羅小平，王 文，張超勇，吳 迪

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換熱器鋁基微細(xì)通道微納結(jié)構(gòu)表面制備及其傳熱特性

羅小平，王 文，張超勇，吳 迪

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

在農(nóng)業(yè)工程中，微細(xì)通道傳熱技術(shù)在儲糧倉溫度控制、農(nóng)產(chǎn)品干燥系統(tǒng)和太陽能熱水系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。該文使用CuCl2溶液刻蝕鋁基微細(xì)通道表面并采用超聲波清洗的方式得到微納結(jié)構(gòu)表面，呈現(xiàn)出超親水性；在微納結(jié)構(gòu)表面的基礎(chǔ)上用氟硅烷溶液修飾后得到超疏水表面，只經(jīng)過砂紙打磨處理的為普通光滑表面。使用3種不同表面的微細(xì)通道進(jìn)行流動沸騰試驗(yàn)，試驗(yàn)工質(zhì)為R141b，操作壓力為142 kPa，在不同質(zhì)量流率、熱流密度下研究不同潤濕性表面對傳熱特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在低熱流密度下，超疏水表面有著最佳的傳熱特性，相對于普通光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大提高31.6%；當(dāng)熱流密度升高到一定值后，超親水表面的傳熱系數(shù)最大，相對于普通光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大提高20.6%。繼續(xù)提高加熱功率，超疏水表面的傳熱系數(shù)開始下降，甚至低于普通光滑表面。該文通過改變微通道的表面特性，研究微納結(jié)構(gòu)表面對微通道流動沸騰傳熱特性的影響，為制造出更高換熱特性的微細(xì)通道換熱器提供了新的思路，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能與高效傳熱。

傳熱；換熱器；微納結(jié)構(gòu)；超親水；超疏水；微細(xì)通道

0 引 言

微通道換熱技術(shù)提供了高效的換熱方式，在電子散熱、農(nóng)業(yè)機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域有著越來越廣闊的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)工程中，太陽能在農(nóng)業(yè)能源中有著重要的地位[1]，然而太陽能電池的散熱存在較多的問題，采用微細(xì)通道納米流體換熱器冷卻[2]高倍聚光太陽能電池值得深入研究。微通道傳熱技術(shù)還可用于熱泵空調(diào)，熱泵空調(diào)在畜牧養(yǎng)殖業(yè)有著較多的應(yīng)用[3]，采用微通道換熱技術(shù)的熱泵空調(diào)可以顯著增大換熱效率，節(jié)約能源。熱管技術(shù)可以用于農(nóng)產(chǎn)品干燥系統(tǒng)[4]等方面，隨著制造工藝的發(fā)展，微細(xì)通道型熱管作為新型熱管成為研究的熱點(diǎn)[5]。

近些年來，研究發(fā)現(xiàn)通過改變換熱表面特性對傳熱特性有著很大的影響。目前，關(guān)于改變表面特性的方法主要包括機(jī)械制造加工[6-7]、化學(xué)氧化與刻蝕[8-9]、普通金屬表面涂層[10-11]和微機(jī)電制造技術(shù)[12-13]等。化學(xué)刻蝕方法簡單易于操作，通過化學(xué)刻蝕獲得的微納結(jié)構(gòu)潤濕特性和持久性較好。Ramaswamy等[14]通過光刻法和KOH溶液刻蝕硅基微通道，在微通道表面形成梯形孔狀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)工質(zhì)為FC-72，將微細(xì)通道放置在容器中進(jìn)行池沸騰試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面微納結(jié)構(gòu)對汽泡脫離有著很大的影響。Demir等[15]將單晶硅樣品通過化學(xué)刻蝕和自組裝方法獲得了有序的單晶硅納米棒，通過池沸騰研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)對單相流和沸騰階段的傳熱系數(shù)均有著很大的提升。Lu等[16]使用HF和AgNO3溶液刻蝕單晶硅表面，在硅基表面生長出硅納米線陣列，并進(jìn)行了池沸騰試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)硅納米線結(jié)構(gòu)能有效的提高臨界熱流密度值。Zhou等[17]在矩形硅基微細(xì)通道表面采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法鍍上一層100 nm的二氧化硅薄膜，得到超親水表面，接觸角大約為0°，未經(jīng)過處理的硅基表面為普通親水表面，試驗(yàn)工質(zhì)為去離子水；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同的高熱流密度下，未處理的硅基表面發(fā)生局部蒸干現(xiàn)象，而超親水表面則沒有發(fā)現(xiàn)干涸現(xiàn)象。Choi等[18]采用光敏玻璃加工成微細(xì)通道，未經(jīng)過處理的光敏玻璃表面呈現(xiàn)親水性，將光敏玻璃經(jīng)過化學(xué)刻蝕后可以得到疏水表面；試驗(yàn)研究表明疏水表面的傳熱特性優(yōu)于未處理過的親水表面。Wang等[19]通過模板電沉積法得到微納結(jié)構(gòu)雙孔隙銅表面，并將得到的微多孔銅表面放置在Cu2SO4溶液中用微小的電流進(jìn)行修飾。將普通光滑銅表面、未經(jīng)過修飾的雙孔隙銅表面和修飾后的雙孔隙銅表面進(jìn)行池沸騰試驗(yàn)對比，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在熱流密度為90 W/cm2時，未經(jīng)過修飾的雙孔隙銅表面的傳熱系數(shù)是普通銅表面的2.8倍，而經(jīng)過修飾后的雙孔隙銅表面的傳熱系數(shù)為普通銅表面的4.8倍，傳熱效率顯著提升。Kumar等[20]通過噴霧熱解法，在ZnO表面增加了一層ZnO-Al2O3涂層，將原來的ZnO表面由疏水性變?yōu)橛H水性，微通道內(nèi)流動沸騰試驗(yàn)表明，處理后的親水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和臨界熱流密度分別最大提升29.7%和44.6%。

