胡晨昱，賴展程，胡海濤，丁國(guó)良，韓維哲

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

泡沫金屬具有超大比表面積[1]，能有效提高換熱面積[2-3]、增加氣泡成核點(diǎn)[4]，從而促進(jìn)沸騰傳熱。但是泡沫金屬在顯著強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，造成壓降顯著提高[5]，限制了泡沫金屬用于提高換熱器性能的潛力。疏水改性作為一種改變固液界面作用的手段，在強(qiáng)化沸騰傳熱[6-8]的同時(shí)，可以促進(jìn)界面滑移[9]、降低流動(dòng)阻力[10]，有望解決泡沫金屬換熱器壓降過大的問題。池沸騰是沸騰換熱的基本形式，為了將疏水改性泡沫金屬應(yīng)用于強(qiáng)化沸騰換熱，需要明確疏水改性泡沫金屬對(duì)池沸騰換熱特性的影響。

關(guān)于泡沫金屬中池沸騰換熱的研究，主要集中在探究泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)[11-17]的影響以及泡沫金屬內(nèi)含油制冷劑[18-19]的沸騰換熱。研究結(jié)果表明，低孔隙率和高孔密度有利于強(qiáng)化泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱[14]；在高孔密度泡沫金屬中，隨著厚度減小，沸騰換熱先惡化后增強(qiáng)[15]；制冷劑中的潤(rùn)滑油會(huì)惡化沸騰換熱，換熱系數(shù)最多降低90%[18]。目前還沒有關(guān)于疏水改性泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱的研究報(bào)道。

本文針對(duì)疏水改性泡沫金屬內(nèi)池沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，明確疏水改性泡沫金屬對(duì)池沸騰換熱特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)原理與誤差分析

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了泡沫金屬內(nèi)池沸騰的的實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由沸騰池、加熱器、冷凝盤管、溫度傳感器和壓力傳感器組成，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為純凈水。

圖1 泡沫金屬池沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)

沸騰池主體為不銹鋼箱體，側(cè)面安裝有玻璃視窗，可用于照明并觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；沸騰池頂部和底部分別安裝有充注閥和排液閥，用于充注、排出沸騰工質(zhì)；頂部安裝有冷凝盤管，內(nèi)通冷卻水用于冷凝沸騰工質(zhì)，維持容器內(nèi)壓力；在沸騰池內(nèi)懸掛有一支熱電偶，用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的溫度Tf；頂部安裝一臺(tái)壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)容器內(nèi)壓壓力。加熱器位于容器底部，包括一主加熱器與一輔助加熱器。主加熱系統(tǒng)主體為一銅導(dǎo)熱塊，底部插入3 根電加熱棒，連接至調(diào) 電源，加熱功率可在0～500 W 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。導(dǎo)熱塊上部導(dǎo)熱柱高度為400 mm，邊長(zhǎng)為25 mm，包裹在絕熱性良好的特氟龍材材料中，熱量在其中可視為一維傳導(dǎo)。導(dǎo)熱柱內(nèi)插入入5 個(gè)熱電偶，深度為12.5 mm，位置如圖1所 示。泡沫金屬樣件通過錫焊方式安裝在銅加熱柱頂面上。輔助加熱器用于將沸騰池內(nèi)沸騰工質(zhì)保持在在飽和狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)包括導(dǎo)熱銅柱內(nèi)5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度T1～T5、工質(zhì)溫度Tf以及容器內(nèi)的壓力P。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣件

本實(shí)驗(yàn)樣件為泡沫銅，，尺寸為 225 mm× 25 mm×4 mm，包括5 PPI 和10 PPI 兩種孔密度，如圖2所示。

疏水表面泡沫金屬通過對(duì)泡沫銅進(jìn)行堿輔助氧化與正十二硫醇分子基團(tuán)自組裝的方法制備，制得疏水樣件如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出與誤差分析

