便攜式高功率激光器蓄冷散熱實(shí)驗(yàn)研究

熱設(shè)計(jì) 2021-10-28

0 引言

當(dāng)前,隨著激光器技術(shù)的發(fā)展,激光器已被應(yīng)用于野外清障?破拆等場合?野外使用的便攜性,對整個(gè)激光器的體積重量提出了越來越高的要求?散熱系統(tǒng)是整個(gè)激光器系統(tǒng)的重要組成部分,散熱系統(tǒng)的小型化?輕量化對整個(gè)激光器的便攜化具有重要意義?

目前,就激光器的冷卻方式而言,激光器的冷卻系統(tǒng)分為風(fēng)冷和液冷兩類,對于小功率激光器,風(fēng)冷式冷卻可以完成散熱,而大功率激光器必須采用液冷的方式?傳統(tǒng)的液冷系統(tǒng)中,通過冷水機(jī)蒸汽壓縮制冷對冷卻水進(jìn)行冷卻,然后通過冷卻水循環(huán)回路對激光器進(jìn)行冷卻?然而,大功率的冷水機(jī)組體積?重量極大,限制了其在便攜式大功率激光器中的應(yīng)用?

蓄冷是指將低于環(huán)境溫度的冷量進(jìn)行儲存留待后用的技術(shù),它是制冷技術(shù)的補(bǔ)充和調(diào)整,是協(xié)調(diào)冷能在時(shí)間和強(qiáng)度上供需不匹配的一種經(jīng)濟(jì)可行的方法?目前,蓄冷已被用于食品冷鏈?制冷系統(tǒng)的削峰填谷?節(jié)能降耗,可以很好地解決冷量供需不平衡的問題?本文研究將蓄冷技術(shù)應(yīng)用于大功率激光器的散熱,以蓄冷介質(zhì)作為激光器散熱系統(tǒng)的冷源,從而達(dá)到減小散熱系統(tǒng)體積?重量,最終實(shí)現(xiàn)大功率激光器的便攜化這一目的?

1 蓄冷工質(zhì)及方式的選擇

1.1 蓄冷工質(zhì)

蓄冷的方式包括顯熱蓄冷?潛熱蓄冷和化學(xué)蓄冷等?顯熱蓄冷主要以水為蓄冷工質(zhì);潛熱蓄冷根據(jù)相變過程又可分為固-液相變制冷?液-氣相變制冷?固-氣相變制冷等,典型的工質(zhì)分為冰(或共晶鹽)?液氮?干冰?

在選擇蓄冷工質(zhì)的過程中,需要根據(jù)蓄冷能力?蓄冷溫度?安全性?儲存難度以及價(jià)格等因素,綜合考慮?對于便攜式蓄冷散熱場景,為降低制冷系統(tǒng)的體積和重量,理想的蓄冷介質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有蓄冷能力高?蓄冷溫度適中?安全性高?易儲存的特點(diǎn)?表1對比了不同工質(zhì)的蓄冷量?蓄冷溫度等特性?表中單位質(zhì)量工質(zhì)的蓄冷量按從蓄冷溫度到室溫(20℃)計(jì)算?從表1可見,三種蓄冷工質(zhì)中,干冰蓄冷量最大,冰與液氮蓄冷密度相當(dāng)?液氮和干冰的蓄冷溫度遠(yuǎn)低于冰,在使用過程中,循環(huán)水系統(tǒng)有結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)?此外,為減少儲存?運(yùn)輸過程的損耗,液氮及干冰都需要特制的保溫容器,而冰的儲存僅需要簡單的泡沫保溫箱就可以,因此從整個(gè)蓄冷模塊(蓄冷介質(zhì)+儲存箱體)的儲能密度來講,以冰蓄冷具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢?綜上,在常用的蓄冷介質(zhì)中,冰具有蓄冷密度高?蓄冷溫度適中?安全?便于儲存?價(jià)格便宜易獲得的優(yōu)點(diǎn),是最適合便攜式應(yīng)用場合的?后續(xù)研究將以冰作為蓄冷介質(zhì)進(jìn)行研究?

