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DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171012
文章來源：《化工學報》2018年第69卷
第1期：57-68
制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻研究進展
陳斌，周致富，辛慧
（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）
摘 要
隨著皮膚雷射醫學的高速發展，與之配合的表皮冷卻技術日益重要，具有極大的市場應用前景。制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻（CSC）已經成為雷射治療血管性皮膚病的重要輔助冷卻手段，可以有效減小黑色素吸收雷射能量導致的表皮熱損傷，從而提高入射雷射能量、改善治療效果。CSC涉及到低沸點高揮發性介質的閃蒸霧化、冷卻表面沸騰相變傳熱等多相流與傳熱複雜科學問題，已有研究大部分是以實驗的方式進行。本文從閃蒸噴霧機理、閃蒸噴霧特性、表面動態傳熱規律與傳熱強化4個方面對CSC在近二十年的研究進展進行綜述，對比分析了典型研究方法與研究結果，並對其影響因素進行了探討，使用更低沸點的新制冷劑與背壓/距離耦合的噴霧新技術可以極大提高冷卻能力。最後，指出了當前研究的難點以及後續研究方向。
引 言
閃蒸噴霧（flashing spray/flash boiling spray）是一種由非平衡熱力學、動力學以及流動不穩定性共同作用下的複雜霧化現象，圖1示出了其對應的熱力學過程。如圖所示，高壓制冷劑液體由初始的穩定過冷狀態（O點）經噴嘴快速噴出至低壓環境（A點，低於其初始溫度對應的飽和壓力Psat），變為極不穩定的過熱狀態。過熱液體通過劇烈相變/蒸發形成爆炸性的閃蒸破碎霧化，快速釋放不穩定的過熱能量，並形成霧化良好的氣液兩相流。相比傳統的壓力與氣動式等霧化方式，閃蒸噴霧能夠在相對較低的噴霧壓力下，使用結構更簡單的噴嘴，不借助外部輔助條件即可獲得優良的霧化質量（較大的霧化錐角和較小的液滴尺寸）。因此，閃蒸噴霧在工業生產與生活中都具有極為重要的應用。在傳統工業應用領域，閃蒸噴霧能夠解決大功率晶片、電子元器件、雷射武器、雷達等領域傳統冷卻方法（如風冷、液冷、射流衝擊等）無法滿足的高效散熱難題；內燃機中利用閃蒸噴霧可以做到燃油與空氣的高效摻混，改善發動機工作效率並減小碳煙排放；此外，在海水淡化、乾燥等方面也具有廣泛的應用。
圖1 閃蒸噴霧熱力學過程示意圖
近20年來，低沸點、高揮發性的制冷劑閃蒸噴霧冷卻在雷射皮膚醫學中得到了成功應用，並且呈現出極大的發展前景。雷射手術具有術後不出血、創面愈合快、療效明顯、副作用小等優點，逐漸成為了多種皮膚病，如葡萄酒色斑等血管性皮膚病、太田痣等色素性皮膚病的首選療法。皮膚病雷射治療手術主要依據的理論基礎是1983年Anderson等提出的「選擇性光熱效應」理論。如圖 2所示，人體組織各部分對不同波長雷射的吸收能力不同，可以通過選擇特定波長的雷射，選擇性地吸收雷射能量破壞病變血管、色素或組織水分等目標色基的同時盡量不損傷周圍正常組織。然而無論是血管性還是色素性皮膚病，其病變的血管或者不正常黑色素色基都埋藏在表皮底層下的真皮層內，雷射必須首先穿透表皮層才能到達病變目標區域。從圖 2可以看出，表皮中存在的黑色素在相當長的波段範圍內對雷射都有很強的吸收，會導致治療過程中表皮正常組織溫度升高，極易發生不可逆的熱損傷，引發嚴重的副作用或並發症。另外，表皮黑色素對雷射能量的吸收使得達到病變區域的雷射能量大幅降低，減弱了治療效果。因此，雷射皮膚手術中，表皮正常組織的冷卻保護十分重要，可以有效地避免表皮熱損傷、提高雷射許用入射能量，同時起到冷卻麻醉作用，緩解患者在雷射手術中的不適感，已經成為了很多皮膚病雷射治療流程的重要組成部分。傳統的表皮冷卻方法包括冰敷、塗抹冷凍凝膠、藍寶石接觸式冷卻與冷空氣射流冷卻等，這些都是利用熱傳導與單相對流的方式帶走熱量，效率較低，不能達到滿意的效果。
圖2 人體皮膚組織內主要色基對雷射的吸收光譜
