楊振，姚元鵬，2，李昀，吳慧英

（1上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240； 2諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院，英國(guó) 諾丁漢NG7 2RD）

引 言

沸騰相變過(guò)程能夠充分利用工質(zhì)潛熱、實(shí)現(xiàn)高效傳熱，因而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片、高功率激光器及雷達(dá)等電子器件熱管理領(lǐng)域[1-4]。針對(duì)日益增加的散熱需求，復(fù)合工質(zhì)例如存在鏈?zhǔn)椒序v強(qiáng)化模式的水包油型非共沸乳液，為在有限散熱面積上進(jìn)一步提升散熱速率提供了可能。上述復(fù)合工質(zhì)通常需依賴表面活性劑穩(wěn)定分散相并使其均布于體相，以保證其最佳熱物性。其中，Tween20（山梨醇酐單月桂酸酯聚氧乙烯）與Span20（山梨醇單月桂酸酯）均是配制傳熱強(qiáng)化復(fù)合工質(zhì)的關(guān)鍵添加劑，且二者復(fù)配（Tween20-Span20）后能夠進(jìn)一步提升分散相的穩(wěn)定性[5-6]，近年來(lái)在復(fù)合工質(zhì)傳熱領(lǐng)域不斷受到研究者關(guān)注。

對(duì)于Tween20，研究人員重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)純水工質(zhì)飽和池沸騰傳熱特性或復(fù)合工質(zhì)噴霧冷卻沸騰相變傳熱特性影響。其中，Wu 等[7]開展了水平不銹鋼管外Tween20-水溶液飽和池沸騰實(shí)驗(yàn)研究（熱通量為300 kW·m-2），研究發(fā)現(xiàn)Tween20 可將水的傳熱系數(shù)提升18%。此外，Ravikumar 等[8]將Tween20 用作乙醇-水噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)中的工質(zhì)添加劑，結(jié)果表明添加Tween20 后乙醇-水溶液的冷卻速率提升了28%。他們將這一結(jié)果歸因于Tween20 與乙醇并存大幅降低了表面張力，這使得工質(zhì)在加熱面上能夠以更快的速度鋪展。Bhatt等[9]研究了膜態(tài)沸騰狀態(tài)下，Tween20 對(duì)乙醇-水溶液噴霧冷卻相變過(guò)程的影響，并指出Tween20 對(duì)乙醇發(fā)泡能力的抑制是導(dǎo)致表面散熱速率提升的原因。進(jìn)一步，Ravikumar 等[10]在水-Al2O3納米流體噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)中分別以Tween20 和鈉十二烷基硫酸鹽（SDS）作為穩(wěn)定劑。研究發(fā)現(xiàn)，Tween20 能比SDS 更顯著地降低基液表面張力和黏度，因而具有更好的傳熱強(qiáng)化效果。由以上分析可見(jiàn)，Tween20 能夠強(qiáng)化純水工質(zhì)飽和沸騰傳熱與復(fù)合工質(zhì)噴霧冷卻沸騰相變，但鑒于水包油（油相沸點(diǎn)低于水）型乳液等復(fù)合工質(zhì)過(guò)冷運(yùn)行工況，仍亟需探索Tween20 對(duì)純水工質(zhì)過(guò)冷沸騰傳熱特性影響規(guī)律。

對(duì)于Span20，不同于Tween20 沸騰強(qiáng)化效果研究，目前研究重點(diǎn)在于分析其對(duì)基液?jiǎn)蜗鄠鳠崽匦缘挠绊?。如Dombek 等[11]測(cè)定了添加Span20 前后基液的熱物性參數(shù)（包括熱導(dǎo)率、密度、熱膨脹系數(shù)和黏度），進(jìn)而分析了兩種工況下工質(zhì)的導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱特性。結(jié)果表明，Span20 除了使基液黏度增加之外，對(duì)其余熱物性參數(shù)沒(méi)有顯著影響，因此不會(huì)干擾工質(zhì)的單相傳熱過(guò)程。此外，Lin等[12]通過(guò)復(fù)配表面活性劑（Span20、Span80、Tween20、Tween80）制備了高穩(wěn)定性的油-Al2O3納米流體，經(jīng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)復(fù)配表面活性劑的存在除使得納米流體熱導(dǎo)率輕微下降之外，并未影響其余熱物性參數(shù)。但基于復(fù)合工質(zhì)沸騰兩相傳熱運(yùn)行工況的考慮，有必要開展Span20 與Tween20-Span20 對(duì)純水工質(zhì)沸騰傳熱特性影響的實(shí)驗(yàn)研究。

