验。实验结果表明，最大热流密度随流量和电压的增大而增大，随喷嘴与被测表面距离的减小而减小。虽然在文献中有很多关于电喷雾的研究，但在冷却领域的研究很少。虽然进行了不同流速、喷嘴直径、喷嘴到散热器的距离和电压的研究，但对涡轮喷射冷却，特别是对翅片散热器的研究并不多。在文献中没有关于在冷却表面上使用翅片如何影响电喷雾冷却应用中的传热特性的信息。换句话说，在电喷雾冷却中，不清楚流体将从目标表面汲取的热量是否随着目标表面的温度或面积的增加而达到更高的值。在这项研究中，上述的不确定性被消除，并比较了电喷雾冷却文献中尚未出现的光滑表面散热器和翅片散热器的电喷雾冷却特性。研究了有肋和无肋（光滑）表面温度、强化比和肋强化比随热流密度变化脸被检查。2. 实验装置通过改变无翅片和有翅片表面的热流密度，对不同流量下的涡轮喷雾冷却进行了实验研究。为了形成稳定的液滴直径和速度的锥形射流电喷雾，研究了固定的0.61 mm喷嘴内径、20 mm散热器-喷嘴距离、7kV电压和0.45-0.60 ml/min流速。在这些流速下，乙醇完全蒸发。 实验装置的示意图如图所示。 2.在实验中，纯乙醇具有高介电性、低沸点、易蒸发、比表面积小等特点，AbdüssamedKabak u，s，K. Yakut，AhmetNumanÖzakın等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）665667××××××表1关于电喷雾冷却的文献综述表引用液体流速电喷雾类型电压Wang等人[1]乙醇4.2复用4吉本斯和罗宾逊[8]乙醇2单个2邓和戈麦斯[9]王和马米舍夫[11，27，29]乙醇+离子液体乙醇41717多路复用（喷嘴+提取器）单路和多路复用（V1-V2）= 1.5 kVV2变化1冯和布莱恩，[30]乙醇800单个0Chapman等人[31]甲醇2单个1Jowkar等人[三十二]乙醇20000单个7-10千伏吉本斯和罗宾逊[33]乙醇2复用4图2. 实验装置的示意图。张力，被使用。纯乙醇的一些物理性质的值在表2中给出。通过内径（di）为0.61 mm的注射泵（New Era，NE-300）将不同流速的乙醇推进到不锈钢喷嘴。通过静电充电器（Puls Electronic，HVDC-20）将7 kV的恒定电压施加到喷嘴。七种不同的热通量（7，7.6，8.4，9.1，9.8，10.7，11.4 kW/m2）与硅树脂加热器一起通过使用DC电源（Instek，GPS-3030 DD）施加到散热器。（见图。（3）在喷雾室中进行实验，以确保恒定的环境条件，并使测试环境与外部环境电绝缘通过两个软管穿过喷涂室的底板，不影响测试室中的喷涂流，通过真空泵（Airpo D2028 B）向测试大气提供空气补充。此外，通过真空泵通过上表面上的两个软管排出被渗透的乙醇液滴饱和的空气并将新鲜空气供应到腔室中因此，环境条件保持恒定。36 38 5 mm光滑铝板和36 38 24毫米翅片铝散热器，其尺寸在图中给出。 4、用作散热器。散热器的侧表面所用玻璃棉绝缘材料的尺寸为3.5 × 15 × 15 cm。在该系统中，使用了K型热电偶，其中4个用于测量散热器温度，1个用于测量环境温度。在系统稳定并达到稳态条件后，通过数据记录器（Novus，Fieldlogger）将热电偶测量的温度传输至计算机。表2乙醇的物理性质[34]。图3.第三章。实验设置和测试部分。图4. 散热片的示意图和尺寸。对于热电偶和接地线，在散热器底座上钻5 mm深的孔。为了确保一致的测量，如图5所示，将热电偶放置在散热器底座上。使用Nikon 18-105镜头用Nikon D90相机记录电喷雾形成使用LutronDT-2199频闪仪作为白光光源。3. 计算从散热器表面的总热传递可以表示为如：Qtot¼Q conQ radQv apQ loss1物理性质值沸点（°C）78.3密度（kg/m3）790表面张力（N/m）0.0245电导率（pS/m）130,000AbdüssamedKabak u，s，K. Yakut，AhmetNumanÖzakın等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）665668”。1.2.n¼ ¼ ð Þ公司简介@RW@x1@RW@x22þ···þ@RW@xn2#1= 2ð7Þ其中W R是由不同的独立变量（x 1，x 2，.. . ，xn）。R是独立变量的函数，W1，W2，. . ，Wn是自变量的不确定性。