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方法文章

具有混合润湿性图案的圆柱表面池沸腾传热强化

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DOI：

10.3791/55387

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2017年4月10日

 ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

为了观察混合润湿性图案对传热系数（HTC）的影响，开展了池沸腾传热实验。研究的参数包括改性润湿性表面的间线条数量和图案取向。

摘要

本研究中，通过池沸腾传热实验，探究了交错线数量及混合润湿性图案取向对传热性能的影响。混合润湿性图案是通过在已掩膜的疏水性圆柱铜表面涂覆超亲水SiO2制备而成。以去离子（DI）水为工作流体，在直径25 mm、长度40 mm的不同表面处理铜圆柱体上开展池沸腾传热研究。实验结果表明，交错线的数量和混合润湿性图案的取向影响了壁面过热度和传热系数（HTC）。与光滑表面相比，增加交错线数量可提高传热系数（HTC）。电荷耦合器件（CCD）相机获取的图像显示，相较于其他区域，更多气泡在交错线上形成。当混合润湿性图案的最下部区域为疏水性时，传热系数（HTC）达到最佳。实验结果表明，表面的气泡动力学是决定核态沸腾的重要因素。

引言

在电子、国防、航空电子和核装置开发等新兴领域，需要一种能够提供10-105 W/cm2范围内冷却能力的高热流密度散热系统。由于空气冷却在自然对流和强制对流条件下的传热系数（HTC）较低，无法满足这些应用的需求。基于相变的冷却技术，如池沸腾和流动沸腾，足以移除量级为10 - 1,000 W/cm2 1的高热流密度。由于两相传热过程是等温的，被冷却器件表面的温度几乎保持恒定。由于表面温度变化极小，可消除器件的热冲击。然而，沸腾传热中的主要限制参数是临界热流密度（CHF），其会导致温度异常升高2。

在过去的几十年中，研究人员已通过表面改性、纳米流体和表面涂层等方法开展了大量工作，以提高临界热流密度（CHF）3,4,5,6,7,8,9,10,11。在各种方法中，表面涂层被证明是提高CHF的最佳方法，因其能显著增加表面积。表面涂层通常通过翅片效应、多孔性效应以及表面润湿性的改善来增强传热12。表面润湿性在沸腾传热过程中起着重要作用。以往研究表明，在低热流条件下，由于成核更早，疏水表面表现出更高的传热系数（HTC）。然而，在高热流条件下，由于水对表面的亲和力较低，形成的气泡脱离速度较慢，导致气泡合并，从而降低CHF3。相反，亲水表面由于气泡能够快速脱离而产生更高的CHF，但在低热流条件下，由于气泡成核延迟，其HTC较低13。

由于疏水性和亲水性的共同作用，这些杂化结构在所有热流密度下均表现出显著增强的沸腾传热性能14,15,16。Hsu et al. 通过在掩膜铜表面涂覆超亲水性Si纳米颗粒制备了异质润湿性表面，并通过调节涂层时间实现了不同的润湿性比例。与均质表面相比，异质表面的沸腾起始更早，显著降低了壁面过热度17。Jo et al. 对亲水、疏水及异质润湿表面进行了池核沸腾传热研究，其中异质润湿表面由在亲水基底上分布的疏水图案点构成。与纯亲水表面相比，该异质表面获得了更高的传热系数（HTC），而临界热流密度（CHF）保持相同。沸腾传热性能的提升直接取决于表面疏水点的数量以及沸腾工况条件18。

本研究采用浸涂技术在圆柱形铜表面制备了轴向混合润湿性图案。通过池沸腾传热实验，研究了混合润湿性图案的间线数量和取向对传热性能的影响。分析了所有涂层基底的沸腾热通量、传热系数（HTC）和气泡动力学行为，并与铜基底进行了比较。