綜上所述，Tween20、Span20 與Tween20-Span20復(fù)配表面活性劑為配制傳熱強(qiáng)化復(fù)合工質(zhì)（如水包油型非共沸乳液）的關(guān)鍵添加劑，但現(xiàn)有研究工作均未同時(shí)關(guān)注“純水工質(zhì)”和“過(guò)冷狀態(tài)”來(lái)系統(tǒng)研究上述表面活性劑對(duì)池沸騰強(qiáng)化效果及傳熱機(jī)理。一方面，研究純水工質(zhì)本身添加上述表面活性劑，不僅能夠?yàn)楹罄m(xù)復(fù)合工質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究提供基準(zhǔn)對(duì)照依據(jù)，同時(shí)也能為復(fù)合流體工質(zhì)配制提供相應(yīng)指導(dǎo)；另一方面，研究“過(guò)冷狀態(tài)”是針對(duì)水包油（油相沸點(diǎn)低于水）型乳液等復(fù)合工質(zhì)過(guò)冷運(yùn)行工況的必要考慮。因此相關(guān)工作亟待開展。為填補(bǔ)上述研究缺口，本文將針對(duì)Tween20、Span20 以及二者復(fù)配表面活性劑（Tween20-Span20），開展將其分別添加純水工質(zhì)后的過(guò)冷池沸騰實(shí)驗(yàn)研究，以揭示過(guò)冷狀態(tài)下上述單一表面活性劑與復(fù)配表面活性劑對(duì)水沸騰傳熱特性影響，為后續(xù)復(fù)合工質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究提供基準(zhǔn)對(duì)照依據(jù)，并為強(qiáng)化傳熱復(fù)合流體工質(zhì)配制提供相應(yīng)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 溶液配制

為揭示采用Tween20、Span20單一表面活性劑與Tween20-Span20復(fù)配表面活性劑的三種工況下水過(guò)冷池沸騰傳熱特性（過(guò)冷度為50 K），本研究分別配制了1000 ml 不同體積濃度（0.05、0.5 與1 ml·L-1）的單一表面活性劑[Tween20 的臨界膠束濃度（CMC）范圍為0.48～0.6 ml·L-1[13]，Span20 的CMC 約為0.18 ml·L-1[14]]與復(fù)配表面活性劑溶液。其中，考慮復(fù)配表面活性劑成分配比對(duì)制備納米乳液穩(wěn)定性的影響，本研究所用Tween20 與Span20 復(fù)配體積比為1∶0.942[15]（復(fù)配表面活性劑濃度以所含Tween20濃度代表）。實(shí)驗(yàn)溶劑為去離子水，配制溶液前需將其煮沸2 h，從而去除溶解于水中的空氣，防止不凝氣干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。脫氣完成后用丙酮-去離子水依次清洗燒杯，隨后將表面活性劑按所需體積取至燒杯中。進(jìn)一步加入100 ml 去離子水，通過(guò)磁力攪拌器以500 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌30 min；維持?jǐn)嚢柽^(guò)程，繼續(xù)向燒杯中緩慢加入900 ml 去離子水，并于30 min 后結(jié)束攪拌，最終完成溶液配制。配制完成后，采用接觸角測(cè)量?jī)x（DSA100）分別以懸滴法與座滴法測(cè)試一系列不同體積濃度表面活性劑溶液在25℃環(huán)境溫度下的表面張力與接觸角，并記錄表面張力與接觸角隨濃度的變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為厘清表面活性劑對(duì)純水工質(zhì)過(guò)冷池沸騰傳熱特性影響，本文搭建了如圖1 所示的池沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括池沸騰腔體、溫度控制部件、加熱部件、數(shù)據(jù)采集單元及高速攝像系統(tǒng)。其中，池沸騰腔體由高透明PC 板及兩端玻璃纖維G10 蓋板構(gòu)成，所構(gòu)建的長(zhǎng)方腔體容器內(nèi)部長(zhǎng)寬高尺寸分別為100、100 及240 mm。溫度控制部件由半導(dǎo)體制冷片、冷凝盤管和輔助電加熱器構(gòu)成。其中，半導(dǎo)體制冷片貼附于上部紫銅板，用于冷凝沸騰產(chǎn)生的高溫蒸汽，將池沸騰腔體內(nèi)部壓力維持在一個(gè)大氣壓；冷凝盤管配合輔助電加熱器可將工質(zhì)溫度控制在50℃（工質(zhì)溫度由兩根T 型鎧裝熱電偶測(cè)定），控溫精度為0.5℃。外部實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度則由室內(nèi)空調(diào)控制在25℃。紫銅加熱部件如圖2 所示，其上端面即為沸騰傳熱表面（直徑20 mm）。沸騰表面下方加工有四個(gè)直徑為1.1 mm、深度為10 mm 的熱電偶安裝孔，其中最上部的熱電偶孔距離沸騰表面3 mm，熱電偶孔間距為4 mm。將直徑為1 mm 的T 型鎧裝熱電偶嵌入內(nèi)壁涂抹導(dǎo)熱硅脂（熱導(dǎo)率為13.8 W·m-1·K-1）的熱電偶安裝孔內(nèi)，熱電偶所測(cè)溫度自上至下分別為T1、T2、T3、T4，T1、T2、T3用于推算加熱部件內(nèi)部有效熱通量及沸騰表面溫度，T4則用于監(jiān)控加熱部件溫度以防止溫度過(guò)高燒毀實(shí)驗(yàn)夾具。高速攝像系統(tǒng)由Photron MiniAX200 高速攝像機(jī)（拍攝頻率為4000 幀/秒，分辨率為1024×1024）、冷光源組成，所捕捉圖像被存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

