低流量下乙醇-R141b混合物的电喷雾冷却：喷雾行为与传热性能

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Electrospray cooling of ethanol-R141b mixtures at low flow rates: Spray behavior and heat transfer performance

　　摘要
使用混合工作流体的电喷雾冷却技术为在低流量条件下提高传热效率提供了一种有前景的方法。然而，施加电压、液体流量、流体性质和表面温度之间的耦合效应尚未得到充分理解。在本研究中，实验考察了乙醇-1,1-二氯-1-氟乙烷（R141b）混合物在低流量下的喷雾行为和传热性能。通过高速可视化技术来描述喷雾模式及其转变，同时用热流和质量传热系数来量化传热性能。系统地研究了施加电压、液体流量和乙醇体积分数的影响。识别出七种具有不同射流连续性和雾化稳定性的喷雾模式，这些模式的转变由静电应力与液体惯性之间的平衡决定，而液体粘度和电导率则提供了额外的调节作用。基于模式稳定性和实验重复性，选择了螺线型、脉动射流、稳定喷雾和多射流模式进行传热性能评估。传热性能受喷雾模式、乙醇体积分数、流量和表面温度的影响。稳定喷雾和多射流模式由于持续的雾化和更均匀的表面润湿而表现出优异的传热性能。在大约64°C以下，传热主要由单相对流主导，此时R141b丰富的混合物更有效；而在较高的表面温度下，相变传热变得显著，中间乙醇体积分数（Φ = 30%）能获得最佳性能。增加液体流量可以在液体受限条件下提高传热效果，但过量流量会导致液膜积聚并恶化性能。

