姚壽廣,張士禮,宋印東,黃曉干

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)

由于工質(zhì)相變換熱系數(shù)比較大,并具有高熱流密度和低溫差的優(yōu)點．因此,為解決電子器件高熱流密度散熱問題,目前通過改造蒸發(fā)面結(jié)構(gòu)來強化沸騰換熱越來越受到更多學(xué)者的關(guān)注[1-4]．由于金屬泡沫的優(yōu)異性能,其強化沸騰換熱的作用已得到眾多研究者的關(guān)注．文獻(xiàn)[5]研究了泡沫銅孔密度和厚度對沸騰換熱的影響,結(jié)果表明泡沫銅孔密度和厚度之間有合理的匹配．文獻(xiàn)[6]以丙酮為工質(zhì)研究了泡沫銅孔密度對汽泡生長過程的影響，發(fā)現(xiàn)90PPi泡沫銅在較低的過熱度下就發(fā)生了汽泡合并,在較高過熱度下,低孔密度泡沫銅的沸騰換熱性能優(yōu)于高孔密度泡沫銅．隨后分別以光滑表面、微槽道表面和多孔涂層表面為蒸發(fā)壁面進(jìn)行沸騰換熱實驗研究[7-8],實驗結(jié)果表明:微槽道表面和多孔涂層表面的沸騰換熱性能均優(yōu)于光滑表面,在低過熱度下多孔涂層表面的沸騰換熱性能優(yōu)于微槽道表面,在高過熱度下微槽道表面的沸騰換熱性能優(yōu)于多孔涂層表面．并且三維多孔涂層表面的臨界熱流密度為普通表面的3.7倍．文獻(xiàn)[9]中研究了金屬泡沫的材質(zhì)和厚度對沸騰換熱的影響，相比于光滑表面,金屬泡沫延遲了沸騰危機點,隨著金屬泡沫厚度的減少,泡沫銅的沸騰傳熱能力先減小后增強,而泡沫鎳的沸騰傳熱能力增強．隨后又研究了梯度孔金屬泡沫對沸騰換熱的影響[10-11],實驗結(jié)果顯示相對于單一孔徑的金屬泡沫,梯度孔金屬泡沫顯示出更好的沸騰換熱性能．從已有的研究看,對金屬泡沫沸騰換熱的研究多集中于池沸騰換熱,進(jìn)一步考慮蒸發(fā)腔內(nèi)在不同壓力下金屬泡沫沸騰換熱性能的研究還未見報道．文中在不同壓力下對不同孔密度泡沫銅的沸騰換熱性能進(jìn)行試驗研究,考察泡沫銅孔密度及不同壓力對泡沫銅沸騰換熱性能的影響．

1 試驗裝置和數(shù)據(jù)處理

圖1為實驗裝置示意圖，包括電加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).加熱系統(tǒng)是由加熱銅塊、功率儀、智能電量測量儀PF9901和5根額定功率為250W加熱棒組成,加熱銅塊的上表面為直徑30 mm的圓,其余面采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.25W/(m·K)的PEEK板進(jìn)行保溫,以減少漏熱量．冷卻系統(tǒng)主要是冷卻蒸發(fā)腔受熱產(chǎn)生的水蒸汽,并通過調(diào)節(jié)冷卻水流量來調(diào)節(jié)蒸發(fā)腔內(nèi)的壓力．抽真空系統(tǒng)主要由真空閥和真空泵FY-1C-N組成,用于實驗前對系統(tǒng)抽真空．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)由6個熱電偶、1個壓力傳感器、溫度巡檢儀NPXJ-C4000TD0、 MCGS組態(tài)軟件和高速攝像儀組成．熱電偶T1,T2和T3依次放在加熱銅塊軸心線處,間距為18 mm,用來測量熱流密度,T4放置在加熱銅塊上表面中心上方3 mm處,用于測量沸騰容器內(nèi)工質(zhì)的溫度,T5和T6分別放置在蒸汽出口位置和液體回流位置,用于測量沸騰容器出口處蒸汽溫度和回流液體的溫度,壓力傳感器放置在沸騰容器上蓋處,用于測量系統(tǒng)內(nèi)的壓力．沸騰容器的3面共有3塊石英玻璃,高速攝像儀通過石英玻璃捕捉汽泡的動態(tài)圖像,試驗高速攝像儀的拍攝速度為1 000幀/秒,分辨率為640×480像素．

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic of the experimental steup

