表面溫度測(cè)量方式對(duì)噴霧冷卻表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?/h1>
2016-11-18 03:08楊濤周致富陳斌趙曦王國(guó)祥
化工學(xué)報(bào) 2016年11期
楊濤，周致富，陳斌，趙曦，王國(guó)祥, 2
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表面溫度測(cè)量方式對(duì)噴霧冷卻表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?/p>
楊濤1，周致富1，陳斌1，趙曦1，王國(guó)祥1, 2
（1西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049；2美國(guó)Akron大學(xué)機(jī)械工程系，Ohio Akron 44325）
噴霧冷卻在工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，制冷劑噴霧是激光皮膚手術(shù)中實(shí)施表皮冷保護(hù)的必要手段。為提高冷卻效率，需要通過(guò)表面溫度的測(cè)量反推表面?zhèn)鳠崽匦浴樘剿鞑煌砻鏈囟葴y(cè)量方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，搭建了瞬態(tài)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別使用磁控濺射薄膜熱電偶(TFTC)、絲狀熱電偶(FTC)和片狀熱電偶(STC)研究了R404A制冷劑噴霧環(huán)氧樹(shù)脂表面?zhèn)鳠崽匦缘牟町?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁控濺射薄膜熱電偶(TFTC)熱響應(yīng)性能最佳，能準(zhǔn)確及時(shí)地反映表面溫度的瞬態(tài)變化且可與熱通量變化準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。絲狀熱電偶(FTC)和片狀熱電偶(STC)屬于間接測(cè)溫，溫度變化存在明顯滯后，影響熱通量、對(duì)流傳熱系數(shù)等表面?zhèn)鳠崽匦缘木_分析。薄膜濺射熱電偶測(cè)溫是準(zhǔn)確研究瞬態(tài)噴霧冷卻表面?zhèn)鳠徇^(guò)程的可靠手段，可為臨床治療提供理論指導(dǎo)。
噴霧冷卻；表面?zhèn)鳠?；溫度測(cè)量；R404A
引 言
激光技術(shù)在皮膚外科治療中的應(yīng)用效果顯著，應(yīng)用范圍不斷拓展，已成為葡萄酒色斑、血管瘤、太田痣、多毛癥、紋身及嫩膚除皺等多種疾病的首選療法[1-2]。其中，葡萄酒色斑(port wine stain, PWS)在新生兒中有0.3%～0.5%的發(fā)病率，出現(xiàn)于面部和頸部，且隨年齡增長(zhǎng)逐漸加深變厚，會(huì)對(duì)患者容貌和心理造成極大影響[3-4]。PWS的激光治療基于選擇性光熱理論，即血紅蛋白吸收特定波長(zhǎng)激光（目前臨床多用585 nm和595nm的脈沖染料激光）能量使得病變血管產(chǎn)生不可逆的熱破壞，相比于其他方法見(jiàn)效快、副作用小[5-6]。但是，表皮中的黑色素對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)(500～1000 nm)激光的較強(qiáng)吸收會(huì)降低達(dá)到真皮層中病變血管處的激光能量，削弱治療強(qiáng)度，難以達(dá)到理想的治療效果；同時(shí)，黑色素吸收激光能量可能導(dǎo)致表皮熱損傷，產(chǎn)生水皰、炎癥，留下傷疤或者色素沉著，因此在激光治療過(guò)程中對(duì)表皮進(jìn)行冷保護(hù)十分必要。
傳統(tǒng)的表皮冷保護(hù)采用接觸式冷卻，存在與治療不同步、冷卻效率低、冷卻時(shí)間長(zhǎng)、空間選擇性不佳等缺陷[7-8]。Nelson等[9-10]提出使用制冷劑瞬態(tài)噴霧(cryogen spray cooling, CSC)來(lái)冷卻表皮。液態(tài)制冷劑通過(guò)直管?chē)娮焓喊l(fā)生閃蒸形成噴霧，溫度迅速下降（可降至沸點(diǎn)以下），形成的低溫液滴對(duì)皮膚表面的沖擊可迅速將患處表皮溫度降低50℃左右。由于作用時(shí)間短（通常為幾十毫秒），在對(duì)表皮實(shí)現(xiàn)良好冷卻的同時(shí)不會(huì)影響表皮下病變血管的溫度，具有較強(qiáng)的空間選擇性和治療同步性[5]。輔以CSC可以有效提高激光能量，改善治療效果。目前臨床上使用的R134a沸點(diǎn)較高(-26.07℃)，對(duì)于黑色素含量較高的黃種人提供的冷量不足。相比于R134a，R404A具有更低的沸點(diǎn)（常壓下沸點(diǎn)為-46.5℃）和更強(qiáng)的揮發(fā)性，能提供更好的空間選擇性，在黃種人表皮冷保護(hù)方面具有很好的應(yīng)用前景[7,11-12]。
由于難以開(kāi)展在體實(shí)驗(yàn)，目前多使用銅[13]、環(huán)氧樹(shù)脂[11,14-15]或有機(jī)玻璃[16]等材料代替真實(shí)皮膚進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)量表面溫度來(lái)反推表面?zhèn)鳠崽匦?。因此，表面溫度的精確測(cè)量對(duì)于研究制冷劑噴霧冷卻表面的傳熱特性十分重要，不同測(cè)溫方式會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。目前常用如下3種方式測(cè)量表面溫度：①帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(STC)。尺寸微小的熱電偶被封裝在兩層復(fù)合材料薄膜中間，可用導(dǎo)熱膠或其他方式將STC固定于待測(cè)表面，復(fù)合材料薄膜的存在保證熱電偶不易損壞，實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。②絲狀熱電偶(FTC)。Aguilar等[17-18]采用鋁箔覆蓋絲狀熱電偶的方式測(cè)量了鋁膜下基體表面溫度，采用導(dǎo)熱反問(wèn)題方法求得了表面熱通量及傳熱系數(shù)。③濺射薄膜熱電偶(TFTC)。利用磁控濺射技術(shù)(magnetron sputtering)在被測(cè)表面沉積厚度為微米級(jí)的銅和康銅涂層構(gòu)成T形薄膜熱電偶，厚度極小且貼合度很高，接觸熱阻和熱容極小，周致富等[19-20]對(duì)濺射薄膜熱電偶在表面溫度測(cè)量方面做了深入研究，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)T型熱電偶進(jìn)行比較濺射薄膜熱電偶的相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)，其熱響應(yīng)時(shí)間約為1.2 μs，可準(zhǔn)確反映基體表面溫度的瞬態(tài)變化。
