曹海亮，張紅飛，左潛龍，安琪，張子陽，劉紅貝

（鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

引 言

由于具有傳熱系數(shù)高、相變潛熱大的優(yōu)點，沸騰換熱常用于化工、熱能動力工程、核反應(yīng)工程和大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域的高熱通量換熱過程。為了進一步強化沸騰換熱性能，一些學(xué)者對沸騰換熱的諸多影響因素進行了研究，主要涉及沸騰表面的性質(zhì)[1-3]，沸騰表面的結(jié)構(gòu)[4-6]，沸騰工質(zhì)的性質(zhì)[7-9]，沸騰室內(nèi)部的壓力[10-11]，重力[12]等對熱通量與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。通過對沸騰換熱表面結(jié)構(gòu)的大量研究得出，微槽道換熱表面具有很好的池沸騰換熱性能[13-18]。

Zhou等[19]對不同形狀槽道表面的沸騰換熱性能進行了研究，結(jié)果表明，與橫截面形狀為V形和倒梯形的槽道表面相比，橫截面形狀為圓形和梯形的槽道表面具有更快的氣泡生成速度，槽內(nèi)工質(zhì)溫度更接近沸騰表面溫度。Das等[20]研究了傾斜不同角度（30°、45°、60°、90°）的矩形微槽表面的沸騰換熱性能，結(jié)果表明，從90°微槽表面到45°微槽表面，其換熱性能逐漸增強，30°微槽表面的換熱性能與45°微槽表面相比有所降低，具有45°傾角的微槽表面具有更好的換熱性能。Jaikumar等[21]采用燒結(jié)涂層方法制備了寬度為762μm、深度為400μm及肋寬度為200μm的燒結(jié)涂層微槽道表面，研究了其在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、以去離子水為工質(zhì)時的沸騰換熱性能。結(jié)果表明，在表面過熱度為7.5 K時，全覆蓋表面的臨界熱通量為3.1×106W·m-2，為光滑表面臨界熱通量的2.4倍；該表面最高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5.7×105W·m-2·K-1，為光滑表面最高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的6.5倍。

由于氣泡在槽道內(nèi)長大過程中會阻礙液體向槽道底部補充，于是一些學(xué)者采用多孔介質(zhì)金屬制作了Ω形、方柱陣列等池沸騰換熱表面來強化工質(zhì)的回流[22-23]。Ω形微槽道能夠增加沸騰表面的換熱面積，提高氣泡的脫離頻率及促進工質(zhì)的回流[24-26]。Deng等[26]以去離子水和乙醇為工質(zhì)研究了具有Ω形微槽道的多孔介質(zhì)表面的沸騰換熱性能。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)能夠顯著減小沸騰表面起始沸騰時的表面過熱度，使沸騰表面在以水和乙醇為工質(zhì)時的換熱性能與光滑表面相比分別增強了3.0倍和5.3倍。

許多學(xué)者的研究使池沸騰換熱性能得到了提高，但仍存在較低表面過熱度時熱通量較低，制作工藝復(fù)雜的問題。從實際應(yīng)用角度來考慮，在較低表面過熱度條件下?lián)碛懈邿嵬康谋砻婢哂懈玫膶嶋H應(yīng)用價值。通過對前人研究的總結(jié)，本文提出了一種具有梯形微槽道結(jié)構(gòu)的表面，并對不同尺寸的梯形微槽道表面的池沸騰換熱性能進行了可視化實驗研究。

1 可視化實驗設(shè)計

1.1 梯形微槽道表面

梯形微槽道表面的結(jié)構(gòu)如圖1所示，不同梯形微槽道表面的尺寸參數(shù)如表1所示，各梯形微槽道被加工在橫截面為15.0 mm×15.0 mm的紫銅柱上表面。為了得到光滑表面，使用目數(shù)為1000(15μm)、2000(7.5μm)、3000(5μm)、4000(3.75μm)的砂紙對換熱表面進行打磨，直至其表面粗糙度滿足光滑平面條件（Ra<0.9μm），并依次用稀鹽酸、丙酮、去離子水清洗微槽道表面并吹干。在紫銅柱上加工出五個間距為5.0 mm的圓孔用來設(shè)置熱電偶。

圖1 梯形微槽道表面的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of trapezoidal microchannel surface

表1 微槽道表面的結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structural dimensions of microchannel surfaces