通過以上文獻(xiàn)可以看出，關(guān)于微納結(jié)構(gòu)表面的制備與研究的大多數(shù)試驗(yàn)都在池沸騰下進(jìn)行，在微通道內(nèi)的流動沸騰研究較少。微納結(jié)構(gòu)表面特殊的潤濕性對傳熱特性的影響也不完全清楚，強(qiáng)化傳熱機(jī)理需要進(jìn)一步探究。本文通過化學(xué)刻蝕的方式制備了微納結(jié)構(gòu)表面微細(xì)通道，處理后得到具有超親水與超疏水特性的微細(xì)通道，并進(jìn)行流動沸騰試驗(yàn)，與普通光滑表面進(jìn)行對比，在文獻(xiàn)[21]的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步深入的探究，改進(jìn)了微納結(jié)構(gòu)表面微細(xì)通道的制備方法，并通過電鏡試驗(yàn)觀察微納結(jié)構(gòu)表面的微觀結(jié)構(gòu)，從而對其強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)層面的解釋，為設(shè)計新型微細(xì)通道換熱器提供了思路。

1 微納結(jié)構(gòu)表面微細(xì)通道的制備

1.1 微細(xì)通道預(yù)處理

采用電火花線切割加工方法得到1 mm×2 mm的矩形微細(xì)通道，由于鋁基微細(xì)通道表面氧化會形成一層致密的氧化膜，所以在制備微納結(jié)構(gòu)表面時需要對試件進(jìn)行打磨預(yù)處理，除去表面的氧化膜。將打磨后得到的微細(xì)通道放置在超聲波振蕩儀中，依次用無水乙醇和去離子水清洗20 min，從而去除表面的污垢和打磨殘留下來的雜質(zhì)，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)中吹干。對預(yù)處理后的微細(xì)通道進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，觀察其表面的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 預(yù)處理后的微細(xì)通道光滑表面電鏡圖

隨機(jī)選取預(yù)處理得到的微細(xì)通道表面的5個位置，將液滴滴落在表面進(jìn)行接觸角的測定，對測得的接觸角取平均值，測量及計算結(jié)果表明，經(jīng)過預(yù)處理之后的微細(xì)通道靜態(tài)接觸角的大小為67.2°，此時的通道表面為親水性。本文選取去離子水來測量接觸角，主要是因?yàn)镽141b在室溫下易揮發(fā)，且R141b有腐蝕性，會對測量儀器產(chǎn)生腐蝕。Zhou等[22]研究了采用水和R141b滴在鋁基表面測量接觸角數(shù)值的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)采用水和R141b滴在鋁基表面的接觸角大小呈現(xiàn)出正相關(guān)，在相同鋁基通道表面，R141b與鋁基表面的接觸角小于水與鋁基表面的接觸角，但不會影響本文研究范圍內(nèi)潤濕性的表現(xiàn)。本文制備得到的3種微細(xì)通道與水的接觸角分別表現(xiàn)出超親水、親水和超疏水特性，若采用R141b仍能夠表現(xiàn)出相同的潤濕性。R141b的化學(xué)名稱為二氯氟乙烷，分子式為CH3CCl2F，分子量為116.95，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為32.1 ℃。圖2展示了預(yù)處理后的微細(xì)通道左側(cè)壁面、底面和右側(cè)壁面的接觸角測量圖片。