為探索不同表面溫度測(cè)量方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更好向臨床推廣，本文采用臨床商用電磁閥和噴嘴，使用R404A作為制冷劑研究不同測(cè)溫方式（薄膜熱電偶、絲狀熱電偶和片狀熱電偶）對(duì)制冷劑噴霧冷卻傳熱特性的影響。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法
如圖1所示，制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái)由噴霧發(fā)生及控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。噴霧發(fā)生及控制系統(tǒng)包括高壓氮?dú)馄俊⒅评鋭﹥?chǔ)罐、快速響應(yīng)電磁閥以及噴嘴等主要部件。實(shí)驗(yàn)所用制冷劑為R404A(Dupont, USA)，充裝在可獨(dú)立控溫控壓的儲(chǔ)罐中，常溫(25℃)下飽和蒸氣壓約為1.25 MPa。儲(chǔ)罐的壓力由高壓氮?dú)馓峁?，通過(guò)減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持儲(chǔ)罐內(nèi)制冷劑處于過(guò)冷狀態(tài)的同時(shí)提供噴霧所需壓力，以免在儲(chǔ)罐或軟管內(nèi)發(fā)生汽化。制冷劑經(jīng)響應(yīng)時(shí)間小于5 ms的快速響應(yīng)電磁閥(099-0169-900, Parker, USA)進(jìn)入金屬直管?chē)娮?，由電磁閥精確控制噴霧時(shí)間。電磁閥固定于三維電動(dòng)平移臺(tái)(WN105TA300M, Beijing Winner Optics Instruments Co., China），該平移臺(tái)絕對(duì)定位精度可達(dá)8 μm，可對(duì)噴霧距離進(jìn)行精確控制。本次實(shí)驗(yàn)所用電磁閥和噴嘴與臨床V-beam激光器(V-beam perfecta, Candela, USA)完全相同，直管?chē)娮扉L(zhǎng)40 mm，內(nèi)徑0.38 mm，與基體表面夾角20°。
測(cè)量系統(tǒng)由冷卻基體和熱電偶及數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)選取環(huán)氧樹(shù)脂作為冷卻基體，具體熱物性如表1所示。實(shí)驗(yàn)中所用熱電偶包含：厚度為2 μm的濺射薄膜熱電偶(thin film thermocouple, TFTC)、直徑為100 μm的絲狀熱電偶(fine thermocouple, FTC)和厚度為20 μm的帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(slice thermocouple, STC)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。熱電偶測(cè)得電信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集板(M-6251, NI, USA)采集，采樣頻率為100000次/秒，通過(guò)Labview程序與噴霧實(shí)現(xiàn)同步控制。
表1 環(huán)氧樹(shù)脂與表皮熱物性對(duì)比
實(shí)驗(yàn)所用TFTC與標(biāo)準(zhǔn)T形熱電偶相比在233.15～318.15 K范圍內(nèi)相對(duì)誤差小于0.5%[19]，F(xiàn)TC和STC為標(biāo)準(zhǔn)T形熱電偶，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，在73.15～643.15 K范圍內(nèi)其標(biāo)準(zhǔn)誤差在±1℃內(nèi)。不同噴霧距離和噴霧時(shí)間下表面溫度均進(jìn)行多次測(cè)量，排除偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
Franco等[21]對(duì)R134a噴霧的研究以及Wang等[12]對(duì)R404A噴霧的研究表明，以噴霧中心為原點(diǎn)1～2 mm范圍內(nèi)表面溫度基本不隨徑向位置變化，這個(gè)范圍遠(yuǎn)大于熱電偶焊點(diǎn)的尺寸，且瞬態(tài)噴霧作用下熱穿透深度遠(yuǎn)小于基體厚度，可根據(jù)測(cè)溫方式的不同將原問(wèn)題簡(jiǎn)化為單層或多層的一維半無(wú)限大平板的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。獲得表面溫度后，采用Green函數(shù)法[22]計(jì)算得到3種不同測(cè)溫方式下環(huán)氧樹(shù)脂表面熱通量隨時(shí)間的變化。
c()=c()-0,c()=[c()]
，()=[c(-)]
式中，c()為測(cè)點(diǎn)溫度，0為基體初始溫度，為Green函數(shù)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
如前所述，目前一般有STC、FTC和TFTC等3種表面測(cè)溫方式。由于磁控濺射技術(shù)無(wú)法在離體鼠皮上進(jìn)行操作，且銅本身具有導(dǎo)電性，選用環(huán)氧樹(shù)脂板(50.0 mm×50.0 mm×5.0 mm)作為冷卻基體對(duì)3種測(cè)溫方式進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)采用的噴霧軸向距離分別為：10、20、30、40、50 mm，噴霧時(shí)間s為：20、40、60、80、100 ms。圖3示出了不同噴霧距離、噴霧時(shí)間時(shí)3種測(cè)溫方式所測(cè)得基體噴霧中心表面溫度隨時(shí)間的變化，其中30 mm是臨床治療所用V-beam激光器冷卻噴嘴距皮膚表面的標(biāo)準(zhǔn)距離。
由圖3可以看出，在噴霧開(kāi)始后，3種測(cè)溫方式所測(cè)得的表面溫度都會(huì)經(jīng)歷3個(gè)變化階段：第1階段為液滴沖擊沸騰換熱段，表面溫度急速下降；而后溫度下降速度變緩進(jìn)入第2階段液膜穩(wěn)定蒸發(fā)換熱階段，在降至最低溫度后進(jìn)入溫度逐步回升至室溫的第3階段。在3種測(cè)溫方式中，TFTC測(cè)量結(jié)果在第1階段下降速率最快，第1階段和第2階段的溫度下降速率存在明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)；FTC在第1階段下降速率慢于TFTC，第1階段與第2階段平滑過(guò)渡；STC在第1階段下降速率最慢，與前兩種方式測(cè)量結(jié)果差距較大。TFTC和FTC所測(cè)得最低溫度較低且十分接近，STC所測(cè)得最低溫度較高，與前兩者差距較大。3種測(cè)溫方式都在噴霧結(jié)束時(shí)間左右測(cè)得最低溫度，其中TFTC的時(shí)間最早，F(xiàn)TC和STC稍有延遲。不同噴霧距離和噴霧時(shí)間下可得類(lèi)似規(guī)律，具體如表2所示。
表2 3種測(cè)溫方式所得環(huán)氧樹(shù)脂表面最低溫度和最低溫度對(duì)應(yīng)時(shí)間
Note: Absolute and relative errors were calculated with criterion of TFTC.