池沸騰換熱系數(shù)h 按式(1)～式(2)計(jì)算：

式中：

q———熱流密度度，W/m2；

Tw——導(dǎo)熱塊加熱頂面溫度，℃；

Tf——制冷劑飽和溫度，℃℃；

λ———銅熱導(dǎo)率，W/(m·K)；；

z———加熱面法向坐標(biāo)，m。。

T 和z 之間的關(guān)系由導(dǎo)熱銅柱上測(cè)得溫度T1～T5與其對(duì)應(yīng)的z1～z5通過線性擬合得到：

圖2 未改性泡沫金屬樣件

圖3 疏水改性泡沫金屬樣件

并以此推算出Tw的值：

式中，zw為導(dǎo)熱銅柱頂面高度0.04 mm。

根據(jù)MOFFAT 方法[20]可得到以下計(jì)算換熱系數(shù)h的相對(duì)誤差公式(5)[116]：

其中，熱流密度與加熱面溫度計(jì)算誤差在10%以內(nèi)，熱電偶的誤差為0.1 ℃，換熱系數(shù)的最大相對(duì)誤差為13.8%。

2 結(jié)果討論

2.1 表面改性對(duì)潤(rùn)濕性的的影響

已有研究測(cè)定了水在在未改性銅表面的潤(rùn)濕性[21]，結(jié)果顯示水在在銅表面的前進(jìn)接觸角θA為89.2°，后退接觸角θR為62.1°，呈現(xiàn)微弱的親水特性，如圖4(a)所示。對(duì)泡沫金屬進(jìn)行堿輔助氧化與正十二硫醇分子集團(tuán)自組裝處理后，得到疏水泡沫金屬表面，分別測(cè)定它們與水的接觸角，如圖4(b)所所示。

圖4 水在不同潤(rùn)濕性表面的接觸角

2.2 疏水改性對(duì)泡沫金屬池沸騰特性的的影響

圖5給出了水在孔密度為5 PPI的兩種表面潤(rùn)濕性泡沫金屬加熱面的池沸騰換熱特性。由圖5(a)可以看出，疏水改性使沸騰換熱的起始過熱度由4.26 ℃降低至2.95 ℃，降低了30.7%%。由圖5(b)不同表面特性的泡沫金屬加熱面換熱系數(shù)隨熱流密度的變化規(guī)律可以看出，在熱流密度較低時(shí)，疏水改性與未改性的泡沫金屬表面沸騰換熱系數(shù)較接近，疏水泡沫金屬比未改性泡沫金屬高出大約5%～ 8%，隨著熱流密度升高，疏水改性對(duì)換熱性能的增強(qiáng)幅度升高，疏水改性泡沫金屬表面沸騰換熱系數(shù)比未改性泡沫金屬表面高大約15%～20%。疏水改性對(duì)于5 PPI 的泡沫金屬池沸騰換熱有明顯的強(qiáng)化作用。

圖5 疏水改性對(duì)5 PPI 泡沫金屬池沸騰換熱特性的影響

圖6給出了水在孔密度為110 PPI 的兩種表面潤(rùn)濕性泡沫金屬加熱面的池沸騰換熱特性。由圖6(a)可以看出，在沸騰起始與低熱流密度區(qū)域，兩種泡沫金屬的沸騰曲線幾乎重合。由圖6(b)可知，在較高熱流密度區(qū)域，疏水改性泡沫金屬的池沸騰換熱系數(shù)比未改性泡沫金屬低大約33%～5%。對(duì)于10 PPI的泡沫金屬，疏水改性使換熱性能稍有惡化。

對(duì)于不同孔密度泡沫金屬的的換熱性能，疏水改性呈現(xiàn)不同的效果，原因在于，疏水改性能夠增加金屬表面氣泡成核點(diǎn)，有利于氣泡形成，增強(qiáng)沸騰換熱，但是由于表面親氣疏水的的特性，形成的氣泡更易在泡沫金屬表面鋪展，造成局部的膜態(tài)沸騰，惡化換熱。當(dāng)泡沫金屬孔密度增大，比表面積增大時(shí)，這種影響更為顯著。由于高孔密度的泡沫金屬骨架結(jié)構(gòu)更緊密，增大了氣泡的逸出難度；因此，對(duì)于水工質(zhì)換熱器，為了強(qiáng)化泡沫金屬換熱器的性能，應(yīng)采用低孔密度的疏水改性泡沫金屬。

圖6 疏水改性對(duì)10 PPI 泡沫金屬池沸騰換熱特性的影響

3 結(jié)論

1）在孔密度5 PPI 的泡沫金屬中，疏水改性使沸騰起始過熱度由4.26 ℃降低到2.95 ℃，換熱系數(shù)增大5%～20%，換熱性能得到強(qiáng)化。

2）對(duì)于孔密度10 PPI 的泡沫金屬，隨著熱流密度增大，疏水改性增強(qiáng)沸騰換熱。

3）在熱流密度較低的制冷系統(tǒng)換熱器中，宜采用低孔密度疏水改性泡沫金屬增強(qiáng)換熱。