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方案

1. 修饰表面的制备

  1. 使用＃2,000砂纸手动抛光试样（长度（l）为40 mm、外径（do）为25 mm、内径（di）为18 mm的空心铜圆筒）15分钟。用丙酮冲洗抛光表面，再用去离子水冲洗，以清洁表面。
  2. 将抛光后的试样置于烘箱中，在120 °C恒温下干燥2小时。
  3. 通过以下步骤制备超亲水性SiO2纳米颗粒溶液。
    1. 将正硅酸四乙酯与去离子水按1:4的摩尔比混合，配制溶液A。向溶液A中加入2滴37%浓盐酸，并搅拌2小时。
    2. 将乙醇与去离子水按1:3的摩尔比混合，配制溶液B。
    3. 将1 mL溶液A加入80 mL溶液B中，搅拌2小时。
    4. 向上述溶液中加入32 g SiO2纳米颗粒（直径40 nm），搅拌1小时。
  4. 使用浸涂装置以5 mm/min的速度将试样浸入所制备的溶液中。将涂覆后的试样置于120 °C烘箱中保持1小时。
  5. 通过以下步骤制备沿轴向具有不同取向的2、4和8条间隔线的混合图案（如图1所示）。
    1. 根据所需间隔线条数及正确取向，使用绝缘胶带遮蔽不需要涂覆的区域（对于0°取向的2条间隔线表面，将间隔线置于中心位置，超亲水区域（待涂覆区域）置于上侧；对于90°取向，则将一条间隔线置于顶部，另一条置于底部；对于180°取向，将超亲水区域置于底部，间隔线置于中心。类似地，按照图1所示调整4条和8条间隔线表面在不同取向下的位置）。
    2. 使用浸涂装置将遮蔽后的试样浸入所制备的溶液中，以较高的浸入速度浸入，以5 mm/min的缓慢速度提拉。将涂覆后的试样置于120 °C烘箱中保持1小时。
    3. 从遮蔽区域去除绝缘胶带，获得具有正确取向的所需数量的间隔线。

铜表面的超疏水涂层图案、角度示意图及用于表面分析的等距视图。
图 1. 各种交错表面的选择。（a） 不同取向的多种交错表面示意图。在所有条件下，普通铜表面与超亲水表面的面积比为 1:1。（b） 取向选择标准。（c） 两线交错、0° 角取向表面的等距视图。取向定义为从顶部起，基准线与第一条亲水图案中心线之间的夹角，并按顺时针方向测量。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 实验步骤

  1. 使用绝缘胶带将一根玻璃管固定在涂覆试件的每个圆形底座上。
  2. 根据所需线间距的位置，用硅胶将该组件水平固定在 140 × 140 × 160 mm 的腔室上（如图2所示）。
  3. 将一根550 W、直径18 mm、长40 mm的筒状加热器涂上薄层导热膏后，插入试件的圆周区域孔中。
  4. 将筒状加热器连接至直流（DC）电源装置。
  5. 将T型热电偶插入8个等距分布、直径1 mm的孔中，孔深交替为5 mm和7 mm（如图3所示），并将热电偶连接至数据记录仪。
  6. 将电阻温度检测器（RTD）、回流冷凝器和辅助加热器插入顶盖预留的安装位置，并固定在沸腾腔上方。
  7. 向池沸腾腔中加入1,400 mL去离子水（DI水）。
  8. 将回流冷凝器连接至一个维持在5 °C的冷却装置。
  9. 实验前，使用辅助加热器对池沸腾腔中的去离子水进行强烈沸腾处理30分钟。
  10. 通过辅助加热器使去离子水保持在饱和沸腾状态。随后，开启电源，施加0.1 A的初始电流。
  11. 等待2分钟以达到稳态，然后以0.3 A为增量逐步增加电流。
  12. 通过数据记录仪记录每次功率输入时的温度。持续实验直至电流达到最大值4 A。同时，使用置于池沸腾腔前方并对准试件的CCD相机记录每次功率输入下的气泡动力学行为。

池沸腾室示意图；空心铜圆柱体，玻璃管；热学实验装置。
图2. 池沸腾室示意图。 玻璃管通过硅脂连接至空心铜圆柱体的两侧，并用硅脂将其固定在池沸腾室上。请点击此处查看此图的放大版本。

角度为22.5°的静力平衡示意图，红色/绿色力矢量，圆周运动，物理学研究。
图3. 热电偶布置位置。 8个热电偶被放置在试样上直径为20 mm处、直径为1 mm的圆周分布孔内。交替的直径1 mm孔的深度分别固定为5 mm和7 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

3. 数据处理

  1. 使用以下公式计算热输入（Q）19
    Q = IV     (1)
    注意：我和 V 分别为输入电流（单位：安培）和电压（单位：伏特）。
  2. 估算热损失（Q损失）通过使用公式从两个侧面19:
    用于计算热损失的热导率方程：Q_loss = 2k(T7mm - T5mm)/Δx × Ac 公式。     (2)
    注：k 是铜的热导率；T7 mm 和 T5 mm 分别为 7 mm 和 5 mm 深度处温度的平均值；Δx（2 mm）为深度之差；以及
    横截面积公式，Ac=π/4(do²-di²)，数学表达式，工程计算 是试件的横截面积。
  3. 使用以下公式确定热流密度（q''）19:
    热通量方程 q'' = (Q−Qloss)/A；用于传热分析的公式。     (3)
    注意：A = πdol 是试件的周向面积。
  4. 计算壁面过热度（使用以下公式19:
    热平衡公式 ΔTw=Tm-[(Q-Qloss)/(2πLk)]ln(ro/rm)-Tsat；科学计算。     (4)
    注意：Tm 是 T 的平均值7 mm 和 T5 mm，是试件的长度， ro 试件外半径，r (12.5 mm)m 测试件测孔处的(10 mm)半径，以及T饱和 DI水的饱和温度，如图所示 图4.
  5. 使用以下公式计算传热系数（α）19:
    热物性方程 α=q''/ΔTw 公式；热通量与温度梯度分析     (5)