通過(guò)以上對(duì)比可以說(shuō)明：3種測(cè)溫方式中濺射薄膜熱電偶具有最佳的熱響應(yīng)，絲狀熱電偶性能與之相近，片狀熱電偶由于存在復(fù)合材料涂層導(dǎo)致其熱慣性較大，與前兩者相比性能較差。需要說(shuō)明的是本實(shí)驗(yàn)中所用鋁膜覆蓋絲狀熱電偶的測(cè)量方式相比Aguilar等[17-18]有所改進(jìn)，采用有機(jī)硅酮為主要成分的導(dǎo)熱膏代替膠帶來(lái)固定鋁箔和熱電偶。本文實(shí)驗(yàn)所用導(dǎo)熱膏的熱導(dǎo)率在2.0 W·m-1·K-1左右，遠(yuǎn)大于膠帶的0.19～0.25 W·m-1·K-1；并且導(dǎo)熱膏具有流動(dòng)性，可通過(guò)擠壓的方式排出鋁箔與環(huán)氧樹(shù)脂表面間多余的導(dǎo)熱膏和空氣，使鋁箔與環(huán)氧樹(shù)脂之間接觸更為緊密，從而顯著降低接觸熱阻；同時(shí)導(dǎo)熱膏本身的高黏度可保證鋁箔、熱電偶及環(huán)氧樹(shù)脂基板之間不發(fā)生相對(duì)位移。以上改進(jìn)提升了鋁箔覆蓋絲狀熱電偶測(cè)量表面溫度的熱響應(yīng)性能。
獲得表面溫度后，采用Green函數(shù)法[23]計(jì)算得到3種不同測(cè)溫方式下環(huán)氧樹(shù)脂表面熱通量隨時(shí)間的變化。如圖4所示為=30 mm、t=40 ms時(shí)表面熱通量變化，可分為4個(gè)階段：第1階段自噴霧開(kāi)始后熱通量急速上升至峰值，達(dá)到峰值的時(shí)間約為5 ms；而后熱通量迅速下降進(jìn)入第2階段，在下降至大約峰值一半位置處（對(duì)應(yīng)時(shí)間約為10 ms）進(jìn)入第3階段，熱通量下降速度明顯減緩，直至噴霧結(jié)束后進(jìn)入第4階段，熱通量迅速降為零。雖然圖4中3種測(cè)溫方式所得溫度變化在下降速度和最低溫度存在一定差距，但所得熱通量峰值的相對(duì)差值小于1.5%，原因是Green函數(shù)法計(jì)算熱通量時(shí)考慮了FTC和STC間接測(cè)溫時(shí)表面與測(cè)點(diǎn)中間夾層的影響，并未將測(cè)點(diǎn)溫度直接等同于表面溫度，這樣可以顯著降低測(cè)量方式差異所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。但間接測(cè)溫和熱電偶尺寸的差別對(duì)熱通量達(dá)到峰值的時(shí)間依然存在一定的影響，F(xiàn)TC和STC的峰值時(shí)間滯后于TFTC，三者分別為4、4.5和4.75 ms。實(shí)驗(yàn)所用的熱電偶和信號(hào)采集系統(tǒng)靈敏度很高，測(cè)量過(guò)程中容易受到來(lái)自外界和自身元器件帶來(lái)的信號(hào)干擾（主要來(lái)源于機(jī)械振動(dòng)和電磁擾動(dòng)）。相比于直接測(cè)量(TFTC)，間接測(cè)量(FTC、STC)中干擾帶來(lái)的噪聲對(duì)熱通量的影響明顯增強(qiáng)[24]。采用磁控濺射沉積在環(huán)氧樹(shù)脂表面的TFTC和表面之間結(jié)合的機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)于采用導(dǎo)熱膏貼合的其他兩種方式，噴霧作用造成的機(jī)械振動(dòng)的影響相對(duì)較小。因此圖4中TFTC結(jié)果穩(wěn)定性?xún)?yōu)于FTC和STC，未見(jiàn)明顯波動(dòng)。
冷液滴與基體表面換熱包含液滴鋪展成液膜的對(duì)流傳熱和液膜蒸發(fā)的相變傳熱兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的傳熱過(guò)程。將不同測(cè)溫方式得到的表面溫度和熱通量進(jìn)行對(duì)比（圖5），可將整個(gè)冷卻過(guò)程分為4個(gè)階段：第1階段自電磁閥開(kāi)啟后，噴霧迅速?gòu)臒o(wú)發(fā)展到穩(wěn)定，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)表面的冷液滴量也迅速增加，同時(shí)，相比后續(xù)3個(gè)階段此時(shí)基體表面溫度最高，傳熱溫差最大，因此熱通量急速上升達(dá)到峰值，表面溫度呈現(xiàn)急速下降的趨勢(shì)。此后，對(duì)流傳熱的傳熱溫差和相變傳熱的壁面過(guò)熱度都隨基體表面溫度下降而迅速減小。同時(shí)，噴霧穩(wěn)定后基體表面液膜的存在使得新到來(lái)的冷液滴不能與基體表面直接接觸，因此在噴霧穩(wěn)定后熱通量從峰值迅速下降，表面溫度降低速率也突然減緩，進(jìn)入噴霧冷卻的第2階段。熱通量減小后表面溫度下降速率降低，傳熱溫差和壁面過(guò)熱度變化也逐漸趨緩，二者相互影響，進(jìn)入較為穩(wěn)定的第3階段。第4階段開(kāi)始于電磁閥關(guān)閉后，液滴迅速減少，基體表面殘留液膜蒸發(fā)完后，表面熱通量迅速降至零，基體表面溫度也開(kāi)始回升。
對(duì)比圖5(a)～(c) TFTC、FTC和STC表面溫度和熱通量隨時(shí)間的變化，可以發(fā)現(xiàn)TFTC熱通量與溫度變化最為對(duì)應(yīng)，與上述分析一致，能準(zhǔn)確反映制冷劑噴霧冷卻中的傳熱過(guò)程。圖5(d)中FTC和STC所得結(jié)果和TFTC存在明顯差異，間接測(cè)溫導(dǎo)致表面熱通量達(dá)峰值（沸騰傳熱的臨界熱通量）的對(duì)應(yīng)溫度遠(yuǎn)高于TFTC，三者分別為-25.78、4.74和15.21℃。TFTC高熱通量(≥0.7max)對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的寬度也大于FTC和STC，位置也處于較低溫度區(qū)間，三者分別為36℃(-36～0℃)、30℃(-13～17℃)和18℃(6～23℃)。相比于TFTC，F(xiàn)TC和STC在第3、4階段的波動(dòng)十分明顯。由于間接測(cè)溫的原因，在殘留液膜蒸發(fā)完后的回溫過(guò)程中（第4階段后期），F(xiàn)TC和STC測(cè)點(diǎn)處溫度低于真實(shí)表面溫度，熱通量大小變?yōu)樨?fù)值。圖5(d)所描述的熱通量和表面溫度對(duì)應(yīng)變化曲線，同樣也可劃分為4個(gè)階段：前3階段熱通量隨基體表面溫度降低先增加再下降，呈現(xiàn)出由過(guò)渡沸騰向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，與Aguilar等[25]采用鋁膜覆蓋絲狀熱電偶對(duì)R134a噴霧所得結(jié)論類(lèi)似；第4階段電磁閥關(guān)閉后不再有新的冷液滴沖擊，熱通量繼續(xù)降低，殘留液膜蒸發(fā)完后表面溫度開(kāi)始回升。
參照牛頓冷卻公式的形式可定義一個(gè)制冷劑噴霧冷卻表面的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)a，如式(2)所示
將直徑為100 μm的T形絲狀熱電偶伸入穩(wěn)定霧場(chǎng)不同軸向距離處測(cè)量得到不同噴霧距離下的噴霧液滴穩(wěn)態(tài)溫度s，結(jié)合前文所得基體表面溫度和熱通量可計(jì)算出噴霧冷卻過(guò)程中的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)a隨時(shí)間的變化。如圖6所示，TFTC所得的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)與其測(cè)量的熱通量變化趨勢(shì)十分相似，在急速上升達(dá)到峰值后又迅速下降至峰值的1/2處，而后緩慢下降，直至噴霧結(jié)束后迅速下降為零。FTC所得結(jié)果并不存在明顯峰值，a在噴霧開(kāi)始后迅速增加，而后呈波動(dòng)狀緩慢下降，在噴霧結(jié)束后迅速降為零。STC測(cè)得的a在開(kāi)始時(shí)存在峰值，但遠(yuǎn)小于TFTC，同樣在下降至峰值一半位置處開(kāi)始緩慢下降。3種測(cè)溫方式所得表觀對(duì)流傳熱系數(shù)最大值分別為：20.65、11.92和9.67 kW·m-2·K-1，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為：4.75、5.5和5 ms，間接測(cè)溫由于接觸熱阻和中間層的熱慣性所造成的差異和波動(dòng)十分明顯。
圖6 不同測(cè)溫方式下表觀對(duì)流傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化