圖2 預(yù)處理后的微細(xì)通道光滑表面接觸角示意圖

1.2 化學(xué)試劑刻蝕

試驗(yàn)采用CuCl2溶液對打磨得到的光滑鋁基微細(xì)通道進(jìn)行刻蝕，CuCl2溶液的濃度為1 mol/L。將鋁基微細(xì)通道浸泡在CuCl2溶液中，由于通道的外側(cè)底面需要與基座接觸必須保持平整，刻蝕過程中不能與溶液接觸。在刻蝕40 s后，取出微細(xì)通道，觀察發(fā)現(xiàn)通道表面沉積了一層銅顆粒，用去離子水及時清洗微細(xì)通道表面去除殘留的CuCl2溶液，防止反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。在電鏡下觀察刻蝕后的微細(xì)通道表面，如圖3所示，可以觀察到表面生長出樹枝狀的微納結(jié)構(gòu)。

圖3 CuCl2溶液刻蝕后微細(xì)通道表面電鏡圖

1.3 表面微納結(jié)構(gòu)的形成

CuCl2溶液刻蝕后會在表面形成部分凹坑結(jié)構(gòu)，析出的銅顆粒會嵌入這些凹坑中，形成樹枝狀的結(jié)構(gòu)。為了得到錯綜復(fù)雜、“迷宮狀”的微納結(jié)構(gòu)表面需要將析出的銅顆粒洗去。將刻蝕得到的微細(xì)通道放置在超聲波清洗機(jī)中振蕩清洗30 min，取出后發(fā)現(xiàn)原來沉積在表面的銅顆粒被清洗干凈，整個微細(xì)通道呈現(xiàn)出銀白色，將處理好的微細(xì)通道放在烘箱中烘干備用。

在電鏡下掃描拍攝清洗處理后的微細(xì)通道，如圖4所示。對比圖1所示的僅經(jīng)過打磨處理的微細(xì)通道表面，在同等放大10 000倍的電鏡圖下，可以明顯看出在刻蝕處理后微細(xì)通道表面呈現(xiàn)出凸臺和凹坑大小不一、交錯相連的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)，仿佛如無數(shù)個“迷宮”相互連接在一起。

圖4 微納結(jié)構(gòu)表面電鏡圖

對處理得到的微細(xì)通道進(jìn)行接觸角測定試驗(yàn)，將液滴滴落在通道表面，發(fā)現(xiàn)液滴完全鋪展開來，如圖5所示，無法捕捉到靜態(tài)接觸角圖片，可以近似認(rèn)為接觸角約等于0°，呈現(xiàn)出超親水特性。

圖5 超親水表面接觸角示意圖

1.4 超疏水表面微細(xì)通道的制備

目前，關(guān)于超疏水表面的制備主要有2種方式：一是使低表面能材料具有復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)，二是用低表面能物質(zhì)修飾微納結(jié)構(gòu)表面[23]。本次試驗(yàn)已經(jīng)制備得到復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)表面，只需要在原有的微納結(jié)構(gòu)表面上用低表面能物質(zhì)修飾便可以得到超疏水表面。根據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)，氟硅烷及含氟物質(zhì)的表面能最低，本文采用氟硅烷修飾刻蝕后的微細(xì)通道表面。將刻蝕得到的微細(xì)通道浸泡在氟硅烷中，浸泡時間為15 min，取出后在烘箱中烘干。

測定經(jīng)氟硅烷修飾后的刻蝕表面的接觸角大小，隨機(jī)選定5個位置進(jìn)行測定后取平均值，發(fā)現(xiàn)此時微細(xì)通道表面的接觸角大小為160.2°，表現(xiàn)出較好的疏水性，如圖6所示。氟硅烷的修飾作用不會對表面微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，只是降低了原來金屬表面的表面能，完成了超親水表面向超疏水表面的轉(zhuǎn)化。