1995年，美國加州大學的Nelson等出了制冷劑噴霧冷卻（cryogen spray cooling, CSC）的表皮動態冷卻方法，利用制冷劑閃蒸噴霧與沸騰相變換熱可以做到皮膚表面溫度的快速冷卻。在雷射作用皮膚患處之前（約幾十毫秒），噴射一定時間（通常不超過100 ms）的制冷劑，可以在幾毫秒時間內將表皮溫度降低至零下40℃以下，同時真皮內病變血管或者色基的溫度幾乎不受影響，達到空間選擇性冷卻的效果。因此，相比無CSC，經過CSC預冷的表皮受雷射灼傷的閾值能量得以提高，從而可以顯著提高治療雷射能量，增加到達病變區域的雷射能量。CSC既可以保護表皮不受雷射熱損傷，又可以增加雷射能量從而改進治療效果。對於黃種人來說，黑色素含量較高，開展CSC與雷射參數的耦合匹配研究具有重要的臨床實際意義。
CSC是包含閃蒸噴霧與冷卻表面傳熱等多個複雜物理過程，涉及氣泡成核、長大、破碎，氣液兩相流動，過熱液體的非平衡閃蒸霧化，液膜/液塊/ 液滴破碎，液滴/液膜蒸發，液滴群與壁面撞擊、表面複雜相變傳熱等一系列多相流與傳熱學科的複雜問題。此外，CSC作用時間非常短，上述複雜物理過程與問題具有強烈的動態性，對其開展研究具有重要的理論意義與學術價值。理論研究是深入揭示上述閃蒸噴霧冷卻機理、提高冷卻能力的重要手段，但是由於篇幅限制，本文主要從實驗方面對相關研究結果進行綜述。同時，相比CSC這種瞬態噴霧冷卻，近年來針對傳統工業應用涉及的穩態噴霧冷卻傳熱特性已有較多綜述，本文亦不再對其進行論述。
針對雷射皮膚手術中的制冷劑瞬態閃蒸噴霧冷卻，本文主要從閃蒸霧化機理實驗、制冷劑閃蒸噴霧、表面傳熱特性以及傳熱強化方法4個方面對前人已開展的工作進行回顧總結，並從作者的角度指出研究中存在的不足以及以後的發展方向。
結 論
隨著雷射皮膚醫學的蓬勃發展，其涉及的工程熱物理基礎科學問題對皮膚科學日益重要，也越來越受到研究者的關注。本文綜述了雷射皮膚醫學中的制冷劑閃蒸瞬態噴霧兩相流與冷卻表面動態傳熱在近20年的主要研究進展。眾多的研究結果揭示了制冷劑閃蒸噴霧與冷卻傳熱的基本規律，並提供了大量基礎性實驗數據。在閃蒸噴霧發生機理和噴霧特性方面，由於通常採用細長型直管噴嘴，制冷劑液體在噴嘴內部即發生相變閃蒸，產生的液滴直徑一般為5～20 mm，液滴達到的最大速度在60 m·s–1以下，液滴最低溫度只與制冷劑種類和噴霧背壓有關，而與噴霧初始條件與噴嘴類型等無關。在動態傳熱方面，解決了表面瞬態溫度快速測量和熱通量準確計算的難題。影響傳熱因素眾多，其中噴嘴、噴霧距離、基體初始溫度與環境濕度對表面溫度與熱通量等有較大影響，發展的表面傳熱量綱1關係式為預測皮膚組織溫度提供了普通性的傳熱計算邊界條件。為強化表面冷卻能力，發展了新型替代制冷劑、負壓與距離耦合噴霧與膨脹腔型噴嘴等多種新方式，能夠較大提高表面換熱能力，在雷射皮膚醫學中具有較大的應用前景。
盡管制冷劑閃蒸噴霧冷卻研究已取得了相當大的成績，但是仍然存在著諸多難點問題需要進一步探討。首先，微小尺度噴嘴內的兩相流動對閃蒸霧化影響定量規律仍不清楚；其次，近噴嘴出口的非平衡霧化稠密噴霧區液滴信息的定量測量仍存在著較大的挑戰，尤其是對低溫霧場液滴溫度的無干擾準確測量缺乏可靠的技術手段；再次，以往研究通常都是將閃蒸噴霧與冷卻表面的動態傳熱孤立研究，建立一個耦合噴霧特性與動態傳熱的理論模型對於準確預測表面傳熱規律十分重要。未來仍然需要開展進一步的深入研究。
1 閃蒸霧化機理實驗研究
圖3 水閃蒸噴霧噴嘴內流型與霧化形態
圖4 噴射壓力為0.9MPa時R134a閃蒸噴霧兩種典型流型與霧化形態
2 制冷劑閃蒸噴霧特性
2.1 噴霧動力學特性
圖5 R134a閃蒸噴霧液滴濃度空間分布
圖6 不同閃蒸模式下液滴直徑比較
2.2 噴霧液滴熱特性
圖7 R134a閃蒸噴霧不同軸線截面液滴溫度徑向分布
3 制冷劑閃蒸噴霧冷卻動態傳熱規律
圖8 制冷劑R134a噴霧冷卻表面熱通量與表面溫度的關係
3.1 表面瞬態溫度、熱通量測量與計算方法
表1 不同測溫方式和冷卻基體表面傳熱參數比較
圖9 間接測溫方式下不同方法計算表面熱通量比較
3.2 表面傳熱影響因素研究
圖10 最大熱通量量綱1關聯式
4 強化傳熱新方法
4.1 替代制冷劑的研究
圖11 3種制冷劑瞬態噴霧冷卻動態熱通量比較
4.2 噴霧新技術的研究
圖12 10 mm噴霧距離不同背壓下R134a瞬態噴霧冷卻熱通量與表面溫度關係