Fig.6 Apparent convective heat transfer coefficient variation under different temperature measurement methods(epoxy resin,=30 mm,s=40 ms)
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)基體表面溫度進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中：TFTC屬于直接測(cè)量，由于其厚度極小（2 μm）并且與基體表面貼合度高，熱響應(yīng)時(shí)間極短，可以更好地反映制冷劑噴霧冷卻過(guò)程中基體表面溫度的變化，幾乎不存在滯后，可以視為基體表面的真實(shí)溫度，通過(guò)TFTC所測(cè)溫度計(jì)算所得的熱通量和表觀對(duì)流傳熱系數(shù)精度也最高。通過(guò)改進(jìn)測(cè)量方式和熱通量計(jì)算方法，F(xiàn)TC測(cè)得表面溫度和計(jì)算所得熱通量與TFTC比較接近，但是由于其本身屬于間接測(cè)量，測(cè)點(diǎn)溫度和真實(shí)表面溫度變化相比存在滯后，表面熱通量和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系存在偏差，表觀對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算存在較大誤差。STC與FTC同屬間接測(cè)量，由于其熱電偶上下兩側(cè)都存在復(fù)合材料涂層，溫度響應(yīng)受影響與真實(shí)溫度曲線偏離更大，測(cè)量效果較差。其他噴霧時(shí)間和距離下熱響應(yīng)呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律。
3 結(jié) 論
本文搭建了制冷劑閃蒸噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用制冷劑R404A作為噴霧介質(zhì)，系統(tǒng)研究了不同測(cè)溫方式[濺射薄膜熱電偶(TFTC)、絲狀熱電偶(FTC)和帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(STC)]對(duì)制冷劑噴霧冷卻表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?，得到以下主要結(jié)論。
（1）不同測(cè)溫方式所獲得的表面溫度存在差異，其中濺射薄膜熱電偶(TFTC)測(cè)溫方式屬于直接測(cè)溫，由于其厚度小(2 μm)、與基體表面接觸良好等原因可以獲得最佳的溫度響應(yīng)，幾乎不存在滯后，可以視為基體表面的真實(shí)溫度，通過(guò)TFTC所測(cè)溫度計(jì)算所得的熱通量和表觀對(duì)流傳熱系數(shù)精度也最高?？梢詼?zhǔn)確反映制冷劑噴霧冷卻中的表面?zhèn)鳠崽匦?，有效指?dǎo)臨床治療。
（2）FTC和STC屬于間接測(cè)溫方式，其所得溫度皆為測(cè)點(diǎn)溫度，并非真實(shí)的表面溫度。STC由于復(fù)合材料涂層的存在導(dǎo)致其熱阻和熱慣性最大，溫度下降速率和測(cè)得的最低溫度與TFTC相比均存在較大差距。改進(jìn)后的FTC測(cè)溫方式與TFTC較為接近，最低溫度相差在5%左右，但降溫速度略小。
（3）通過(guò)改進(jìn)測(cè)量方式和熱通量計(jì)算方法，F(xiàn)TC測(cè)得表面溫度和計(jì)算所得熱通量與TFTC比較接近，但是由于其本身屬于間接測(cè)量，測(cè)點(diǎn)溫度和真實(shí)表面溫度變化相比存在滯后，表面熱通量和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系存在偏差，表觀對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算存在較大誤差。
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Influence of temperature measurement method on surface heat transfer during spray cooling
YANG Tao1, ZHOU Zhifu1, CHEN Bin1, ZHAO Xi1, WANG Guoxiang1, 2
(1State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China;2Department of Mechanical Engineering, University of Akron, Akron 44325, Ohio, USA)
Spray cooling is widely used in industries. Cryogen spray cooling has been implemented for the epidermis protection during laser surgery. For the improvement of cooling efficiency, the surface temperature was measured to calculate the surface heat transfer characteristics by the reverse heat conduction method. In order to investigate the influence of temperature measurement methods on the experimental result, a transient spray cooling rig was constructed to study the different heat transfer characteristics by using the thin film thermocouple (TFTC) fabricated by magnetron sputtering, the fine thermocouple (FTC) and the slice thermocouple (STC). The result suggested that the TFTC had the most sensitive thermal response, which can accurately reflect the temperature variation and corresponding heat flux. As for the FTC and STC, due to the limitation of indirect measurement, there was an obvious lag in temperature variation, which affected the subsequent analysis such as heat flux and apparent convective heat transfer coefficient. The employment of thin film thermocouple ensured the precise investigation of surface heat transfer during transient spray cooling, with reliable reference for clinical treatment.
spray cooling; surface heat transfer; temperature measurement; R404A
2016-05-09.
CHEN Bin, chenbin@mail.xjtu.edu.cn
10.11949/j.issn.0438-1157.20160606
TK 124
A
0438—1157（2016）11—4558—08
楊濤（1992—），男，碩士研究生。
國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51336006）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金。
2016-05-09收到初稿，2016-08-24收到修改稿。
聯(lián)系人：陳斌。
supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (51336006) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.