圖6 超疏水表面接觸角示意圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)回路

整個試驗(yàn)的系統(tǒng)如圖7所示，可以分為注液裝置、冷卻回路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗(yàn)段5。制冷劑通過注液裝置加入到系統(tǒng)中，磁力泵1開始運(yùn)轉(zhuǎn)使制冷劑在系統(tǒng)中連續(xù)不斷的循環(huán)。整個試驗(yàn)系統(tǒng)的流量由冷卻回路系統(tǒng)控制，主回路系統(tǒng)流向試驗(yàn)段，副回路系統(tǒng)流向儲液罐14，通過閥門的開度可以控制試驗(yàn)段的流量。制冷劑流經(jīng)恒溫水箱4被預(yù)熱，經(jīng)過試驗(yàn)段后產(chǎn)生的氣液兩相流工質(zhì)在冷卻水箱13冷凝后流回儲液罐。

2.2 試驗(yàn)段

試驗(yàn)段裝置如圖8所示，整個試驗(yàn)段可以分為基座、微細(xì)通道、石英玻璃板和鋁制蓋板（鋁制蓋板上開有可視化窗口）。在試驗(yàn)基座的一側(cè)分別在入口段、出口段和中間段開有熱電偶測溫孔，其中中間段為上下成對的測溫孔，共有4對，入口和出口處各有一個測溫孔，總共為10個測溫孔。在基座的另一側(cè)入口和出口段開有2個測壓孔，用于監(jiān)測入口和出口壓力。微細(xì)通道總共為12條平行的矩形微細(xì)通道組成，每一條微細(xì)通道為1 mm×2 mm，通道之間的間隔為2 mm，微細(xì)通道長度為240 mm，如圖9所示。圖10展示了單個微細(xì)通道的橫截面示意圖，從上往下依次為玻璃蓋板、微細(xì)通道和基座。

1.磁力泵 2.節(jié)流閥 3.渦輪流量計 4.恒溫水箱 5.試驗(yàn)段 6.溫度傳感器7.壓力傳感器 8.數(shù)據(jù)采集模塊 9.計算機(jī) 10.壓力表 11,12.注液裝置 13.冷卻水箱 14.儲液罐

1.鋁制蓋板 2.墊片 3.石英玻璃板 4.微細(xì)通道 5.橡膠墊圈 6.基座 7.入口 8.出口 9.測溫孔

注：Ww為2根通道間隔寬度，m；Wch為通道寬度，m；Hch為通道高度，m

在微細(xì)通道的入口和出口的地方都設(shè)計了緩沖槽，緩沖槽位于入口和微細(xì)通道之間，工質(zhì)從入口進(jìn)入的時候經(jīng)過緩沖槽，消除了工質(zhì)進(jìn)入微細(xì)通道可能產(chǎn)生的邊界層擾動對傳熱的影響，邊界效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。

注：δ為上測溫點(diǎn)與通道底部的距離，m；Hw為上下測溫點(diǎn)之間的間距，m；Tw為壁面溫度，K；Tup為上測溫點(diǎn)的溫度，K；Tdw為下測溫點(diǎn)的溫度，K；qe為熱流密度，W·m-2。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 質(zhì)量流率

試驗(yàn)過程中流經(jīng)試驗(yàn)段的體積流量由轉(zhuǎn)子流量計測出，可以計算出整個試驗(yàn)段的質(zhì)量流量為

根據(jù)試驗(yàn)段的質(zhì)量流量可以計算出單一通道的質(zhì)量流率

式中為流經(jīng)試驗(yàn)段的質(zhì)量流量，kg/s；為流經(jīng)試驗(yàn)段的體積流量，L/h；為R141b制冷劑工質(zhì)在工作溫度和壓力下的密度，kg/m3；為單個通道的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；為微細(xì)通道數(shù)目；ch為單個通道的寬度，m。

2.3.2 有效熱流密度

試驗(yàn)采用云母加熱板進(jìn)行加熱，云母加熱板與試驗(yàn)基座底部涂有導(dǎo)熱硅脂，以保證良好的熱傳導(dǎo)。通過接觸調(diào)壓器可以調(diào)節(jié)加熱功率，加熱功率通過功率計可以測量得到。通過熱平衡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在飽和沸騰階段系統(tǒng)的熱平衡偏差較小，且試驗(yàn)采用的為鋁基基座，導(dǎo)熱性較好，可以認(rèn)為熱傳導(dǎo)為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[24]，則第對測溫點(diǎn)的有效熱流密度計算公式為

式中e,n為第對測點(diǎn)有效熱流密度，W/m2；為鋁材的導(dǎo)熱率，201 W/(m·K)；dw,n為第對測點(diǎn)處下測點(diǎn)的溫度值，K；up,n為第對測點(diǎn)處上測點(diǎn)的溫度值，K。