1.2 蓄冷/釋冷方式

在確定以冰作為蓄冷介質(zhì)之后,還需要確定蓄冷或釋冷的方式?本文根據(jù)制冰的場所,將制冰方式分為內(nèi)部制冰和外部制冰?內(nèi)部制冰指在儲冰容器內(nèi),通過低溫盤管的方式,將水凍結(jié),原位地制取冰?這種制冰方式中,儲冰容器內(nèi)的水可以完全凍結(jié),蓄冰率高,但會增加低溫盤管的重量,同時(shí),制冰過程中的膨脹,可能損壞儲冰容器,因此內(nèi)部制冰的方式不予采用?外部制冰指在儲冰桶外部,通過制冰機(jī)的方式,制備冰塊,隨后將冰塊加入儲冰桶中,進(jìn)行使用?這種外部制冰的方式,取用靈活,結(jié)構(gòu)簡單,可以根據(jù)需要隨時(shí)向儲冰桶內(nèi)加入冰塊,滿足使用需求,因此,本文后續(xù)將針對外部制冰的方式進(jìn)行研究?

根據(jù)取冷方式的不同,又可將釋冷過程分為間壁式換熱與混合式換熱兩種?間壁式換熱指通過換熱盤管的方式,循環(huán)水在盤管內(nèi)流動,從冰塊取冷,因而可以實(shí)現(xiàn)閉式循環(huán),但由于換熱過程通過盤管進(jìn)行,存在換熱溫差,尤其是當(dāng)冰不與盤管直接接觸時(shí),換熱效果逐漸變差?直接接觸式換熱指循環(huán)水直接與冰接觸,冰融化后,也成為循環(huán)水,具有換熱效果好?取冷效率高?取冷溫度低?取冷過程平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn),特別適合短時(shí)間內(nèi)冷量大?溫度低的場所?因此,本文后續(xù)將針對直接接觸式釋冷方式進(jìn)行研究?

綜上,采用外部制冰?直接接觸式釋冷的冰蓄冷散熱方案,具有蓄冷密度高?蓄冷溫度適中?換熱效果好?取冷效率高?取冷溫度低?取冷過程平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)?由于蓄冷溫度適中,可以使用輕便的泡沫箱作為冰儲箱,無需深冷保溫結(jié)構(gòu);采用直接接觸式換熱,省去了換熱盤管以及儲液罐;由于取冷溫度低,循環(huán)水溫度與普通水冷溫度相比,降低10℃左右,因此,在相同散熱功率的條件下,可以適當(dāng)降低循環(huán)水流量,因而可以使用較為小型的泵,在以上因素的共同作用下,可以最大程度地減輕系統(tǒng)重量?

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了對本文提出的冰蓄冷散熱方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,搭建了圖1所示的蓄冷散熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?該系統(tǒng)由熱源模擬系統(tǒng)?冷源及連接系統(tǒng)?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分構(gòu)成,其中熱源模擬系統(tǒng)包括水冷板?加熱片?可調(diào)直流電源等,冷源連接系統(tǒng)包括制冷/蓄冷系統(tǒng)以及與水冷板進(jìn)出口連接的管路;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集儀?計(jì)算機(jī)等,負(fù)責(zé)對溫度?壓力?流量信號進(jìn)行采集?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的冷板,是為某激光器研制的專用冷板,加熱片的布置方式與實(shí)際使用過程中的熱源位置類似,加熱片的設(shè)計(jì)加熱功率為4500W?在冷板正反兩面的典型位置,如冷板進(jìn)?出口,流道上方等區(qū)域,布置有共27路熱電偶,對整個(gè)冷板的溫度進(jìn)行采集?

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示?

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先,為了驗(yàn)證水冷板流道設(shè)計(jì)的正確性,通過冷水機(jī)組制冷的方式,對冷板的散熱能力進(jìn)行了驗(yàn)證?實(shí)驗(yàn)中,冷卻水流量13.5L/min,壓降1.0bar,溫度測量結(jié)果如圖3所示?從圖3可知,除個(gè)別測溫點(diǎn)外,大部分測溫點(diǎn)溫度在35℃以下,滿足散熱需求,證明了水冷板設(shè)計(jì)的合理性?圖3中,系統(tǒng)整體溫度緩慢上升,這是由于冷水機(jī)質(zhì)量功率小于水冷板散熱功率,造成系統(tǒng)能量積累,溫度逐漸升高?

隨后,以冰為制冷介質(zhì),進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如圖4所示,實(shí)驗(yàn)中流量為11.7L/min,測量水冷板壓降為0.75bar?從圖4可知,采用冰蓄冷散熱,供水溫度在5℃左右,在測試時(shí)間段內(nèi),除個(gè)別測溫點(diǎn)外,大部分測溫點(diǎn)溫度在35℃以下,滿足散熱需求?