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楊濤，周致富，陳斌，趙曦，王國(guó)祥, 2
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表面溫度測(cè)量方式對(duì)噴霧冷卻表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?/p>
楊濤1，周致富1，陳斌1，趙曦1，王國(guó)祥1, 2
（1西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710049；2美國(guó)Akron大學(xué)機(jī)械工程系，Ohio Akron 44325）
噴霧冷卻在工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，制冷劑噴霧是激光皮膚手術(shù)中實(shí)施表皮冷保護(hù)的必要手段。為提高冷卻效率，需要通過(guò)表面溫度的測(cè)量反推表面?zhèn)鳠崽匦浴樘剿鞑煌砻鏈囟葴y(cè)量方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，搭建了瞬態(tài)噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別使用磁控濺射薄膜熱電偶(TFTC)、絲狀熱電偶(FTC)和片狀熱電偶(STC)研究了R404A制冷劑噴霧環(huán)氧樹(shù)脂表面?zhèn)鳠崽匦缘牟町?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁控濺射薄膜熱電偶(TFTC)熱響應(yīng)性能最佳，能準(zhǔn)確及時(shí)地反映表面溫度的瞬態(tài)變化且可與熱通量變化準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。絲狀熱電偶(FTC)和片狀熱電偶(STC)屬于間接測(cè)溫，溫度變化存在明顯滯后，影響熱通量、對(duì)流傳熱系數(shù)等表面?zhèn)鳠崽匦缘木_分析。薄膜濺射熱電偶測(cè)溫是準(zhǔn)確研究瞬態(tài)噴霧冷卻表面?zhèn)鳠徇^(guò)程的可靠手段，可為臨床治療提供理論指導(dǎo)。
噴霧冷卻；表面?zhèn)鳠?；溫度測(cè)量；R404A
引 言
激光技術(shù)在皮膚外科治療中的應(yīng)用效果顯著，應(yīng)用范圍不斷拓展，已成為葡萄酒色斑、血管瘤、太田痣、多毛癥、紋身及嫩膚除皺等多種疾病的首選療法[1-2]。其中，葡萄酒色斑(port wine stain, PWS)在新生兒中有0.3%～0.5%的發(fā)病率，出現(xiàn)于面部和頸部，且隨年齡增長(zhǎng)逐漸加深變厚，會(huì)對(duì)患者容貌和心理造成極大影響[3-4]。PWS的激光治療基于選擇性光熱理論，即血紅蛋白吸收特定波長(zhǎng)激光（目前臨床多用585 nm和595nm的脈沖染料激光）能量使得病變血管產(chǎn)生不可逆的熱破壞，相比于其他方法見(jiàn)效快、副作用小[5-6]。但是，表皮中的黑色素對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)(500～1000 nm)激光的較強(qiáng)吸收會(huì)降低達(dá)到真皮層中病變血管處的激光能量，削弱治療強(qiáng)度，難以達(dá)到理想的治療效果；同時(shí)，黑色素吸收激光能量可能導(dǎo)致表皮熱損傷，產(chǎn)生水皰、炎癥，留下傷疤或者色素沉著，因此在激光治療過(guò)程中對(duì)表皮進(jìn)行冷保護(hù)十分必要。
傳統(tǒng)的表皮冷保護(hù)采用接觸式冷卻，存在與治療不同步、冷卻效率低、冷卻時(shí)間長(zhǎng)、空間選擇性不佳等缺陷[7-8]。Nelson等[9-10]提出使用制冷劑瞬態(tài)噴霧(cryogen spray cooling, CSC)來(lái)冷卻表皮。液態(tài)制冷劑通過(guò)直管?chē)娮焓喊l(fā)生閃蒸形成噴霧，溫度迅速下降（可降至沸點(diǎn)以下），形成的低溫液滴對(duì)皮膚表面的沖擊可迅速將患處表皮溫度降低50℃左右。由于作用時(shí)間短（通常為幾十毫秒），在對(duì)表皮實(shí)現(xiàn)良好冷卻的同時(shí)不會(huì)影響表皮下病變血管的溫度，具有較強(qiáng)的空間選擇性和治療同步性[5]。輔以CSC可以有效提高激光能量，改善治療效果。目前臨床上使用的R134a沸點(diǎn)較高(-26.07℃)，對(duì)于黑色素含量較高的黃種人提供的冷量不足。相比于R134a，R404A具有更低的沸點(diǎn)（常壓下沸點(diǎn)為-46.5℃）和更強(qiáng)的揮發(fā)性，能提供更好的空間選擇性，在黃種人表皮冷保護(hù)方面具有很好的應(yīng)用前景[7,11-12]。
由于難以開(kāi)展在體實(shí)驗(yàn)，目前多使用銅[13]、環(huán)氧樹(shù)脂[11,14-15]或有機(jī)玻璃[16]等材料代替真實(shí)皮膚進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)量表面溫度來(lái)反推表面?zhèn)鳠崽匦?。因此，表面溫度的精確測(cè)量對(duì)于研究制冷劑噴霧冷卻表面的傳熱特性十分重要，不同測(cè)溫方式會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。目前常用如下3種方式測(cè)量表面溫度：①帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(STC)。尺寸微小的熱電偶被封裝在兩層復(fù)合材料薄膜中間，可用導(dǎo)熱膠或其他方式將STC固定于待測(cè)表面，復(fù)合材料薄膜的存在保證熱電偶不易損壞，實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。②絲狀熱電偶(FTC)。Aguilar等[17-18]采用鋁箔覆蓋絲狀熱電偶的方式測(cè)量了鋁膜下基體表面溫度，采用導(dǎo)熱反問(wèn)題方法求得了表面熱通量及傳熱系數(shù)。③濺射薄膜熱電偶(TFTC)。利用磁控濺射技術(shù)(magnetron sputtering)在被測(cè)表面沉積厚度為微米級(jí)的銅和康銅涂層構(gòu)成T形薄膜熱電偶，厚度極小且貼合度很高，接觸熱阻和熱容極小，周致富等[19-20]對(duì)濺射薄膜熱電偶在表面溫度測(cè)量方面做了深入研究，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)T型熱電偶進(jìn)行比較濺射薄膜熱電偶的相對(duì)誤差在1%以?xún)?nèi)，其熱響應(yīng)時(shí)間約為1.2 μs，可準(zhǔn)確反映基體表面溫度的瞬態(tài)變化。
為探索不同表面溫度測(cè)量方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更好向臨床推廣，本文采用臨床商用電磁閥和噴嘴，使用R404A作為制冷劑研究不同測(cè)溫方式（薄膜熱電偶、絲狀熱電偶和片狀熱電偶）對(duì)制冷劑噴霧冷卻傳熱特性的影響。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法