試驗(yàn)過程中可以認(rèn)為沿著流動方向的熱流密度均勻分布，故將4對測溫點(diǎn)求得的局部熱流密度取平均值得到平均有效熱流密度ave。

2.3.3 熱力平衡干度

工質(zhì)在微細(xì)通道流動過程中可以分為2個區(qū)域：上游的過冷沸騰區(qū)和下游的飽和沸騰區(qū),熱力平衡干度sub為0的位置就是2個區(qū)域的區(qū)分點(diǎn)，過冷沸騰區(qū)域的長度可以由式（5）計算[25]。

本文在試驗(yàn)過程中采用平板加熱，在加熱板與基座之間涂有導(dǎo)熱硅脂，熱流密度不均勻性較小。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算，發(fā)現(xiàn)熱流密度沿著流動方向變化較小，最大不均勻性小于5%，所以近似認(rèn)為過冷段和飽和沸騰段的熱流密度相同。文中在計算過冷段的長度式（5）中采用ave作為有效熱流密度。

飽和沸騰段的長度

式中sub為過冷沸騰區(qū)域的長度，m；c,l為R141b液相定壓比熱容，J/(kg·K)；sat為操作壓力下R141b的飽和溫度；in為R141b試驗(yàn)段入口溫度，K；為通道的長度，m；sat為飽和沸騰區(qū)域的長度，m。

試驗(yàn)中流體的溫度不能直接測量,可以采用線性插值的方法計算出流體溫度，根據(jù)沸騰的不同區(qū)域，計算公式如下

熱力平衡干度的計算公式為[16]

式中f（）為與通道入口距離處的液體工質(zhì)溫度，K；χe為熱力平衡干度；為與通道入口的距離，m；f為飽和沸騰段的液體工質(zhì)溫度，K；e（）為與通道入口距離處的熱力平衡干度；fg為R141b汽化潛熱，kJ/kg。

2.3.4 傳熱系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[26]的計算方法，將微細(xì)通道簡化為肋片模型，可以得到測溫點(diǎn)的局部傳熱系數(shù)h計算公式

式中h為第對測點(diǎn)處的局部傳熱系數(shù)；為肋片效率；為肋片參數(shù)。

假定微通道與基座接觸良好，可以忽略接觸熱阻，并假定為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，則壁面溫度w,n的計算公式為

測點(diǎn)位置的壁面過熱度Δsat

式中w,n為第對測點(diǎn)處的壁面溫度；f,n為第對測點(diǎn)處的液體工質(zhì)溫度。

2.3.5 誤差分析

試驗(yàn)中的誤差主要分為2類，直接測量誤差和計算誤差。本文中所涉及的直接測量誤差有渦輪流量計測量體積誤差、熱電偶測溫的誤差、溫度變送器測量誤差，見表1所示。

表1 直接測量誤差

計算誤差是指在公式進(jìn)一步計算時產(chǎn)生的誤差，根據(jù)誤差傳遞原理[27]進(jìn)行估算。如：對于計算參數(shù)，由直接測量值1，2，…，X經(jīng)過計算可得

則相應(yīng)的相對不確定度為

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 計算誤差結(jié)果分析

本試驗(yàn)的計算誤差參數(shù)主要有質(zhì)量流率，熱流密度，過冷段長度，沿程流體溫度，傳熱系數(shù)和熱力平衡干度等。根據(jù)直接測量值和每個物理量的計算公式，參考式（16）可以計算出參數(shù)，再根據(jù)式（17）可以計算出的不確定度，最后根據(jù)式（18）計算出相對不確定度。計算結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)相對不確定度分析結(jié)果

3.2 沸騰曲線

本文主要研究目的是探究表面潤濕性對飽和沸騰的影響，第四對測點(diǎn)最靠近出口，最先達(dá)到飽和沸騰，故選取第四對測點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為研究對象。

圖11對比了在相同質(zhì)量流率、入口溫度、操作壓力和加熱功率下，3種不同潤濕性表面的沸騰傳熱曲線。圖中ONB表示過冷沸騰起始點(diǎn)，在ONB點(diǎn)處沸騰曲線開始發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨著熱流密度的上升，壁面過熱度升高速率迅速減小，表明工質(zhì)從單相流狀態(tài)逐漸過渡到兩相流。