試驗中所用的泡沫銅采用電沉積法制備,實驗前泡沫銅和加熱銅塊之間通過銅基板連接,先把泡沫銅和2 mm厚的銅基板在高溫爐中燒結(jié)成一體,然后通過線切割加工直徑為30 mm的圓柱,再通過錫粉把銅基板焊接在加熱銅塊上,加熱銅塊和銅基板之間的焊錫厚度約為0.03 mm, 約為熱電偶T1測溫點到銅基板上表面距離的1.0%,其熱阻可忽略不計．試驗中共用4種不同孔密度泡沫銅樣品,參數(shù)如表1．金屬泡沫的結(jié)構(gòu)如圖2．

表1 金屬泡沫的構(gòu)造參數(shù)Table 1 Structure parameters of metallic foam

圖2通孔金屬銅泡沫(放大10倍)

Fig.2Copperfoam(magnifying10times)

試驗步驟:① 按照圖1完成實驗裝置的連接,打開真空泵和真空閥對試驗系統(tǒng)進(jìn)行抽真空至系統(tǒng)內(nèi)壓力為2Pa,然后通過該真空閥向系統(tǒng)內(nèi)充入去離子水,不同壓力下去離子水的物理性質(zhì)如表2,文中實驗充液率為40%(工質(zhì)體積占沸騰容器內(nèi)腔體積的40%)；② 實驗時首先接通加熱棒電源,通過調(diào)節(jié)功率儀控制加熱棒的總輸入功率,同時打開冷卻水泵,通過調(diào)節(jié)水的流速來維持系統(tǒng)內(nèi)壓力為某一恒定值,當(dāng)熱電偶的波動范圍小于0.3 K/20min時,用電腦記錄各個傳感器的數(shù)值和汽泡生長圖像；③ 將加熱功率依次按照2%增加,重復(fù)前述實驗步驟②,直至加熱表面沸騰換熱性能突然惡化(熱電偶的讀數(shù)急劇增大),此時加熱表面熱流密度達(dá)到臨界熱流密度,試驗結(jié)束．更換實驗測試樣品,重復(fù)步驟①、②、③．

表2 不同壓力下去離子水的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of deionized water under different pressures

由于紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于PEEK板的導(dǎo)熱系數(shù),因此可以把紫銅的導(dǎo)熱視為一維導(dǎo)熱,根據(jù)T1,T2,T3的值可以計算出加熱表面的熱流密度:

(1)

(2)

式中：ξ0為T1位置點到銅基板上表面的距離；ξ1為T1和T2位置點之間的距離；ξ2為T2和T3位置點之間的距離；q為熱流密度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為銅基板上表面的溫度．

傳熱面的壁面過熱度為:

ΔT=Tw-Ts

(3)

式中，Ts為工質(zhì)的飽和溫度．

因此加熱表面的沸騰換熱系數(shù)h為:

(4)

在數(shù)據(jù)處理中,為保證測量精度,隨溫度變化對加熱銅塊的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了溫度修正．根據(jù)加熱銅塊的牌號具體擬合得到其導(dǎo)熱系數(shù)為:

λ=-0.068T+410.9

(5)

式中:T=(T1+T2+T3)/3

在計算試驗系統(tǒng)熱流密度誤差和換熱系數(shù)誤差時,按照標(biāo)準(zhǔn)的誤差分析,誤差的主要來源為:經(jīng)標(biāo)定后的熱電偶測量誤差0.5%,熱電偶間距誤差0.4%,經(jīng)溫度修正后的加熱銅塊導(dǎo)熱系數(shù)誤差1%

熱流密度的不確定度為：

(6)

沸騰換熱系數(shù)的不確定度為：

(7)

式中，L為相鄰熱電偶之間的距離．按照標(biāo)準(zhǔn)誤差分析計算出熱流密度的最大不確定度為1.9%,沸騰換熱系數(shù)的最大不確定度為9.15%．

2 結(jié)果與分析

2.1 孔密度對沸騰換熱性能的影響

圖3為在101 kPa下,孔密度為10PPI、40PPI、70PPI和100PPI的4種泡沫銅表面和光滑表面的沸騰傳熱曲線．從圖3中可以看出，在低熱流密度下泡沫銅的沸騰換熱性能明顯好于光滑表面,并且起始沸騰點的過熱度比光滑表面低3～4℃．

圖3 金屬泡沫的沸騰傳熱曲線Fig.3 Boiling curves of copper foam

在同樣厚度和孔隙率下,泡沫銅的整體沸騰換熱性能隨孔密度的增加先提高后降低．主要是由于隨著孔密度的增大,泡沫銅的比表面積增大,并且單位表面積上的汽化核心點數(shù)目增加,這有利于強化換熱．100PPI的沸騰換熱性能卻低于70PPI的沸騰換熱性能,這表明雖然100PPI的比表面積和汽化核心點數(shù)目明顯高于70PPI,但是孔密度越高,孔徑越小,汽泡上升過程中所受的阻力相應(yīng)增加,此時汽泡上升過程中所受阻力帶來的負(fù)面作用大于汽化核心點數(shù)目增多帶來的正面作用．