如圖1所示，制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái)由噴霧發(fā)生及控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。噴霧發(fā)生及控制系統(tǒng)包括高壓氮?dú)馄俊⒅评鋭﹥?chǔ)罐、快速響應(yīng)電磁閥以及噴嘴等主要部件。實(shí)驗(yàn)所用制冷劑為R404A(Dupont, USA)，充裝在可獨(dú)立控溫控壓的儲(chǔ)罐中，常溫(25℃)下飽和蒸氣壓約為1.25 MPa。儲(chǔ)罐的壓力由高壓氮?dú)馓峁?，通過(guò)減壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持儲(chǔ)罐內(nèi)制冷劑處于過(guò)冷狀態(tài)的同時(shí)提供噴霧所需壓力，以免在儲(chǔ)罐或軟管內(nèi)發(fā)生汽化。制冷劑經(jīng)響應(yīng)時(shí)間小于5 ms的快速響應(yīng)電磁閥(099-0169-900, Parker, USA)進(jìn)入金屬直管?chē)娮?，由電磁閥精確控制噴霧時(shí)間。電磁閥固定于三維電動(dòng)平移臺(tái)(WN105TA300M, Beijing Winner Optics Instruments Co., China），該平移臺(tái)絕對(duì)定位精度可達(dá)8 μm，可對(duì)噴霧距離進(jìn)行精確控制。本次實(shí)驗(yàn)所用電磁閥和噴嘴與臨床V-beam激光器(V-beam perfecta, Candela, USA)完全相同，直管?chē)娮扉L(zhǎng)40 mm，內(nèi)徑0.38 mm，與基體表面夾角20°。
測(cè)量系統(tǒng)由冷卻基體和熱電偶及數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)選取環(huán)氧樹(shù)脂作為冷卻基體，具體熱物性如表1所示。實(shí)驗(yàn)中所用熱電偶包含：厚度為2 μm的濺射薄膜熱電偶(thin film thermocouple, TFTC)、直徑為100 μm的絲狀熱電偶(fine thermocouple, FTC)和厚度為20 μm的帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(slice thermocouple, STC)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。熱電偶測(cè)得電信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集板(M-6251, NI, USA)采集，采樣頻率為100000次/秒，通過(guò)Labview程序與噴霧實(shí)現(xiàn)同步控制。
表1 環(huán)氧樹(shù)脂與表皮熱物性對(duì)比
實(shí)驗(yàn)所用TFTC與標(biāo)準(zhǔn)T形熱電偶相比在233.15～318.15 K范圍內(nèi)相對(duì)誤差小于0.5%[19]，F(xiàn)TC和STC為標(biāo)準(zhǔn)T形熱電偶，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，在73.15～643.15 K范圍內(nèi)其標(biāo)準(zhǔn)誤差在±1℃內(nèi)。不同噴霧距離和噴霧時(shí)間下表面溫度均進(jìn)行多次測(cè)量，排除偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
Franco等[21]對(duì)R134a噴霧的研究以及Wang等[12]對(duì)R404A噴霧的研究表明，以噴霧中心為原點(diǎn)1～2 mm范圍內(nèi)表面溫度基本不隨徑向位置變化，這個(gè)范圍遠(yuǎn)大于熱電偶焊點(diǎn)的尺寸，且瞬態(tài)噴霧作用下熱穿透深度遠(yuǎn)小于基體厚度，可根據(jù)測(cè)溫方式的不同將原問(wèn)題簡(jiǎn)化為單層或多層的一維半無(wú)限大平板的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。獲得表面溫度后，采用Green函數(shù)法[22]計(jì)算得到3種不同測(cè)溫方式下環(huán)氧樹(shù)脂表面熱通量隨時(shí)間的變化。
c()=c()-0,c()=[c()]
，()=[c(-)]
式中，c()為測(cè)點(diǎn)溫度，0為基體初始溫度，為Green函數(shù)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
如前所述，目前一般有STC、FTC和TFTC等3種表面測(cè)溫方式。由于磁控濺射技術(shù)無(wú)法在離體鼠皮上進(jìn)行操作，且銅本身具有導(dǎo)電性，選用環(huán)氧樹(shù)脂板(50.0 mm×50.0 mm×5.0 mm)作為冷卻基體對(duì)3種測(cè)溫方式進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)采用的噴霧軸向距離分別為：10、20、30、40、50 mm，噴霧時(shí)間s為：20、40、60、80、100 ms。圖3示出了不同噴霧距離、噴霧時(shí)間時(shí)3種測(cè)溫方式所測(cè)得基體噴霧中心表面溫度隨時(shí)間的變化，其中30 mm是臨床治療所用V-beam激光器冷卻噴嘴距皮膚表面的標(biāo)準(zhǔn)距離。
由圖3可以看出，在噴霧開(kāi)始后，3種測(cè)溫方式所測(cè)得的表面溫度都會(huì)經(jīng)歷3個(gè)變化階段：第1階段為液滴沖擊沸騰換熱段，表面溫度急速下降；而后溫度下降速度變緩進(jìn)入第2階段液膜穩(wěn)定蒸發(fā)換熱階段，在降至最低溫度后進(jìn)入溫度逐步回升至室溫的第3階段。在3種測(cè)溫方式中，TFTC測(cè)量結(jié)果在第1階段下降速率最快，第1階段和第2階段的溫度下降速率存在明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)；FTC在第1階段下降速率慢于TFTC，第1階段與第2階段平滑過(guò)渡；STC在第1階段下降速率最慢，與前兩種方式測(cè)量結(jié)果差距較大。TFTC和FTC所測(cè)得最低溫度較低且十分接近，STC所測(cè)得最低溫度較高，與前兩者差距較大。3種測(cè)溫方式都在噴霧結(jié)束時(shí)間左右測(cè)得最低溫度，其中TFTC的時(shí)間最早，F(xiàn)TC和STC稍有延遲。不同噴霧距離和噴霧時(shí)間下可得類(lèi)似規(guī)律，具體如表2所示。
表2 3種測(cè)溫方式所得環(huán)氧樹(shù)脂表面最低溫度和最低溫度對(duì)應(yīng)時(shí)間
Note: Absolute and relative errors were calculated with criterion of TFTC.