实验不确定度见表3。4. 结果和讨论图5.热电偶和接地线在散热器底座中的位置以及散热器的热损失表示。而Qtot是总热传递，Qcon是对流热传递，Qrad是辐射热传递，Qvap是蒸发热传递，Qloss是来自测试段的热损失。只有散热器的上表面是开放的，垂直侧部是绝缘的。当对流、蒸发和辐射从上表面发生时，可能的热损失发生在绝热的垂直侧面。(see图5）由于工作温度不太高，辐射传热，小于总热负荷的1%，可以忽略不计。试验段的总热损失最大为3%。因此，总热量可以表示为：实验研究了在不同热流密度下，电喷雾对翅片和光滑表面的冷却效果。在锥形射流模式下进行实验，以产生具有一致尺寸的液滴，以实现最佳传热[27，28]。在恒定条件下以0.45和0.60 ml/min进行的实验中，乙醇完全蒸发。当产生冷却效果的流体量保持不变时，随着热流密度的增加，表面温度也随之升高。可以看出，对于0.45和0.60 ml/min流速的翅片式散热器的曲线图是协调的，并且它们的斜率接近。随着更多的液体与表面接触，0.60 ml/min流速下，获得明显更多的冷却。 在低热流密度下，由于光滑热沉的表面积有限，在0.60 ml/min流速下的蒸发速率有所降低。因此，获得Qtot ¼Qcon Qvapð2Þ与0.45 ml/min相比，0.60 ml/min。对于0.45 ml/min流速，分别提高约34%和42%利用该方程计算了对流换热系数;Q与无翅片的光滑板相比，在有翅片的热沉中分别在最小热通量和最大热通量下获得冷却。对于0.60 ml/min的流速，约为29%和39%h¼AtotT Tð3Þ在最小热通量和最大热通量ss-1h为平均传热系数，As为热沉表面积，Ts为热沉平均表面温度，T1为喷雾室内环境温度。Qtot是由硅树脂加热器传递到散热器的总热量，V和I分别是施加到加热器的电压和电流; Qtot也可以表示为：Qtot¼ VI400增强比（ER）可以表示为：儿h eDT05h0D Te而He是在喷嘴上施加高电压时获得的对流传热系数，而H0是在不施加电压时（滴下模式）获得的对流传热系数。DTe和DT0分别是在高电压条件和无电压条件下的平均表面温度与环境温度之间的差。FER图用于表示翅片散热器相对于光滑板的冷却效果。FER是在恒定温度下使用电喷雾从散热器的表面吸取的热量的比率，并且被定义为：QF热通量，分别在翅片散热器相比，无翅片的光滑板。此外，响应于热通量变化，与0.45 ml/min流速相比，在0.6 ml/min流速下，在光滑板表面和翅片散热器表面上分别获得了20- 44%和15-40%的更好冷却（图1和2）。 6和7）。ER图与DT图成反比虽然ER在低热通量下很高，但该比率在高热通量下减小并且几乎是线性的。这是由于乙醇在低热通量下以滴注模式积聚在散热器表面上流体在表面上的积聚导致热传递随着时间的推移而变得低效。在锥形喷射模式中，由于流体被雾化的事实，其在板表面上比在滴下模式中更均匀地扩散，因此蒸发速率增加。随着热流密度的增加，蒸发速率和蒸发流体的量也在锥形射流模式中增加，这导致冷却效率的增加。0.45 ml/min流速的曲线图的斜率较小，这是由于在该流速下表面上累积的流体量小于0.60 ml/min的流体量。已经观察到，虽然高于9.8 kW/m2的热通量的增强比在1.3和1.6之间，但是对于低于9.8 kW/m2的热通量，它表现出突然上升。在热通量范围内，表3FER ¼Qð6Þ实验设备的准确度和不确定度图设备准确度（%）不确定度Qf是从翅片散热器吸取的热量，Qs是从光滑板表面吸取的热量。使用Kline和McClintock数据记录器（°C）±0.2 ±1°C注射泵（ml）±1 ±0.5 ml静电充电器（kV）± 0.5 ± 0.1 kV[35]，ER和FER的实验不确定度分别为4.7%和0.4%。直流电源（V）±0.01±0.2± 5 mV± 3 mAΣ2þΣSAbdüssamedKabak u，s，K. Yakut，AhmetNumanÖzakın等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）665669图6.在0.45 ml/min的喷射流率下，由于电喷雾冷却，光滑板和翅片散热器见图7。在0.60 ml/min的喷射流率下，由于电喷雾冷却，光滑板和翅片散热器当蒸发发生时，在0.60 ml/min流速下的增强比比在0.45 ml/min流速下的增强比高约10%（图2）。 8）。