從圖3(b)中可以看出:當(dāng)熱流密度處于0～94 W/cm2區(qū)域,100PPI的沸騰換熱性能明顯高于10PPI,當(dāng)熱流密度大于94 W/cm2,100PPI的沸騰換熱性能明顯低于10PPI,主要因為在低熱流密度區(qū),100PPI泡沫銅骨架內(nèi)部沒有出現(xiàn)汽泡擁擠現(xiàn)象,汽化核心點數(shù)目多占主導(dǎo)作用,當(dāng)熱流密度高于94 W/cm2,100PPI泡沫銅骨架內(nèi)部發(fā)生了汽泡擁擠現(xiàn)象,因此惡化了傳熱．相對于光滑表面,高孔密度泡沫銅在低熱流密度區(qū)沸騰換熱能力優(yōu)勢明顯,其中當(dāng)熱流密度為13.1 W/cm2時,100PPI的換熱系數(shù)是光滑表面的2.7倍,但在高熱流密度區(qū),其強化沸騰換熱性能優(yōu)勢并不明顯．相對于光滑表面,泡沫銅在一定程度上提高了臨界熱流密度,其中40PPI的臨界熱流密度是光滑表面的1.28倍,這主要是因為泡沫銅的毛細(xì)力,使新鮮的液體及時補充到汽化區(qū),延遲了沸騰危機點．

2.2 汽泡行為的可視化分析

通過可視化觀察發(fā)現(xiàn),隨著熱流密度的增大,光滑表面和泡沫銅表面的汽化核心點數(shù)逐漸增加，汽泡生成的周期縮短．在101 kPa下,光滑表面核態(tài)沸騰過程中汽泡的形態(tài)如圖4,40PPI泡沫銅的汽泡形態(tài)如圖5．

圖4 光滑表面汽泡生長圖像Fig.4 Boiling patterns on the smooth surface

起始沸騰點:當(dāng)熱流密度約為4.2W/cm2時,光滑表面溫度約為108℃時,光滑表面某些位置上有汽泡產(chǎn)生,并且有些汽泡向加熱面中心方向稍微滑移后才離開加熱表面．此時泡沫銅表面的溫度約為105℃,并且汽泡的數(shù)量多,分布較密集,因此出現(xiàn)了圖3(a)40PPI沸騰曲線的起始點左移的現(xiàn)象．

圖5 40PPI泡沫銅汽泡生長圖像Fig.5 Boiling patterns on the 40PPI copper foam surface

孤立汽泡階段:當(dāng)熱流密度達(dá)到32.7W/cm2時,光滑表面上出現(xiàn)了大量汽泡,但是汽泡的位置點雜亂無章．泡沫銅在此熱流密度下生成的汽泡相對規(guī)則,主要由于汽泡在泡沫銅內(nèi)部生成并向上移動的過程中,汽泡不斷的接收能量,直徑不斷增加,但是不斷的被金屬骨架粉碎,因此金屬孔徑的大小限制了汽泡的大小,并且汽泡從泡沫銅某些汽化核心點像火焰一樣噴發(fā)而出,汽泡的脫離頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光滑表面,汽泡的總體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光滑表面汽泡的總體積,這很好地解釋了圖3(b)中該階段泡沫銅的沸騰換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光滑表面的換熱系數(shù)．

汽泡合并階段:當(dāng)熱流密度達(dá)到89.6 W/cm2時,汽泡在上升的過程中擾動劇烈,導(dǎo)致汽泡的脫離頻率變快,加熱壁面上的小汽泡橫向合并成大汽泡,光滑表面出現(xiàn)了比較明顯的蘑菇狀蒸汽泡,而泡沫銅表面出現(xiàn)的是蒸汽塊．當(dāng)熱流密度達(dá)到114.1 W/cm2時,光滑表面上的汽泡在上升的過程中也出現(xiàn)合并,逐漸在加熱面上形成蒸汽柱．而泡沫銅表面上是大量的蒸汽塊,并且在上升過程中有少量合并．通過圖4、5發(fā)現(xiàn)在汽泡合并階段,相對于光滑表面,金屬銅泡沫表面汽泡的總體積大的優(yōu)勢越來越不明顯,這很好的解釋了圖3(b)中:在高熱流密度下,泡沫銅的強化沸騰換熱性能并不明顯．由于泡沫銅表面產(chǎn)生的汽泡較多,為了拍攝泡沫銅表面汽泡的全景圖,激光的照射范圍調(diào)大了,所以出現(xiàn)了泡沫銅表面汽泡圖像偏暗．