注：G=312.6 kg·m-2·s-1，Tin=40 ℃，壓力P=142 kPa。ONB點(diǎn)為過冷沸騰起始點(diǎn)。

從圖11中可以看出超疏水表面達(dá)到ONB點(diǎn)壁面過熱度最低，超親水次之，普通光滑表面到達(dá)ONB點(diǎn)時的壁面過熱度最高。這與文獻(xiàn)[28-29]對親水、疏水表面關(guān)于傳熱特性的研究有著相同的趨勢。這是因?yàn)槌杷砻娴奈⒓{結(jié)構(gòu)存在著大量的活化凹坑，經(jīng)過氟化硅溶液修飾后呈超疏水狀態(tài)，容易在凹坑中殘存氣體，當(dāng)熱流密度上升到一定值以后，表面的活化氣穴迅速被激活，最先開始沸騰；超親水表面在刻蝕后未經(jīng)過處理，呈親水狀態(tài)，表面的微納結(jié)構(gòu)容易被潤濕，但由于其表面微納結(jié)構(gòu)的存在，相對于光滑表面，大大增加了換熱表面積和汽化核心密度，所以其沸騰起始過熱度小于光滑表面。

3.3 沿程傳熱系數(shù)

為了研究表面潤濕性對局部傳熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)中開始的質(zhì)量流率為505.2 kg/m2·s。熱力平衡干度χe等于0處的點(diǎn)為飽和沸騰起始點(diǎn)[30]，由圖12a可知，在高質(zhì)量流率下，最靠近入口的測點(diǎn)處并未進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)，結(jié)合圖12b所示，超疏水表面的傳熱系數(shù)最高，超親水次之。保持加熱功率不變，調(diào)節(jié)質(zhì)量流率到312.6 kg/m2·s，微通道內(nèi)4個測點(diǎn)均進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)，其中超親水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高，超疏水表面仍然優(yōu)于普通光滑表面。

圖12 熱力平衡干度和傳熱系數(shù)沿程變化

在試驗(yàn)開始階段，質(zhì)量流率較大，靠近入口處的工質(zhì)仍然未進(jìn)入飽和沸騰，整個通道內(nèi)產(chǎn)生的汽泡較少，此時超疏水表面由于其潤濕性較差且表面活化核心點(diǎn)多，傳熱特性在3種表面中最佳。當(dāng)調(diào)節(jié)質(zhì)量流率到312.6 kg/(m2·s)時，整個通道內(nèi)都快速進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)，通道內(nèi)產(chǎn)生大量的汽泡，此時超親水表面呈現(xiàn)出了最優(yōu)的傳熱特性。鄭曉欣等[31]用不同的化學(xué)處理方式制備了超親水和超疏水表面，在池沸騰中進(jìn)行了可視化試驗(yàn)；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超親水表面產(chǎn)生汽泡小、汽泡脫離快，超疏水表面容易產(chǎn)生較大的汽泡附著在表面，不易脫離。由于微通道的微尺度效應(yīng)，汽泡的長大受到通道尺寸的限制。超疏水表面有著“親氣疏液”的特性，汽泡在表面不易脫離[32-33]，當(dāng)整個通道進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)時，產(chǎn)生了大量汽泡，覆蓋在通道底部的汽泡阻礙了液體工質(zhì)的補(bǔ)充，不利于傳熱的進(jìn)行。超親水表面由于其潤濕性最佳，產(chǎn)生的汽泡容易脫離，加快了液體工質(zhì)的補(bǔ)充，強(qiáng)化傳熱效果明顯。

3.4 平均傳熱系數(shù)

微細(xì)通道內(nèi)的傳熱機(jī)理較為復(fù)雜，在微細(xì)通道內(nèi)同時存在著3個不同的區(qū)域（單相對流區(qū)、過冷沸騰區(qū)和飽和沸騰區(qū)），如圖13所示。在質(zhì)量流率恒定的情況下，不同熱流密度決定了微通道內(nèi)每一個區(qū)域的長度，從而影響工質(zhì)的傳熱方式和傳熱效率。在低熱流密度下，微細(xì)通道工質(zhì)為單相流，主要換熱方式為單相強(qiáng)制對流傳熱；在中等熱流密度下，微細(xì)通道靠近入口處為單相流和過冷沸騰段，中間段和靠近出口處為飽和沸騰段，換熱方式主要為核態(tài)沸騰傳熱；在較高熱流密度下，靠近出口的位置甚至出現(xiàn)干涸，不利于傳熱。