引言
电喷雾是指在强电场作用下液体的喷射和雾化过程，通常包括形成一个泰勒锥并随后喷射出液体射流或液滴[1][2][3][4]（图1）。由于电喷雾能够产生尺寸和分布可控的细小液滴，因此广泛应用于电喷雾离子化质谱（ESI-MS）、增材制造、电喷雾辅助燃烧、空间推进系统以及其他微纳技术[5][6][7][8][9][10][11][12]。近年来，电喷雾冷却作为一种高热流热管理技术受到了越来越多的关注，尤其是在微电子设备领域，因为它具有提高传热效率、精确输送液体和有效利用相变效应的潜力[13][14][15][16]。
电喷雾过程受到静电应力、液体惯性力、粘性应力和表面张力之间的复杂相互作用的影响，从而导致多种不同的喷雾模式。这些模式通常通过射流稳定性和雾化行为的变化来表征，并受到施加电压、液体流量和液体性质等操作参数的强烈影响。早在20世纪90年代，Cloupeau和Prunet-Foch[17][18]以及Jaworek和Krupa[19]就对电喷雾进行了系统的实验研究，并识别出十多种喷雾模式，包括滴落、螺线型、锥射流、振荡射流、分支射流和多射流。他们还将观察到的模式与先前报道的结果进行了比较，并详细讨论了每种模式的操作条件。近年来，进行了大量的实验研究以阐明不同操作条件下的喷雾行为和模式转变特性[20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31][32][33][34]。与实验并行，数值方法也被应用于电喷雾研究，为射流形成、雾化和喷雾模式演变提供了额外的见解[35][36][37][38][39]。这些研究表明，不同喷雾模式之间的转变是由静电应力与液体惯性之间的竞争引起的，这种转变可以使用适当的无量纲参数进行系统描述[28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39]。尽管这些研究有效地提高了对电喷雾机制的理解，但大多数研究主要关注液体喷雾行为，对其对传热性能的直接影响关注较少。
对于电喷雾冷却而言，液体喷雾形态在决定冷却效果方面起着关键作用。实验表明，具有更细小液滴、更高喷雾分散度和更均匀表面覆盖度的喷雾模式通常能够提高传热性能[40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53][54][55][56]。在这些研究中，针对水、乙醇和其他介电液体在不同喷雾模式下的冷却特性进行了研究。Jowkar等人[41]和Taheri等人[42]研究了在高流量条件下乙醇和乙醇-水混合物的电喷雾冷却效果，揭示了施加电压和液体流量对传热特性和性能的影响。Yakut等人[43][44]研究了在不同条件下水和异丙醇的电喷雾冷却特性，分析了施加电压、液体流量、喷嘴直径和长度对喷雾模式、平均颗粒直径和速度的影响。他们还开发了多喷嘴电喷雾冷却系统，并系统地证明了其相比传统冷却方法具有更高的传热性能[45]，以及在高功率LED热管理中的有效性[46]。Xu等人[47]和Shao等人[48]使用乙醇作为工作流体进行了电喷雾冷却实验，观察到了多种不同的喷雾模式，并建立了喷雾模式与传热性能之间的明确关联。Wan等人[49]使用乙醇和乙二醇作为冷却剂，报道了锥射流和多射流模式与其他模式相比具有更好的传热性能，这归因于更小的液滴尺寸、更高的喷雾速度和更大的喷雾角度。这些研究表明，热流和质量传热系数强烈依赖于喷雾模式、表面温度和液体流量。然而，大多数现有的电喷雾冷却研究都是在相对较高的液体流量（通常≥10 mL/h）下进行的，以最大化冷却能力，而低流量下的喷雾行为和传热性能则研究较少。
除了喷雾模式和操作参数外，工作流体在电喷雾冷却中也起着至关重要的作用。介电制冷剂通常具有较低的电导率，这限制了静电控制并抑制了有效的雾化。为了克服这一局限，提出了结合低沸点介电液体和导电添加剂（如乙醇）的混合工作流体。通过调节这种混合物的组成，可以调节喷雾特性和热物理性质，从而改变传热性能。例如，Xu等人[50]实验研究了使用乙醇和甲氧基九氟丁烷（HFE-7100）混合物的电喷雾传热性能，并报告了施加电压、液体流量和乙醇浓度对冷却能力的影响。Wang等人[51]和Tian等人[52]在他们的电喷雾冷却实验中使用了乙醇-1,1-二氯-1-氟乙烷（R141b）混合物，并研究了操作参数和喷雾模式对传热性能的影响。这些研究报道了使用乙醇-介电流体混合物时喷雾稳定性的提高和传热性能的增强。然而，这些文章中尚未系统地阐明低流量下喷雾模式和传热特性的耦合效应。
尽管最近的研究主要集中在相对较高的液体流量下最大化冷却能力，以适应高热流热管理应用，但低流量电喷雾代表了另一个重要的操作范围，却受到了较少的关注。在低流量条件下，液体利用效率、液体喷雾稳定性和电动力学雾化成为控制冷却性能的主要因素，而过量的液体供应和液膜积聚显著减轻。这种操作条件特别适用于微电子设备、微型系统等应用，其中冷却剂消耗、精确的液体输送和稳定的长期运行是主要关注点。此外，控制喷雾形成的力平衡与高流量条件下的情况有很大不同，因为静电应力逐渐取代了液体惯性。因此，无法直接从现有的高流量研究中推断出低流量条件下的喷雾模式转变机制及相关传热特性，因此需要专门的研究。
鉴于此，我们进行了乙醇-R141b混合物在低流量下的电喷雾冷却喷雾行为和传热性能的实验研究。本研究中使用的流量（0.5–1.5 mL/h）远低于文献中通常报告的流量（通常为10–100 mL/h），因此被归类为低流量条件。首先，系统地研究了施加电压、液体流量和乙醇体积分数对喷雾行为和喷雾模式转变的影响。然后，在广泛的表面温度范围内，使用热流和质量传热系数来量化选定喷雾模式的传热性能。以往的研究主要关注喷雾特性或冷却性能，而喷雾模式演变与传热性能之间的关系在低流量条件下的研究相对较少。此外，二元工作流体组成对喷雾行为和冷却性能的影响也尚未得到系统阐明。因此，本研究旨在建立乙醇-R141b混合物的喷雾模式转变与传热特性之间的关联，进一步探讨低流量电喷雾冷却的控制机制。

实验装置
图2展示了本研究中使用的电喷雾冷却实验平台的示意图，图3显示了实验平台的照片。实验平台由三个主要模块组成：电喷雾模块、加热模块和数据采集模块。该平台基于先前验证的电喷雾实验系统开发，以确保操作稳定性和一致性[28][29][30]，并集成了额外的组件。

喷雾行为和模式
喷雾行为随操作条件和液体性质的变化而变化，这些变化反映在传热性能上。施加电压、液体流量和乙醇体积分数的变化对泰勒锥的形成、射流稳定性、液体喷雾行为都有重要影响，最终影响撞击加热表面的液滴的空间和时间分布。因此，我们首先研究了乙醇-R141b混合物的喷雾行为。

结论
本研究实验研究了在低流量下乙醇-R141b混合物的电喷雾冷却效果。使用高速可视化技术识别喷雾模式，并用热流和质量传热系数在广泛的表面温度范围内量化传热性能。系统地改变施加电压、液体流量和乙醇体积分数，以研究它们对喷雾行为和传热性能的影响。