通過(guò)以上對(duì)比可以說(shuō)明：3種測(cè)溫方式中濺射薄膜熱電偶具有最佳的熱響應(yīng)，絲狀熱電偶性能與之相近，片狀熱電偶由于存在復(fù)合材料涂層導(dǎo)致其熱慣性較大，與前兩者相比性能較差。需要說(shuō)明的是本實(shí)驗(yàn)中所用鋁膜覆蓋絲狀熱電偶的測(cè)量方式相比Aguilar等[17-18]有所改進(jìn)，采用有機(jī)硅酮為主要成分的導(dǎo)熱膏代替膠帶來(lái)固定鋁箔和熱電偶。本文實(shí)驗(yàn)所用導(dǎo)熱膏的熱導(dǎo)率在2.0 W·m-1·K-1左右，遠(yuǎn)大于膠帶的0.19～0.25 W·m-1·K-1；并且導(dǎo)熱膏具有流動(dòng)性，可通過(guò)擠壓的方式排出鋁箔與環(huán)氧樹(shù)脂表面間多余的導(dǎo)熱膏和空氣，使鋁箔與環(huán)氧樹(shù)脂之間接觸更為緊密，從而顯著降低接觸熱阻；同時(shí)導(dǎo)熱膏本身的高黏度可保證鋁箔、熱電偶及環(huán)氧樹(shù)脂基板之間不發(fā)生相對(duì)位移。以上改進(jìn)提升了鋁箔覆蓋絲狀熱電偶測(cè)量表面溫度的熱響應(yīng)性能。
獲得表面溫度后，采用Green函數(shù)法[23]計(jì)算得到3種不同測(cè)溫方式下環(huán)氧樹(shù)脂表面熱通量隨時(shí)間的變化。如圖4所示為=30 mm、t=40 ms時(shí)表面熱通量變化，可分為4個(gè)階段：第1階段自噴霧開(kāi)始后熱通量急速上升至峰值，達(dá)到峰值的時(shí)間約為5 ms；而后熱通量迅速下降進(jìn)入第2階段，在下降至大約峰值一半位置處（對(duì)應(yīng)時(shí)間約為10 ms）進(jìn)入第3階段，熱通量下降速度明顯減緩，直至噴霧結(jié)束后進(jìn)入第4階段，熱通量迅速降為零。雖然圖4中3種測(cè)溫方式所得溫度變化在下降速度和最低溫度存在一定差距，但所得熱通量峰值的相對(duì)差值小于1.5%，原因是Green函數(shù)法計(jì)算熱通量時(shí)考慮了FTC和STC間接測(cè)溫時(shí)表面與測(cè)點(diǎn)中間夾層的影響，并未將測(cè)點(diǎn)溫度直接等同于表面溫度，這樣可以顯著降低測(cè)量方式差異所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。但間接測(cè)溫和熱電偶尺寸的差別對(duì)熱通量達(dá)到峰值的時(shí)間依然存在一定的影響，F(xiàn)TC和STC的峰值時(shí)間滯后于TFTC，三者分別為4、4.5和4.75 ms。實(shí)驗(yàn)所用的熱電偶和信號(hào)采集系統(tǒng)靈敏度很高，測(cè)量過(guò)程中容易受到來(lái)自外界和自身元器件帶來(lái)的信號(hào)干擾（主要來(lái)源于機(jī)械振動(dòng)和電磁擾動(dòng)）。相比于直接測(cè)量(TFTC)，間接測(cè)量(FTC、STC)中干擾帶來(lái)的噪聲對(duì)熱通量的影響明顯增強(qiáng)[24]。采用磁控濺射沉積在環(huán)氧樹(shù)脂表面的TFTC和表面之間結(jié)合的機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)于采用導(dǎo)熱膏貼合的其他兩種方式，噴霧作用造成的機(jī)械振動(dòng)的影響相對(duì)較小。因此圖4中TFTC結(jié)果穩(wěn)定性?xún)?yōu)于FTC和STC，未見(jiàn)明顯波動(dòng)。
冷液滴與基體表面換熱包含液滴鋪展成液膜的對(duì)流傳熱和液膜蒸發(fā)的相變傳熱兩個(gè)同時(shí)發(fā)生的傳熱過(guò)程。將不同測(cè)溫方式得到的表面溫度和熱通量進(jìn)行對(duì)比（圖5），可將整個(gè)冷卻過(guò)程分為4個(gè)階段：第1階段自電磁閥開(kāi)啟后，噴霧迅速?gòu)臒o(wú)發(fā)展到穩(wěn)定，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)表面的冷液滴量也迅速增加，同時(shí)，相比后續(xù)3個(gè)階段此時(shí)基體表面溫度最高，傳熱溫差最大，因此熱通量急速上升達(dá)到峰值，表面溫度呈現(xiàn)急速下降的趨勢(shì)。此后，對(duì)流傳熱的傳熱溫差和相變傳熱的壁面過(guò)熱度都隨基體表面溫度下降而迅速減小。同時(shí)，噴霧穩(wěn)定后基體表面液膜的存在使得新到來(lái)的冷液滴不能與基體表面直接接觸，因此在噴霧穩(wěn)定后熱通量從峰值迅速下降，表面溫度降低速率也突然減緩，進(jìn)入噴霧冷卻的第2階段。熱通量減小后表面溫度下降速率降低，傳熱溫差和壁面過(guò)熱度變化也逐漸趨緩，二者相互影響，進(jìn)入較為穩(wěn)定的第3階段。第4階段開(kāi)始于電磁閥關(guān)閉后，液滴迅速減少，基體表面殘留液膜蒸發(fā)完后，表面熱通量迅速降至零，基體表面溫度也開(kāi)始回升。
對(duì)比圖5(a)～(c) TFTC、FTC和STC表面溫度和熱通量隨時(shí)間的變化，可以發(fā)現(xiàn)TFTC熱通量與溫度變化最為對(duì)應(yīng)，與上述分析一致，能準(zhǔn)確反映制冷劑噴霧冷卻中的傳熱過(guò)程。圖5(d)中FTC和STC所得結(jié)果和TFTC存在明顯差異，間接測(cè)溫導(dǎo)致表面熱通量達(dá)峰值（沸騰傳熱的臨界熱通量）的對(duì)應(yīng)溫度遠(yuǎn)高于TFTC，三者分別為-25.78、4.74和15.21℃。TFTC高熱通量(≥0.7max)對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的寬度也大于FTC和STC，位置也處于較低溫度區(qū)間，三者分別為36℃(-36～0℃)、30℃(-13～17℃)和18℃(6～23℃)。相比于TFTC，F(xiàn)TC和STC在第3、4階段的波動(dòng)十分明顯。由于間接測(cè)溫的原因，在殘留液膜蒸發(fā)完后的回溫過(guò)程中（第4階段后期），F(xiàn)TC和STC測(cè)點(diǎn)處溫度低于真實(shí)表面溫度，熱通量大小變?yōu)樨?fù)值。圖5(d)所描述的熱通量和表面溫度對(duì)應(yīng)變化曲線，同樣也可劃分為4個(gè)階段：前3階段熱通量隨基體表面溫度降低先增加再下降，呈現(xiàn)出由過(guò)渡沸騰向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，與Aguilar等[25]采用鋁膜覆蓋絲狀熱電偶對(duì)R134a噴霧所得結(jié)論類(lèi)似；第4階段電磁閥關(guān)閉后不再有新的冷液滴沖擊，熱通量繼續(xù)降低，殘留液膜蒸發(fā)完后表面溫度開(kāi)始回升。
參照牛頓冷卻公式的形式可定義一個(gè)制冷劑噴霧冷卻表面的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)a，如式(2)所示
將直徑為100 μm的T形絲狀熱電偶伸入穩(wěn)定霧場(chǎng)不同軸向距離處測(cè)量得到不同噴霧距離下的噴霧液滴穩(wěn)態(tài)溫度s，結(jié)合前文所得基體表面溫度和熱通量可計(jì)算出噴霧冷卻過(guò)程中的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)a隨時(shí)間的變化。如圖6所示，TFTC所得的表觀對(duì)流傳熱系數(shù)與其測(cè)量的熱通量變化趨勢(shì)十分相似，在急速上升達(dá)到峰值后又迅速下降至峰值的1/2處，而后緩慢下降，直至噴霧結(jié)束后迅速下降為零。FTC所得結(jié)果并不存在明顯峰值，a在噴霧開(kāi)始后迅速增加，而后呈波動(dòng)狀緩慢下降，在噴霧結(jié)束后迅速降為零。STC測(cè)得的a在開(kāi)始時(shí)存在峰值，但遠(yuǎn)小于TFTC，同樣在下降至峰值一半位置處開(kāi)始緩慢下降。3種測(cè)溫方式所得表觀對(duì)流傳熱系數(shù)最大值分別為：20.65、11.92和9.67 kW·m-2·K-1，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為：4.75、5.5和5 ms，間接測(cè)溫由于接觸熱阻和中間層的熱慣性所造成的差異和波動(dòng)十分明顯。
圖6 不同測(cè)溫方式下表觀對(duì)流傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化