注：T1~T8為熱電偶測溫孔；R141b為制冷劑。

保持質(zhì)量流率為恒定的工況，通過改變加熱功率，研究潤濕性對不同平均熱流密度下的傳熱特性影響。如圖14所示，在質(zhì)量流率、入口溫度相同的情況下，當(dāng)熱流密度小于16 kW/m2時，超疏水表面的傳熱系數(shù)最大，在2種質(zhì)量流率下平均傳熱系數(shù)相對于普通光滑表面最大提高31.6%。繼續(xù)增大加熱功率，工質(zhì)完全進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)，此時由于超親水表面“親液疏氣”特點(diǎn)，加快了汽泡的脫離，在飽和沸騰段體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，大大提高了傳熱系數(shù)，在2種質(zhì)量流率下相對于普通光滑表面平均傳熱系數(shù)最大提高20.6%。當(dāng)加熱功率增大到一定值時，3種表面的平均傳熱系數(shù)均有所下降，這是因?yàn)榧訜峁β实难杆偕邔?dǎo)致汽泡來不及脫離不利于傳熱的進(jìn)行。除此之外，從圖14中還可以看出，當(dāng)熱流密度超過一定值后，超疏水表面的傳熱系數(shù)甚至低于普通光滑表面，說明高熱流密度下，超疏水表面“親氣疏液”的特性嚴(yán)重影響了傳熱。

注：圖14a中，G=312.6 kg·(m2·s)-1，Tin=40 ℃，P=142 kPa；圖14b中，G=505.2 kg·(m2·s)-1，Tin=40 ℃，P=142 kPa。

4 結(jié) 論

采用化學(xué)刻蝕方法獲得了微納結(jié)構(gòu)表面，呈現(xiàn)出超親水性；在超親水表面的基礎(chǔ)上用氟硅烷溶液進(jìn)行修飾得到超疏水表面，并與打磨得到的普通光滑表面進(jìn)行對比，在電鏡下觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)，探究其對傳熱影響的機(jī)理。試驗(yàn)工質(zhì)為R141b，將制備得到的3種不同表面微細(xì)通道進(jìn)行沸騰傳熱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論如下：

1）在熱流密度較低的工況下，工質(zhì)仍處于單相流或過冷沸騰狀態(tài)，由于超疏水表面獨(dú)特的“親氣疏液”特性，使得其表面存在著大量的活化氣穴，在熱流密度不高的情況下也容易被激活，所以在低熱流密度下超疏水表面表現(xiàn)出了最佳的傳熱特性，相對于普通光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大提高31.6%。

2）在高熱流密度下，整個通道內(nèi)完全進(jìn)入飽和沸騰狀態(tài)，超親水表面錯綜復(fù)雜的凹坑結(jié)構(gòu)造就了“親液疏氣”的特性，加快了汽泡的脫離，此時超親水表面表現(xiàn)出最佳的傳熱特性，相對于普通光滑表面最大提高20.6%。

3）繼續(xù)增大加熱功率，超疏水表面的傳熱系數(shù)逐漸開始下降，甚至低于普通光滑表面，“親氣疏液”的特性在高熱流密度下表現(xiàn)出了不利于傳熱的性質(zhì)，通道內(nèi)大量的汽泡附著在通道表面難以脫離，汽泡阻礙了液體工質(zhì)的補(bǔ)充，傳熱開始惡化。

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Micro-nano structures surface preparation and its heat transfer characteristics of aluminum-based microchannel in heat exchangers

Luo Xiaoping, Wang Wen, Zhang Chaoyong, Wu Di

(,,510640,)