1.2 實驗臺搭建

實驗系統(tǒng)如圖2所示，包括主加熱裝置、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、沸騰室、輔助加熱器、冷凝系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)。主加熱裝置由7個100 W加熱棒組成，用來為沸騰表面提供熱量。溫度監(jiān)測系統(tǒng)由7個K型熱電偶、安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集儀以及CHB702溫度控制器組成，其中，5個K型熱電偶被焊接在紫銅柱的孔內(nèi)（從上到下分別為T1～T5），使熱電偶準(zhǔn)確測量相應(yīng)位置溫度；2個K型熱電偶（T6、Tl）深入去離子水中，用來監(jiān)測沸騰室內(nèi)去離子水的溫度。輔助加熱器由4塊硅膠加熱片組成，用于保證沸騰室內(nèi)去離子水始終處于飽和溫度狀態(tài)。冷凝系統(tǒng)由蛇形冷凝管和冷卻水供給裝置組成，其作用是對沸騰室內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽進行冷凝，以維持沸騰室內(nèi)去離子水的量不變以及沸騰室內(nèi)壓力恒定。高速攝像系統(tǒng)由Phantom高速攝像機、光源、計算機組成，用來記錄沸騰室內(nèi)沸騰換熱表面上的氣泡行為。高速攝像機的拍攝速率為7000幀/秒，分辨率為384×288。實驗獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)與圖像被存儲在計算機中。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

1.3 實驗過程和數(shù)據(jù)處理

往沸騰室內(nèi)注入去離子水，液面距離沸騰換熱表面60.0 mm。用加熱裝置對去離子水進行加熱，直至達到沸騰，維持沸騰狀態(tài)3 min，然后，關(guān)閉加熱器使去離子水自然冷卻至室溫。對此過程重復(fù)三遍，排除沸騰表面槽道內(nèi)的氣體。在實驗中，主加熱裝置的起始功率為5 W，在每次調(diào)節(jié)加熱功率后，當(dāng)K型熱電偶測到的溫度值在10 min內(nèi)波動小于0.2 K時，認(rèn)為系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在紫銅柱上測出5組溫度數(shù)據(jù)（T1～T5），其呈現(xiàn)出一維線性分布，運用最小二乘法可得紫銅柱軸向的溫度分布公式[27]：

式中，Ti為第i個測溫點處紫銅柱的溫度,℃；xi為第i個測溫點到沸騰表面的距離，mm；β0為回歸函數(shù)的截距；β1為回歸函數(shù)的回歸系數(shù)（斜率）。

紫銅柱的任何橫截面上熱通量都相等，沸騰表面的熱通量可表示為：

式中，λ為紫銅的熱導(dǎo)率，取為389 W·m-1·K-1。

沸騰表面的表面過熱度為：

式中，Tw為沸騰表面的溫度，℃；Tl為沸騰室內(nèi)去離子水的溫度，℃。

沸騰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h由熱通量與表面過熱度計算得到：

1.4 實驗數(shù)據(jù)的不確定性

紫銅柱上各熱電偶孔的位置誤差為δΔx=±0.01mm；K型 熱 電 偶 的 測 溫 誤 差 為δT=±0.3K。表面過熱度、熱通量、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的相對誤差采用誤差傳遞計算方法[28]計算得出，其最大值均小于10%，處于可以接受的誤差范圍，實驗結(jié)果是可靠的。

1.5 實驗系統(tǒng)可靠性

用實驗獲得的光滑表面的沸騰曲線與李蘭蘭[29]測出的光滑平面的沸騰曲線及利用Rohsenow的大容器飽和核態(tài)沸騰無量綱關(guān)聯(lián)式[30]計算出的沸騰曲線作對比，來驗證實驗裝置的可靠性。光滑平面的熱通量隨表面過熱度變化曲線如圖3所示，可以看出三條曲線基本一致，說明實驗系統(tǒng)具有很高的可靠性。

圖3 光滑平面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.3 Heat flux varies with the surface superheat on the smooth surface

2 實驗結(jié)果分析

在環(huán)境壓力、以去離子水為工質(zhì)并處于接近飽和溫度的條件下，實驗測試了9種梯形微槽道表面的強化沸騰換熱性能，用來研究梯形微槽道表面的槽道尺寸對其熱通量、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。