圖2 加熱部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heating part

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先將配制完成的溶液緩慢傾倒至腔體內(nèi)部，并開啟半導(dǎo)體制冷片（冷凝工質(zhì)蒸汽）以減少工質(zhì)從池沸騰腔體向外部傳遞。啟動(dòng)恒溫水槽與輔助電加熱器，待工質(zhì)溫度穩(wěn)定至50℃后，調(diào)節(jié)單相電調(diào)壓器，設(shè)定輸入功率，開始實(shí)驗(yàn)。若實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到所有熱電偶溫度在3 min 內(nèi)波動(dòng)小于0.2℃，即可認(rèn)為傳熱過(guò)程達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。隨后通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元（NI PXIe-1073）記錄下該狀態(tài)下溫度值，進(jìn)而以10～30 W步距增大輸入功率按以上準(zhǔn)則繼續(xù)開展實(shí)驗(yàn)，獲得一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)。需注意，本實(shí)驗(yàn)輸入功率控制范圍為0～600 W，且需保證T4溫度監(jiān)測(cè)值低于200℃（防止燒蝕）。當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸入功率或T4溫度達(dá)到閾值時(shí)，立即關(guān)停底部加熱器，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)據(jù)處理與不確定度分析

由于加熱部件被低熱導(dǎo)率的玻璃纖維G10 包覆，且紫銅的熱導(dǎo)率非常高，故至穩(wěn)態(tài)時(shí)可認(rèn)為圓凸柱傳熱符合一維假設(shè)。因此，應(yīng)用傅里葉導(dǎo)熱定律可求得有效熱通量q：

式中，TL為工質(zhì)溫度，由布置于容器不同位置的兩根鎧裝熱電偶所測(cè)溫度求取平均值而得。

根據(jù)Moffat[17]提出的不確定度計(jì)算方法，本文在表1 中給出了熱通量為34.4 與180.9 W·cm-2時(shí)，池沸騰實(shí)驗(yàn)中各導(dǎo)出量（熱通量q、壁面溫度Tw和傳熱系數(shù)h）的相對(duì)不確定度?？梢?jiàn)，在實(shí)驗(yàn)熱通量范圍內(nèi)，各參數(shù)不確定度均小于10%，處于可接受的誤差范圍內(nèi)，故可保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)不確定度Table 1 Uncertainties of experimental parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠性，測(cè)定了常壓下去離子水的飽和池沸騰曲線。圖3為飽和池沸騰條件下，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[18-22]報(bào)道的模型預(yù)測(cè)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。根據(jù)式（5）計(jì)算可得，本研究測(cè)得壁面溫度與Rohsenow 模型預(yù)測(cè)結(jié)果[18]間平均相對(duì)偏差（MRD）為8.4%，與Liu 等[19]模型預(yù)測(cè)結(jié)果間平均相對(duì)偏差為2.4%?？梢?jiàn)，本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Liu等模型吻合較好，這是因?yàn)長(zhǎng)iu等在Rohsenow 模型的基礎(chǔ)上納入了表面粗糙度的影響。此外，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道熱通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[20-22]也具有較好的一致性。