Micro-channel enhanced heat transfer research is a fundamental research of micro-channel heat exchangers. Micro-channel heat exchangers, as a new type of heat exchanger, have extensive applications in high heat flux equipment and micro-devices. In agricultural engineering, solar energy has a wide application in agricultural energy. However, there are many problems in the heat dissipation of solar cells. The use of micro-channel heat exchangers can effectively control the temperature of the solar cells, prolong the service life and improve the power generation efficiency. In addition, micro-channel technology can also be used in heat pump air conditioners. Heat pump air conditioners have many applications in animal husbandry. New heat pump air conditioners have adopted micro-channel condensers, which can significantly increase heat exchange efficiency and save energy. Heat pipe technology can be used in temperature control of grain storage, drying system of agricultural products, etc. With the improvement of manufacturing and processing technology, micro-channel heat pipes have become a research hotspot as a new type of heat pipe. In order to study the effect of micro-nano structures surface on the heat transfer characteristics of micro-channel flow boiling, the CuCl2solution was used to etch the surface of aluminum micro-channels, and the copper particles deposited on the surface were removed by ultrasonic cleaning to obtain micro-nano structures surface. The contact angle of the surface was measured, droplets were dropped on the surface and quickly spread, the contact angle was approximately 0°, and super hydrophilicity was exhibited. The surface of the micro-nano structures was modified with a fluorosilane solution for a certain period of time, and the surface contact angle was measured to be 160.2°, showing super-hydrophobicity. Only by sanding treatment was smooth surface, and the surface contact angle was measured to be 67.2°, exhibiting hydrophilicity. Flow boiling experiments were performed using three different surface micro-channels. The experimental refrigerant was R141b and the operating pressure was 142 kPa. The whole experimental section can be divided into an aluminum base, a micro-channel, a quartz glass plate and an aluminum cover plate (with a visible window on the aluminum cover plate). At the side of the aluminum base, there were thermocouple measuring holes in the entrance section, the exit section and the middle section. In the middle section was a pair of upper and lower temperature measuring holes with four pairs. There was a temperature measurement hole at the entrance and exit, and a total of 10 thermometer holes. Pressure sensors were installed on the other side of the base entrance and outlet respectively for monitoring inlet and outlet pressure. The micro-channel was composed of 12 parallel rectangular single channels. The width and height of a single channel were 1 and 2 mm, respectively, the interval between channels was 2 mm, and the length of the micro-channel was 240 mm. The mass flow rates were 312.6 and 505.2 kg/(m2·s), and the heat fluxes were 3.42-34.6 kW/m2. The effects of micro-nano structures surfaces on the heat transfer characteristics at different mass flow rates and heat fluxes were investigated. The experimental results showed that the super-hydrophobic surface had the best heat transfer characteristics under low heat flux, and the minimum superheat required for the onset of nucleate boiling was the lowest, followed by the super-hydrophilic surface. For the overall average heat transfer coefficient, the super-hydrophobic surface maximum increased the heat transfer coefficient by 31.6% relative to the smooth surface under the condition of low heat flux, and the heat transfer coefficient of the super-hydrophilic surface was the largest when the heat flux was raised to a certain value, the maximum heat transfer coefficient was 20.6% higher than the smooth surface heat transfer coefficient. Compared with the super-hydrophobic surface, the super-hydrophilic surface heat transfer coefficient had a smaller proportion of increase, mainly because the super-hydrophilic surface showed the best heat transfer characteristics in the saturated boiling section, and the saturated boiling section had a much larger heat transfer coefficient than single phase flow and sub-cooled boiling section. The super-hydrophilic and super-hydrophobic surfaces had the same micro-nano structures surface. The micro-nano structures surface increased the vaporization cores and the contact area between the refrigerant and the wall surface. The difference was that the super-hydrophobic surface was modified by the fluorosilane solution. Hydrophilic and hydrophobic properties, which affected the detachment of bubbles, making the heat transfer characteristics show different characteristics: the heat transfer characteristics of the super-hydrophobic surface in the region of low heat flux was the best, and super-hydrophilic surface in the region of high heat flux had the best heat transfer characteristics. To continue to increase the heating power, a large number of bubbles were generated in the micro-channel under high heat flux density. Due to the hydrophobic feature of the super-hydrophobic surface, bubbles did not easily separate, the heat transfer begins to deteriorate, and the heat transfer coefficient gradually decreases, even lower than smooth surface.

heat transfer; heat exchangers; micro-nano structures; super-hydrophilic; super-hydrophobic; microchannel

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.028

TK124

A

1002-6819(2018)-20-0216-09

2018-04-17

2018-07-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（21776096）；廣東省石油化工裝備工程技術(shù)研究中心開放基金（2017JJ517010）。

羅小平，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⑼ǖ罁Q熱器相變傳熱、EHD強(qiáng)化沸騰傳熱及其控制。Email：mmxpluo@scut.edu.cn

羅小平，王 文，張超勇，吳 迪. 換熱器鋁基微細(xì)通道微納結(jié)構(gòu)表面制備及其傳熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(20)：216－224. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.028 http://www.tcsae.org

Luo Xiaoping, Wang Wen, Zhang Chaoyong, Wu Di. Micro-nano structures surface preparation and its heat transfer characteristics of aluminum-based microchannel in heat exchangers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 216－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.028 http://www.tcsae.org