2.1 梯形微槽道表面的槽道尺寸對熱通量的影響

沸騰表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線如圖4所示，從圖中可以看出，D1.2-45-6表面的起始沸騰表面過熱度為2.1 K；在ΔT=8.3 K時，其熱通量為1.2×106W·m-2，該值約為相同表面過熱度條件下光滑表面熱通量的24.0倍。D0.8-65-7表面在ΔT=13.2 K時，其熱通量為1.3×106W·m-2，為在此表面過熱度下光滑表面熱通量的6.2倍。由此可知，在較低的表面過熱度時，梯形微槽道結(jié)構(gòu)表面具有更好的換熱性能。

圖4 沸騰表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.4 Heat flux varies with the surface superheat on the boiling surface

為了進一步驗證梯形微槽道表面的池沸騰換熱性能，本文選取四種不同的沸騰換熱表面作對比，其在標(biāo)準(zhǔn)壓力下、以去離子水為工質(zhì)時的熱通量隨表面過熱度變化曲線如圖5所示。Jaikumar等[31]研究了槽寬0.3 mm、槽深0.4 mm、肋頂端覆蓋燒結(jié)涂層表面的熱通量隨表面過熱度變化情況；張楠[32]研究了槽寬0.6 mm、槽深0.9 mm多孔介質(zhì)微槽道表面的熱通量隨表面過熱度變化情況；鄭曉歡[27]研究了超親水表面的熱通量隨表面過熱度變化情況；周述璋等[18]研究了槽深1.0 mm、槽寬0.4 mm、槽道個數(shù)為3個、相鄰槽道夾角為45°表面的熱通量隨表面過熱度變化情況。從圖5中可以看出，在較低表面過熱度時，D1.2-45-6表面的換熱性能與其他表面相近。在ΔT=8.3 K時，D1.2-45-6表面的熱通量為1.2×106W·m-2，其他表面的熱通量均在4.0×105W·m-2以下，為其他表面熱通量的3倍以上。與其他表面相比，D1.2-45-6表面的沸騰換熱性能更好，梯形微槽道表面具有良好的沸騰換熱性能。

圖5 熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.5 Heat flux curve with surface superheat

2.1.1 梯形微槽道表面下底角角度對熱通量的影響 圖6為D=1.2 mm表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線圖，從圖中可以看出：

圖6 D=1.2 mm表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.6 Heat flux varieswith the surface superheat on the surface of D=1.2 mm

（1）在ΔT<5 K時，D1.2-45-6表面的沸騰換熱曲線略高于其他兩種表面，D1.2-55-6表面的沸騰換熱曲線與D1.2-65-6表面基本一致。在D=1.2 mm的表面中，φ=45°、55°、65°三種結(jié)構(gòu)表面的起始沸騰表面過熱度分別為2.1、2.6、3.1 K。φ=45°表面的起始沸騰表面過熱度較低。對于梯形微槽道表面，其微槽道橫截面周長與槽道開口長度之比較大，使槽道內(nèi)的換熱表面積相對較大，熱通量較高，槽道內(nèi)部工質(zhì)的溫度較為接近壁面溫度，更容易產(chǎn)生汽化核心。梯形微槽道下底角處容易俘獲氣體且下底角角度較小的槽道俘獲氣體的能力更強，更容易產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致φ=45°表面在低表面過熱度時具有更好的換熱性能。

（2）在5 K<ΔT<6 K時，隨著表面過熱度的提高，三種表面的熱通量快速增加。在快速增長區(qū)內(nèi)，隨著表面過熱度的提高，三種表面的槽道內(nèi)部活化核心數(shù)目增加、氣泡脫離直徑增大、氣泡脫離頻率增加。以D1.2-65-6表面為例，對于某個成核位點，使用“米”字方法，從四個方向測量氣泡直徑，重復(fù)測量五次并取其平均值為該位點氣泡脫離直徑；通過測量該成核位點處生成30個氣泡所用時間來計算該位點處氣泡生成頻率。然后對五個成核位點的氣泡脫離直徑與氣泡脫離頻率取平均值，作為該表面此熱通量下的氣泡脫離直徑和氣泡脫離頻率。D1.2-65-6表面上氣泡的脫離直徑（d）與脫離頻率（f）隨著熱通量變化曲線如圖7所示，可以看出，隨著熱通量的提高，沸騰表面上氣泡的脫離直徑和脫離頻率都在增加。這種現(xiàn)象解釋了此階段沸騰表面的熱通量快速提高的原因。在氣泡的脫離直徑和脫離頻率增加到一定程度之后，其增加速度減緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：此階段，沸騰表面的表面過熱度增量較小，氣泡生長過程中吸收的熱量增加緩慢，使氣泡的脫離直徑和脫離頻率增加速度降低。此時，沸騰換熱性能的增強主要依賴于活化核心數(shù)目的增多。D1.2-65-6表面上的氣泡生成狀態(tài)如圖8所示，可以看出，隨著熱通量的提高，沸騰表面上產(chǎn)生的氣泡數(shù)目增多且氣泡間出現(xiàn)融合現(xiàn)象。因此，隨著表面過熱度的增加，D1.2-65-6表面的氣泡增多，脫離直徑增大，脫離頻率提高，使其熱通量快速提高。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：D1.2-45-6表面的下底角角度更小，對氣體的俘獲能力更強，更容易產(chǎn)生氣泡，致使其能在更低的表面過熱度情況下產(chǎn)生更多的活化核心，進而獲得更好的換熱性能。

