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。
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摘要
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,
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方案
1. 修饰表面的制备
- 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。
- 将抛光后的试样置于烘箱中，在120 °C恒温下干燥2小时。
- 通过以下步骤制备超亲水性SiO2纳米颗粒溶液。
- 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。
- 将乙醇与去离子水按1:3的摩尔比混合，配制溶液B。
- 将1 mL溶液A加入80 mL溶液B中，搅拌2小时。
- 向上述溶液中加入32 g SiO2纳米颗粒（直径40 nm），搅拌1小时。
- 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。
- 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）。
- 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....
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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）。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 去离子水 | |||
| 二氧化硅纳米粉末，40 nm | UniRegion Bio-Tech | 60676860 | |
| 乙醇 | ECHO Chemical co. Ltd | 64175 | |
| 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 | Electrolube | EG-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 Chuan | Hong Sen HS-101 | |
| 电子天平 | A&D co. Ltd | GX400 | |
| 超声波清洗机 | Bransonic | Bransonic 3510 | |
| 磁力搅拌器 | Yellow line | MST D S1 | |
| 数据记录仪 | Yokogawa | MX-100 | |
| CCD相机 | JVC | LY35862-001A | |
| 硅胶 | Permatex | 599BR | |
| 电源 | Gwinstek | GPR-20H50D | |
| 聚四氟乙烯胶带 | Chuan Chi Trading Co. Ltd | CS170000 | |
| 接触角测量仪 | Sindatek | Model 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
- Putsch, G. Thermal challenges in the next generation of supercomputers. Proc. CoolCon MEECC Conference. , 1-83 (2005).
- Phan, H. T., Caney, N., Marty, P., Colasson, S., Gavillet, J. Surface wettability control by nanocoating: The effect on pool boiling heat transfer and nucleation mechanism. Int. J. Heat and Mass Transfer. 52, 5459-5471 (2009).
- Barber, J., Brutin, D., Tadrist, L.
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重印与许可
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