圖3 水飽和池沸騰曲線與關(guān)聯(lián)式[18-19]及文獻(xiàn)報(bào)道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[20-22]的對(duì)比Fig.3 Comparison of saturated pool boiling curves of water between correlations[18-19]and experimental data[20-22]reported in literatures

3.2 Tween20影響

圖4 為Tween20 影響下的水過(guò)冷池沸騰特性曲線，從曲線整體趨勢(shì)可見(jiàn)，過(guò)冷狀態(tài)下添加Tween20 顯著強(qiáng)化了水沸騰傳熱。為突出過(guò)冷狀態(tài)下Tween20 對(duì)水沸騰傳熱特性的影響，本研究將Tween20 影響下的水過(guò)冷池沸騰曲線[圖4(a)]與進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)所得Tween20 影響下的水飽和池沸騰曲線（圖5）進(jìn)行了比較。首先，發(fā)現(xiàn)不同于飽和沸騰情形，當(dāng)過(guò)冷度為50 K 時(shí)，添加Tween20 顯著降低了水的沸騰起始點(diǎn)（ONB）溫度，并且ONB 隨添加的Tween20 濃度增大而下降。表2 給出了不同Tween20 濃度影響下的過(guò)冷沸騰起始點(diǎn)溫度?？梢园l(fā)現(xiàn)，添加Tween20 濃度為1 ml·L-1時(shí)，ONB 溫度降低了3.7℃；但當(dāng)添加濃度為0.05 ml·L-1時(shí)，Tween20 降低ONB 溫度的能力減弱（降低了1.3℃）。

表2 Tween20對(duì)ONB的影響Table 2 Effects of Tween20 on ONB

圖4 Tween20對(duì)水過(guò)冷池沸騰的影響Fig.4 Effects of Tween20 on subcooled pool boiling characteristics of water

圖5 Tween20對(duì)水飽和池沸騰的影響Fig.5 Effects of Tween20 on saturated pool boiling characteristics of water

事實(shí)上，過(guò)冷池沸騰起始過(guò)程相較飽和池沸騰更依賴活化位點(diǎn)數(shù)量（過(guò)冷狀態(tài)下的工質(zhì)更難以汽化成核），而表面張力與壁面接觸角均是影響活化位點(diǎn)數(shù)量的關(guān)鍵因素[23]，故本研究將從表面張力與壁面接觸角兩方面分析過(guò)冷狀態(tài)下Tween20對(duì)沸騰起始點(diǎn)溫度產(chǎn)生影響的原因。圖6中給出了添加不同濃度Tween20 后水的表面張力與壁面接觸角結(jié)果。如圖6(a)所示，表面張力因Tween20的加入顯著降低（活化位點(diǎn)數(shù)量隨表面張力降低而增加）；當(dāng)Tween20 濃度達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）后，溶液表面張力甚至可減少至純水工質(zhì)的50%（純水工質(zhì)表面張力為71.97 mN·m-1）。圖6(b)則表明，壁面接觸角隨Tween20濃度的變化規(guī)律與上述表面張力的變化規(guī)律相反：添加Tween20 將使得壁面接觸角增大（純水工質(zhì)接觸角為38.9°），并且隨Tween20 濃度增加，接觸角逐漸增大（接觸角增大有利于促進(jìn)氣泡形成與脫離過(guò)程的發(fā)生）?；谝陨戏治隹梢?jiàn)，由于Tween20的加入顯著降低了水的表面張力，增大了壁面接觸角，活化位點(diǎn)數(shù)量受Tween20影響顯著增加，這引起了ONB 溫度的降低；并且隨添加的Tween20濃度增大，其降低ONB溫度的效果變顯著。

圖6 Tween20對(duì)表面張力與壁面接觸角的影響Fig.6 Effects of Tween20 on surface tension and contact angle