圖7 D1.2-65-6表面上氣泡的脫離直徑與脫離頻率隨著熱通量變化曲線Fig.7 Bubble detachment diameter and detachment frequency vary with heat flux on the surface of D1.2-65-6

圖8 D1.2-65-6表面上的氣泡生成狀態(tài)Fig.8 Bubble formation state on the surface of D1.2-65-6

（3）在ΔT>6 K時，三種表面的沸騰曲線呈現(xiàn)出D1.2-45-6表面最高、D1.2-55-6表面次之、D1.2-65-6表面最低的情況。在ΔT=8.3 K時，D1.2-45-6表面的熱通量為1.2×106W·m-2；在ΔT=10.1 K時，D1.2-65-6表面的熱通量為1.2×106W·m-2，兩者相差1.8 K。沸騰表面的活化核心達到一定數(shù)量后，不能夠持續(xù)增加，要獲得更強的換熱能力需要提高其表面過熱度，以此來加快氣泡生長。此階段，氣泡已經(jīng)在整個換熱表面產(chǎn)生，活化核心數(shù)目基本保持不變，影響沸騰換熱性能的主要因素為氣泡的生成速率。工質(zhì)的回流速度對于氣泡生成具有很大影響，回流速度越快越有利于氣泡的生成與脫離。經(jīng)電火花線切割之后的紫銅表面呈現(xiàn)出弱親水性[33]，使梯形微槽道的下底角處對去離子水具有較強的毛細(xì)作用力，且夾角越小毛細(xì)作用力越強。D1.2-45-6表面的下底角較小，具有更強毛細(xì)作用力，工質(zhì)回流速度最快，具有更強的換熱性能。

綜上所述，對于D=1.2 mm的梯形微槽道表面，當(dāng)其具有較小的下底角時，更容易產(chǎn)生氣泡且工質(zhì)回流速度更快，使其具有更好的沸騰換熱性能。

圖9、圖10分別為D=1.0 mm表面和D=0.8 mm表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線圖，從兩圖中可以看出：在D=1.0 mm的表面中，φ=45°、55°、65°三種結(jié)構(gòu)表面的起始沸騰表面過熱度分別為1.4、2.5、3.7 K。在D=0.8 mm的表面中，這三種結(jié)構(gòu)表面的起始沸騰表面過熱度分別為4.3、5.1、5.2 K。在相同下底長度的梯形微槽道表面中，具有較小下底角的表面的起始沸騰表面過熱度更低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：具有較小下底角的梯形微槽道表面對氣體的俘獲作用更強，更容易激活活化核心，產(chǎn)生氣泡。雖然梯形微槽道表面可以在較低的表面過熱度下達到核態(tài)沸騰狀態(tài)，但在開始階段熱通量增加速度較慢。對于這種現(xiàn)象，本實驗利用Phantom高速攝像機記錄了各沸騰表面的氣泡生成過程。通過觀察各梯形微槽道表面在不同表面過熱度情況下氣泡生成狀態(tài)得出，隨著沸騰表面的表面過熱度增加，氣泡數(shù)量增多，脫離直徑增大，脫離頻率提高。此現(xiàn)象與前人[32]所得結(jié)論一致，不做贅述。在較低表面過熱度時，隨著表面過熱度的提高，沸騰表面開始產(chǎn)生氣泡，形成核態(tài)沸騰。以D1.0-45-7表面為例，圖11為不同熱通量下D1.0-45-7表面氣泡生成狀態(tài)圖，可以看出，梯形微槽道表面的起始沸騰位置在微槽道兩端位置。隨著表面過熱度的增加，槽道兩端氣泡生成加快，沸騰表面中心位置氣泡較少。由此可知，梯形微槽道表面的槽道兩端更容易產(chǎn)生氣泡，表面中心位置產(chǎn)生氣泡較難。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：梯形微槽道表面的槽道深度為1.0 mm、開口寬度為0.4 mm，氣泡在表面中心區(qū)域的脫離阻力較大，而梯形微槽道兩端位置氣泡的脫離阻力較小，導(dǎo)致氣泡更容易在梯形微槽道兩端生成與脫離。