本實(shí)驗(yàn)中冰塊的釋冷特性與文獻(xiàn)報(bào)道的類似?從圖4可見,當(dāng)散熱時(shí)間在500s之前時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的溫度基本穩(wěn)定,這是由于冷卻初期,儲冰箱中冰塊儲量充分,冷卻水回水可以與冰進(jìn)行充分的熱量交換?在330s左右,整個(gè)系統(tǒng)溫度的突然降低是由此時(shí)部分冰融化成水,儲冰箱中冰塊在水浮力作用下漂浮,并且在冷卻水回水沖擊動能作用下,發(fā)生旋轉(zhuǎn)攪拌,使冰和水之間的換熱進(jìn)一步增強(qiáng)?500s之后,整個(gè)系統(tǒng)溫度迅速上升,這是由于此時(shí)冰塊已基本融化,此時(shí)的散熱主要通過水的顯熱進(jìn)行?由于水的顯熱僅為4.2kJ/kgK,遠(yuǎn)小于冰的潛熱335kJ/kg,因此整個(gè)系統(tǒng)的溫升在較短時(shí)間內(nèi)迅速上升?在500s之后,部分熱電偶測量溫度有較大波動,這是由于在回水沖擊作用下,蓄冰桶內(nèi)形成了漩渦,造成取水口含氣,進(jìn)而造成流量波動,造成溫度的波動?

從對流換熱理論可知,平均換熱系數(shù)k隨流速增大而增大,隨進(jìn)口溫度降低而降低?采用冰蓄冷換熱時(shí),由于供水溫度降低,冷卻水與水冷板的換熱溫差增大,因此,在散熱量相同的情況下,可以允許采用更小的流速(流量),實(shí)現(xiàn)相同的換熱效果?同時(shí),從式可知,當(dāng)散熱量相同?冷卻水流量減小時(shí),冷卻水溫升增大?由于冰水溫度低,可以允許更大的冷卻水溫升?綜上,對于冰蓄冷散熱,由于供水溫度低,可以采用較小的冷卻水流量實(shí)現(xiàn)相同的冷卻效果?較小的冷卻水流量有利于降低流動阻力,從而可以使用輕型水泵,進(jìn)一步降低系統(tǒng)重量?

4 問題與展望

盡管冰蓄冷散熱,對于便攜式高功率器件的散熱存在極大的優(yōu)勢,但也有一些問題需要注意:

（1）結(jié)露問題?對于冰蓄冷散熱,理論制冷溫度為0℃?由于存在換熱溫差,供水溫度一般在5~10℃?當(dāng)環(huán)境濕度較高時(shí),冷板表面存在結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn),尤其是在水冷板的入口區(qū)域以及無熱源區(qū)域,且工作時(shí)間越長,結(jié)露問題越嚴(yán)重?因此必須注重激光器外殼的密封封裝與內(nèi)部除濕,避免結(jié)露造成電子器件的損壞?

（2）蓄冰率?由于蓄冰箱內(nèi)的冰塊是隨機(jī)堆積的,可以認(rèn)為是一種多孔介質(zhì)?實(shí)驗(yàn)測試表明,碎冰塊堆積的孔隙率約為38%,即蓄冰箱的蓄冰率約為62%?為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的緊湊程度,可以考慮優(yōu)化冰塊形狀,提高蓄冰率,如將隨機(jī)堆積的碎冰塊有序排列,或采用大塊的冰塊等?實(shí)驗(yàn)測試表明,采用大冰塊,可以將蓄冰箱的蓄冰率提高到80%左右?值得注意的是,理論上,蓄冰率可以達(dá)到100%(蓄冰箱內(nèi)水完全凍結(jié)),但此時(shí)循環(huán)水無法流動,且循環(huán)水與冰塊之間的換熱面積減小,釋冷性能變差?因此,必須在蓄冰率與釋冷性能之間綜合權(quán)衡?

（3）蓄冰損耗?在實(shí)際使用中,考慮運(yùn)輸?shù)纫蛩?/span>,由于蓄冰箱內(nèi)部與環(huán)境存在溫差,環(huán)境熱量會源源不斷輸入給蓄冰箱,造成蓄冰箱內(nèi)冰融化,導(dǎo)致蓄冰率降低?因此,正確評估蓄冰箱內(nèi)冰的損耗速度至關(guān)重要?通過實(shí)驗(yàn)測試,將冰塊置于EPP保溫箱中,儲存在環(huán)境溫度為25℃左右的環(huán)境中,經(jīng)過24h,蓄冰箱中冰塊損耗小于30%?假設(shè)損耗速度為線性,可以估算,在日常運(yùn)輸過程中,1~2h內(nèi),蓄冰損耗小于3%,滿足使用要求?當(dāng)然,蓄冰損耗與環(huán)境溫度及儲冰箱的保溫性能密切相關(guān)?在溫度高的環(huán)境中,需要更優(yōu)質(zhì)的保溫材料?