为了确定散热器中的翅片增强比，在保持散热器表面温度恒定的情况下，计算了散热器的散热量。在两种流速下，由于散热器表面积增加，翅片当FER在流体的沸点之前为1.3左右时，当表面温度上升到沸点以上时，FER上升到1.55左右 当地表温度超过78.3°C，这是乙醇的沸点，发生两相冷却，其中流体完全蒸发，并且由于图第八章0.45 ml/min时光滑板对热流的增强比，0.60 ml/min流速。图第九章翅片热沉的翅片增强比与表面温度的关系0.45 ml/min和0.60 ml/min流速。图10. 0.45 ml/min（a）和0.60 ml/min（b）流速的电喷雾图像。事实上，没有流体积聚在表面上，冷却性能增加。因此，FER显示出突然增加。当待冷却的板的温度升高到流体的沸点以上时，流体一冲击到表面就蒸发，由此翅片效率达到其最大值。因此，在沸点以上，FER值几乎保持恒定。虽然0.45 ml/min和0.60 ml/min的FER值非常接近，但由于温度低于沸点时阻碍传热的流体积聚较少，因此0.45 ml/min流速的FER值略好（图11）。 9）。由于两种流速之间的差异非常小，因此对于两种流速，电喷雾的形成类似地发生。然而，由于更多的流体以0.60 ml/min的流速被发送到散热器表面，因此实现了更多的冷却（图1）。 10）。5. 结论为了使系统工作在锥形射流模式，在7kV电压、喷嘴到热沉距离为20mm、喷嘴内径为0.61mm研究了不同热流密度和两种流量下的电喷雾冷却性能。在所研究的流速下，由于乙醇完全蒸发且乙醇不会在表面上积聚，因此结果表明，尽管电喷雾模式在两种流速下均未发生变化，但在0.60 ml/min时冷却增强效果更好，因为更多的流体被输送到散热器表面。此外，本研究首次在翅片散热器上进行了电喷雾冷却，观察到其冷却性能是平板的1.3结果表明，在光滑平板上增加肋片可以降低表面温度，增加表面积，增加蒸发换热，AbdüssamedKabak u，s，K. Yakut，AhmetNumanÖzakın等人工程科学与技术，国际期刊24（2021）665670是的。除了文献中报道的改进电喷雾冷却的情况之外，可以通过在光滑板散热器上增加翅片或简单地更换它们来进一步增加传热。此外，可以通过使用不同的散热器几何形状或翅片优化来改善电喷雾冷却。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。确认这项研究由阿塔图尔克大学科学研究项目协调单位资助，资助编号为FBA-2018-6965。引用[1] H.王春平，许文辉，电喷雾蒸发冷却系统对流换热系数的强化率，载于：美国机械工程 师 学 会 2009 年 夏 季 会 议 ， 美 国 加 州 旧 金 山 ， 2009 ，https://doi.org/10.1115/HT2009-88629。[2] R. 雅库特湾Yakut，F.是的，伊尔达尔，A。Karabey，用于散热器的冲击空气射流的实验和数值研究，ProcediaEng.157（2016）3https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.331。[3] K. Baghel，A. Sridharan，J.S. Murallidharan，实验和数值研究倾斜自由表面液体射流冲击，国际热物理杂志。Sci.154（2020），https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2020.106389106389。[4] D. 邓，Y.谢湖，加-地Chen，G.Pi，Y.黄，微通道冷却燃烧室热性能和燃烧性能的实验研究https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.034[5] V. Singhal，S.李志华，高热流冷却用感应式电流体动力学微型泵，传感器致动器A：Phys.134 -2（2007）650-659，https：//doi。org/10.1016/j.sna.2006.05.007。[6] F.耶西达尔湾Yakut，通过taguchi方法优化散热器的喷雾冷却参数，雾化喷雾27（2017）1063doi.org/10.1615/AtomizSpr.2018019951[7] B.S. 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