圖9 D=1.0 mm表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.9 Heat flux varies with the surface superheat on the surface of D=1.0 mm

圖10 D=0.8 mm表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.10 Heat flux varies with the surface superheat on the surface of D=0.8 mm

圖11 不同熱通量下D1.0-45-7表面氣泡生成狀態(tài)Fig.11 State of bubble formation on D1.0-45-7 surface under different heat flux

對比圖6、圖9和圖10可知，不同下底長度的梯形微槽道表面的換熱性能為：φ=45°表面>φ=55°表面>φ=65°表面。較小的下底角可以對氣體產(chǎn)生更強俘獲作用，有利于氣泡的生長以及產(chǎn)生較強的毛細(xì)作用力，有利于工質(zhì)的回流，從而使沸騰換熱表面具有更低的起始沸騰表面過熱度及在較高表面過熱度時具有更高的熱通量。

2.1.2 梯形微槽道表面下底長度對熱通量的影響圖12為φ=65°表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線圖，從圖中可以看出：在φ=65°的表面中，D為1.2、1.0、0.8 mm的三種結(jié)構(gòu)表面的起始沸騰表面過熱度分別為3.1、3.7、5.2 K。D=1.2 mm表面具有最低的起始沸騰表面過熱度，D=0.8 mm表面具有最高的起始沸騰表面過熱度，即下底長度較大的表面具有較低的起始沸騰表面過熱度。隨著表面過熱度的增加，在ΔT=5.8 K時，D1.2-65-6表面的熱通量開始快速提高；在ΔT=7.3 K時，D1.0-65-6表面和D0.8-65-6表面的熱通量才開始快速提高；與D1.2-65-6表面相比，后兩者的熱通量增速明顯較低。從整體來看，D1.2-65-6表面具有最好的沸騰換熱性能，D1.0-65-7表面次之，D0.8-65-7表面最差。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是：隨著下底長度的增加，梯形微槽道下底角的深度增加，下底角處的周長增加。在相同表面過熱度時，微槽內(nèi)的熱通量更高，下底角處對氣體的俘獲能力增強，有利于氣泡的生長融合，故D=1.2 mm表面的起始沸騰表面過熱度更低且在低的表面過熱度時能夠產(chǎn)生更多的氣泡，使熱通量快速提高。同時，根據(jù)毛細(xì)作用力的性質(zhì)可知，較大潤濕周長將產(chǎn)生較大毛細(xì)作用力。較大的下底長度使下底角處的周長增大，增強了下底角處的毛細(xì)作用力，有利于液態(tài)工質(zhì)回流，在表面過熱度較高時能夠更快產(chǎn)生氣泡，使梯形微槽道表面達到更高的熱通量。因此，D1.2-65-6表面具有更好的沸騰換熱性能。

圖12 φ=65°表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.12 Heat flux varies with the surface superheat on the surface ofφ=65°

圖13、圖14分別為φ=55°、45°兩種結(jié)構(gòu)表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線圖，從兩圖中可以看出：在較高熱通量時，φ=45°、55°兩種結(jié)構(gòu)表面的沸騰換熱曲線呈現(xiàn)出的規(guī)律與φ=65°表面相同。在低熱通量時，通過對比圖12～圖14可以得出，當(dāng)梯形微槽道表面的下底角角度一定時，D=1.2 mm表面與D=1.0 mm表面的起始沸騰表面過熱度相差不大，均明顯低于D=0.8 mm表面的起始沸騰表面過熱度。D1.0-45-7表面的起始沸騰表面過熱度為1.4 K，D0.8-45-7表面的起始沸騰表面過熱度為4.3 K，兩者相差2.9 K。圖15為D1.0-45-7表面與D0.8-45-7表面氣泡生成狀態(tài)圖，從圖中可以看出，在兩者熱通量相差不大時，氣泡均在槽道兩端位置生成，D1.0-45-7表面產(chǎn)生的氣泡數(shù)量和脫離頻率明顯高于D0.8-45-7表面。兩者氣泡脫離直徑基本一致，而D1.0-45-7表面的氣泡脫離頻率為25.1 Hz，D0.8-45-7表面為6.3 Hz。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：D1.0-45-7表面具有較大的下底長度，對氣體的俘獲作用更強，有利于氣泡的生成，導(dǎo)致其起始沸騰表面過熱度更低。