热阻示意图，Rcylinder=ln(To/Tm)/2πkL，圆柱管道系统中的传热。
图4. 壁面温度分析示意图。 壁面温度通过实测的平均温度和已知的圆柱体热阻计算得出。 请点击此处查看该图的放大版本。

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结果

采用如图5所示实验装置示意图的装置，在混合润湿性圆柱表面上进行了池沸腾传热实验。在研究混合润湿性图案的间线条数及其取向对池沸腾性能影响的同时，成功实施了方案部分第2步中所述的池沸腾实验程序。不同处理表面的池沸腾性能以图表形式表示：热流密度与壁面过热度的关系图，以及传热系数（HTC）与热流密度的关系图。

为了验证实验装置的可靠性，将光滑铜表面的池沸腾实验传热结果与Cornwell和Houston在1994年提出的理论关联式20进行了比较，如以下方程所示：

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讨论

本研究的主要目标是通过引入混合润湿性表面（如方案部分所述），开发一种用于高散热应用（如核反应堆、锅炉和热管）的池沸腾散热器。这些表面相比均质润湿性表面（亲水性和疏水性）能够实现更优的池沸腾性能。沸腾传热性能的提升源于活性汽化核心数量的增加以及气泡在形成后更容易从表面脱离。在本研究中，我们考察了间插线条数量及其在混合润湿性图案中的取向对池沸腾性能的影响。由于采用了手工制备方法，间插线条的最大数量被限制为8条。所有实验中，间插线条的精确定位至关重要，因为微小的位置偏差将导致错误的结果。此外，最大输入电流对 cartridge 加热器的使用寿命具有重要影响。出于安全考虑，本研究将最大输入电流限制为4 A。由于这一限制，池沸腾传热研究仅在较低热流条件下进行。使用当前实验装置无法测定临界热流密度（CHF）。

混合润湿性图案在沸腾传热中起着关键作用。在圆柱形铜表面上，轴向交错的混合结构的沸腾性能取决于交错线的数量以及混合润湿性图案的取向。随着交错线数量的增加，沸腾性能得到提升，这归因于交错线上成核位点的增多。不同的混合润湿性图案以及超亲水表面的位置在沸腾传热过程中具有重要作用。当超亲水表面位于...

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披露

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

致谢

作者们衷心感谢来自中国台湾科技事务主管部门（MOST）的经费支持（项目编号：MOST 104-2218-E-002 -004、MOST 105-2218-E-002-019、MOST 105-2221-E-002 -107 -MY3、MOST 102-2221-E-002 -133 -MY3 和 MOST 102-2221-E-002 -088 -MY3）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
去离子水
二氧化硅纳米粉末，40 nmUniRegion Bio-Tech60676860
乙醇ECHO Chemical co. Ltd64175
盐酸SHOWA Chemical co. Ltd.7647010
正硅酸乙酯SHOWA Chemical co. Ltd.78104
丙酮UNI-ONWARD CORP.67641
筒状加热器Chung Shun Heater & Instrument Co, Ltd.
派热克斯玻璃 Automotive Glass service , 中国台湾
普通钢化玻璃Automotive Glass service , 中国台湾
导热硅脂ElectrolubeEG-30 
绝缘胶带Chuan Chi Trading Co. Ltd聚酰亚胺胶带
砂纸Chuan Chi Trading Co. Ltd#2000
加热炉Chung ChuanHong Sen HS-101
电子天平A&D co. LtdGX400
超声波清洗机BransonicBransonic 3510
磁力搅拌器Yellow lineMST D S1
数据记录仪 YokogawaMX-100
CCD相机JVCLY35862-001A
硅胶Permatex599BR
电源GwinstekGPR-20H50D
聚四氟乙烯胶带 Chuan Chi Trading Co. LtdCS170000
接触角测量仪SindatekModel 100SB
辅助加热器Chuan Chi Trading Co. Ltd
T型热电偶Chuan Chi Trading Co. Ltd
回流冷凝管 Chuan Chi Trading Co. Ltd
玻璃纤维Professional Plastics, 中国台湾

参考文献

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