Fig.6 Apparent convective heat transfer coefficient variation under different temperature measurement methods(epoxy resin,=30 mm,s=40 ms)
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)基體表面溫度進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中：TFTC屬于直接測(cè)量，由于其厚度極小（2 μm）并且與基體表面貼合度高，熱響應(yīng)時(shí)間極短，可以更好地反映制冷劑噴霧冷卻過(guò)程中基體表面溫度的變化，幾乎不存在滯后，可以視為基體表面的真實(shí)溫度，通過(guò)TFTC所測(cè)溫度計(jì)算所得的熱通量和表觀對(duì)流傳熱系數(shù)精度也最高。通過(guò)改進(jìn)測(cè)量方式和熱通量計(jì)算方法，F(xiàn)TC測(cè)得表面溫度和計(jì)算所得熱通量與TFTC比較接近，但是由于其本身屬于間接測(cè)量，測(cè)點(diǎn)溫度和真實(shí)表面溫度變化相比存在滯后，表面熱通量和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系存在偏差，表觀對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算存在較大誤差。STC與FTC同屬間接測(cè)量，由于其熱電偶上下兩側(cè)都存在復(fù)合材料涂層，溫度響應(yīng)受影響與真實(shí)溫度曲線偏離更大，測(cè)量效果較差。其他噴霧時(shí)間和距離下熱響應(yīng)呈現(xiàn)類(lèi)似規(guī)律。
3 結(jié) 論
本文搭建了制冷劑閃蒸噴霧實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用制冷劑R404A作為噴霧介質(zhì)，系統(tǒng)研究了不同測(cè)溫方式[濺射薄膜熱電偶(TFTC)、絲狀熱電偶(FTC)和帶復(fù)合材料涂層的片狀熱電偶(STC)]對(duì)制冷劑噴霧冷卻表面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?，得到以下主要結(jié)論。
（1）不同測(cè)溫方式所獲得的表面溫度存在差異，其中濺射薄膜熱電偶(TFTC)測(cè)溫方式屬于直接測(cè)溫，由于其厚度小(2 μm)、與基體表面接觸良好等原因可以獲得最佳的溫度響應(yīng)，幾乎不存在滯后，可以視為基體表面的真實(shí)溫度，通過(guò)TFTC所測(cè)溫度計(jì)算所得的熱通量和表觀對(duì)流傳熱系數(shù)精度也最高?？梢詼?zhǔn)確反映制冷劑噴霧冷卻中的表面?zhèn)鳠崽匦?，有效指?dǎo)臨床治療。
（2）FTC和STC屬于間接測(cè)溫方式，其所得溫度皆為測(cè)點(diǎn)溫度，并非真實(shí)的表面溫度。STC由于復(fù)合材料涂層的存在導(dǎo)致其熱阻和熱慣性最大，溫度下降速率和測(cè)得的最低溫度與TFTC相比均存在較大差距。改進(jìn)后的FTC測(cè)溫方式與TFTC較為接近，最低溫度相差在5%左右，但降溫速度略小。
（3）通過(guò)改進(jìn)測(cè)量方式和熱通量計(jì)算方法，F(xiàn)TC測(cè)得表面溫度和計(jì)算所得熱通量與TFTC比較接近，但是由于其本身屬于間接測(cè)量，測(cè)點(diǎn)溫度和真實(shí)表面溫度變化相比存在滯后，表面熱通量和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系存在偏差，表觀對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算存在較大誤差。
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Influence of temperature measurement method on surface heat transfer during spray cooling
YANG Tao1, ZHOU Zhifu1, CHEN Bin1, ZHAO Xi1, WANG Guoxiang1, 2
(1State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China;2Department of Mechanical Engineering, University of Akron, Akron 44325, Ohio, USA)
Spray cooling is widely used in industries. Cryogen spray cooling has been implemented for the epidermis protection during laser surgery. For the improvement of cooling efficiency, the surface temperature was measured to calculate the surface heat transfer characteristics by the reverse heat conduction method. In order to investigate the influence of temperature measurement methods on the experimental result, a transient spray cooling rig was constructed to study the different heat transfer characteristics by using the thin film thermocouple (TFTC) fabricated by magnetron sputtering, the fine thermocouple (FTC) and the slice thermocouple (STC). The result suggested that the TFTC had the most sensitive thermal response, which can accurately reflect the temperature variation and corresponding heat flux. As for the FTC and STC, due to the limitation of indirect measurement, there was an obvious lag in temperature variation, which affected the subsequent analysis such as heat flux and apparent convective heat transfer coefficient. The employment of thin film thermocouple ensured the precise investigation of surface heat transfer during transient spray cooling, with reliable reference for clinical treatment.
spray cooling; surface heat transfer; temperature measurement; R404A
2016-05-09.
CHEN Bin, chenbin@mail.xjtu.edu.cn
10.11949/j.issn.0438-1157.20160606
TK 124
A
0438—1157（2016）11—4558—08
楊濤（1992—），男，碩士研究生。
國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51336006）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金。
2016-05-09收到初稿，2016-08-24收到修改稿。
聯(lián)系人：陳斌。
supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (51336006) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.
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