2.3 壓力對泡沫銅表面沸騰換熱性能的影響

圖6分別給出了光滑表面和不同孔密度泡沫銅在壓力70、101、143 kPa下的沸騰換熱系數(shù)曲線,圖6表明光滑表面的換熱系數(shù)和臨界熱流密度均隨壓力的增大而提高,其中光滑壁面在143 kPa和70 kPa下的臨界熱流密度比值為1.20,換熱系數(shù)的比值在熱流密度為13.1W/cm2達(dá)到最大值1.31．但泡沫銅的沸騰換熱性能并不是單一的隨壓力變化而變化,不同孔密度泡沫銅對壓力變化的敏感程度是不一樣的,在試驗參數(shù)測試范圍內(nèi),10PPI的泡沫銅的沸騰換熱性能隨壓力變化而變化的趨勢和光滑表面比較接近,40PPI的泡沫銅對壓力的變化表現(xiàn)不敏感,但是70PPI的泡沫銅沸騰換熱性能隨壓力變化而變化的趨勢和光滑表面相反,壓力越高,70PPI的泡沫銅在熱流密度超過20 W/cm2時,沸騰換熱性能反而下降,相對于70PPI,100PPI泡沫銅沸騰換熱性能下降趨勢更為明顯,其中100PPI泡沫銅在70、143 kPa下的臨界熱流密度比值為1.14,換熱系數(shù)的比值在熱流密度為109.0W/cm2達(dá)到最大值1.32,對于這種現(xiàn)象的原因可能是:隨著壓力的提高,一些潛在的汽化核心點被激化,因此光滑表面的換熱系數(shù)和臨界熱流密度均隨壓力的增大而提高．而對于孔徑比較小的泡沫銅,當(dāng)汽化核心點數(shù)目增加到一定數(shù)量時,汽泡容易在金屬骨架內(nèi)堵塞,新鮮的液體不能及時補充到金屬骨架內(nèi)部,因此惡化了其沸騰換熱性能．

圖6 不同壓力下泡沫銅的沸騰換熱系數(shù)曲線Fig.6 Boiling heat transfer coefficient curves of copper foams under different pressures

2.4 文中試驗結(jié)果與其他文獻(xiàn)的比較

圖7為光滑表面試驗結(jié)果與前人的實驗結(jié)果對比的折線,從圖中可以看出文中的試驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[12-13]的試驗數(shù)據(jù)比較相近,尤其當(dāng)熱流密度處于40～100W/cm2,文中的試驗曲線幾乎和文獻(xiàn)[12]中的曲線重合,但是在高熱流密度時,稍有不同,并且臨界熱流密度低于文獻(xiàn)[12-13]中臨界熱流密度．文獻(xiàn)[12-13]中所用的加熱表面都小于文中試驗所用的加熱表面,因此文中試驗測定的臨界熱流密度小于他們測定的臨界熱流密度是合理的．

圖7 光滑表面沸騰換熱曲線Fig.7 Boiling curves of smooth surface

其次是加熱表面的特性(材質(zhì),粗糙度和潤濕性)的不同;再次是試驗臺架的其他因素(如工質(zhì)中的含氣量、系統(tǒng)內(nèi)壓力和加熱銅柱的取值等)的不同,熱電偶的布置位置和精度的不同．

文獻(xiàn)[5]中在一個大氣壓下探究了孔密度分別為30PPI、60PPI和90PPI的泡沫銅在不同過冷度下的沸騰換熱性能,當(dāng)過冷度為0時,在試驗參數(shù)范圍內(nèi),泡沫銅的沸騰換熱性能隨孔密度的增加先增大后減小,與本文的試驗結(jié)果相同,并且文中試驗100PPI的泡沫銅在高熱流密度區(qū)沸騰換熱能力惡化,文獻(xiàn)[5]中90PPI泡沫銅的沸騰換熱性能在高熱流密度區(qū)也出現(xiàn)惡化現(xiàn)象．

3 結(jié)論

(1) 泡沫銅在低熱流密度區(qū)強化沸騰換熱顯著,并且起始沸騰點所需的過熱度比光滑表面低3～4℃,在較高熱流密度下,泡沫銅強化沸騰換熱的能力并不明顯．在試驗參數(shù)范圍內(nèi),泡沫銅的沸騰換熱能力隨孔密度的增大先增強后減弱．

(2) 高孔密度泡沫銅的沸騰換熱性能隨壓力的升高而降低,低孔密度泡沫銅的沸騰換熱性能隨壓力的變化和光滑表面比較接近．

(3) 在一定熱流密度下,泡沫銅表面的汽泡像火焰噴出,呈串珠狀,而光滑表面的汽泡是雜亂無章的．單從泡沫銅表面無法看出泡沫銅表面汽泡之間明顯的區(qū)別,需進(jìn)一步探究泡沫銅內(nèi)部汽泡的成長模式．