圖13 φ=55°表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.13 Heat flux varies with the surface superheat on the surface ofφ=55°

圖14 φ=45°表面的熱通量隨表面過熱度變化曲線Fig.14 Heat flux varies with the surface superheat on the surface ofφ=45°

圖15 D1.0-45-7表面與D0.8-45-7表面氣泡生成狀態(tài)Fig.15 Bubble formation states on surface of D1.0-45-7 and D0.8-45-7

2.2 梯形微槽道表面的槽道尺寸對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖16是沸騰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱通量變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著熱通量的增加，各種表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均在逐漸提高，增加速度逐漸變慢。當(dāng)下底長度、熱通量一定時，隨著下底角角度的減小，梯形微槽道表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；下底角度、熱通量一定時，隨著下底長度的增大，梯形微槽道表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大。這是由于下底長度增大、下底角角度減小可以增強微槽道內(nèi)氣泡的生長和工質(zhì)的回流，使梯形微槽道表面可以更快產(chǎn)生氣泡，具有更高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

圖16 沸騰表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨熱通量變化曲線Fig.16 Heat transfer coefficient varies with the heat flux on the boiling surface

各梯形微槽道表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均高于光滑表面。光滑表面在熱通量為1.1×106W·m-2時有最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（3.9×104W·m-2·K-1）。各梯形微槽道表面的熱通量達到實驗的最大值時，取得最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的為D1.2-45-6表面，其在熱通量為1.2×106W·m-2時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.5×105W·m-2·K-1，為光滑表面最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的3.8倍；取得最小表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表面為D0.8-65-7表面，其在熱通量為1.3×106W·m-2時的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為9.5×104W·m-2·K-1，為光滑表面最大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的2.4倍。此階段，沸騰表面的熱通量較高，活化核心數(shù)目基本保持不變，工質(zhì)的回流速度對氣泡生長的影響增強。與光滑表面相比，梯形微槽道表面的下底角處提供較強毛細(xì)作用力，可以加快工質(zhì)回流。下底長度較大、下底角角度較小的梯形微槽道表面能夠提供更強的毛細(xì)作用力，工質(zhì)回流速度更快。因此，D1.2-45-6表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)更大。由此可知，當(dāng)梯形微槽道表面具有較大的下底長度、較小的下底角時，可以獲得更高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，使其具有優(yōu)良的沸騰換熱性能。

3 結(jié) 論

本文提出了一種新型的具有梯形微槽道結(jié)構(gòu)的表面，研究了不同尺寸的梯形微槽道表面在環(huán)境壓力下去離子水的飽和池沸騰換熱性能，并利用Phantom高速攝像機記錄了沸騰表面氣泡的生成情況。通過對不同沸騰換熱表面性能的對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）梯形微槽道表面具有較低的起始沸騰表面過熱度。在實驗測試的表面中，梯形微槽道表面起始沸騰表面過熱度范圍為1.4～5.2 K，而光滑表面的起始沸騰表面過熱度為5.9 K。

（2）在較低表面過熱度的情況下，梯形微槽道表面能達到較高的熱通量。實驗中，梯形微槽道表面所達到的最大熱通量為相同表面過熱度條件下光滑表面熱通量的6.2～24.0倍。梯形微槽道表面的下底角能夠俘獲氣體、增加槽內(nèi)表面積和產(chǎn)生較強的毛細(xì)作用力，有利于氣泡的生成和液態(tài)工質(zhì)回流，從而大大提高了沸騰換熱性能。

（3）具有較小下底角角度和較大下底長度的梯形微槽道表面可以獲得更強的沸騰換熱性能。下底角角度越小、下底長度越長，梯形微槽道結(jié)構(gòu)俘獲氣體的能力和毛細(xì)作用力越強，有利于汽化核心的生成與液態(tài)工質(zhì)的回流，使梯形微槽道表面具有更強的池沸騰換熱性能。

符號說明

d——氣泡脫離直徑，mm

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·m-2·K-1

T1～T5——K型熱電偶測得的紫銅柱孔內(nèi)溫度，℃

T6——CHB702溫控器的監(jiān)測溫度，℃