除上述沸騰起始階段外，Tween20 對(duì)水過(guò)冷池沸騰特性影響亦反映在核態(tài)沸騰階段。值得注意的是，相比飽和沸騰情形，過(guò)冷狀態(tài)下Tween20強(qiáng)化純水工質(zhì)沸騰傳熱效果更為顯著（添加Tween20 后壁面過(guò)熱度降低幅度更大）。如圖4(a)所示，沸騰發(fā)生后各Tween20濃度影響下的過(guò)冷沸騰曲線差異明顯。一方面，添加低濃度（0.05 ml·L-1）的Tween20對(duì)純水工質(zhì)沸騰曲線的影響并不明顯。另一方面，當(dāng)添加濃度大于等于CMC 時(shí)，Tween20 表現(xiàn)出了較好的強(qiáng)化效果，且其強(qiáng)化效果受熱通量影響。如前所述，加入Tween20后水的表面張力顯著降低，壁面接觸角增大，活化位點(diǎn)數(shù)量顯著增加。這些因素促使沸騰曲線大幅向左偏移（相同熱通量下壁面過(guò)熱度降低），且濃度為1 ml·L-1時(shí)沸騰強(qiáng)化效果最佳（可將純水工況下的壁面過(guò)熱度降低10.4℃）。但需注意，在高熱通量下，1 ml·L-1Tween20 的沸騰強(qiáng)化效果劣于添加濃度為0.5 ml·L-1的工況。

為揭示1 ml·L-1濃度的Tween20沸騰強(qiáng)化效果變差的原因，本研究監(jiān)測(cè)了高熱通量下沸騰表面溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果在圖7中給出?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱通量增加至115.1 W·cm-2后，壁面溫度開始出現(xiàn)周期性波動(dòng)，并且波動(dòng)幅度與周期均隨熱通量增加而增大。這表明1 ml·L-1的Tween20作用下的純水工質(zhì)相變所形成氣泡脫離沸騰表面后，表面上出現(xiàn)了未能被及時(shí)潤(rùn)濕的干燒區(qū)域。事實(shí)上，加入Tween20引起的活化位點(diǎn)大幅增多及壁面接觸角增大，并不利于沸騰表面再潤(rùn)濕過(guò)程的進(jìn)行。因此在高熱通量下，1 ml·L-1的Tween20沸騰強(qiáng)化效果減弱，0.5 ml·L-1的Tween20強(qiáng)化效果最佳（相較純水工況可將壁面過(guò)熱度降低9.3℃）。此外，如圖4(b)所示，高熱通量下添加濃度為0.5 ml·L-1的Tween20對(duì)水的過(guò)冷池沸騰傳熱系數(shù)提升效果優(yōu)于其他濃度，可達(dá)13.4%。由以上分析可見(jiàn)，Tween20對(duì)水的過(guò)冷池沸騰傳熱過(guò)程具有強(qiáng)化作用，且其沸騰強(qiáng)化效果與其添加濃度及熱通量有關(guān)。

圖7 高熱通量下沸騰表面溫度波動(dòng)現(xiàn)象Fig.7 Temperature fluctuations of boiling surface under high heat flux

3.3 Span20影響

圖8給出了Span20對(duì)水過(guò)冷池沸騰的影響。由圖可見(jiàn)，Span20 對(duì)水單相對(duì)流階段與沸騰起始階段傳熱特性影響均可忽略。進(jìn)一步增大熱通量后，沸騰曲線隨Span20 濃度變化開始出現(xiàn)差異。當(dāng)Span20 濃度為0.05 ml·L-1時(shí)，由于Span20 能夠輕微降低水的表面張力且此濃度低于Span20 臨界膠束濃度（0.18 ml·L-1[15]），其作用下的壁面過(guò)熱度相較于純水工況降低約3.4℃；并且在此濃度下，Span20提升了水的沸騰傳熱系數(shù)[圖8(b)]。繼續(xù)增加Span20濃度至0.5、1 ml·L-1后，沸騰傳熱效果逐漸惡化。并且Span20 濃度越高，壁面過(guò)熱度增加越顯著，沸騰傳熱系數(shù)越低（添加濃度為0.5 和1 ml·L-1的Span20 分別使得壁面溫度相較純水工況增加了7.9 和17.3℃，傳熱系數(shù)分別降低了8.7%和22.7%）。而現(xiàn)有研究[24-30]通常認(rèn)為表面活性劑分子締合引起的工質(zhì)黏度增加，是表面活性劑濃度超過(guò)CMC 時(shí)不利于沸騰強(qiáng)化的原因。

圖8 Span20對(duì)水過(guò)冷池沸騰的影響Fig.8 Effects of Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.4 Tween20-Span20影響

上述研究表明，Tween20與Span20在適當(dāng)濃度條件下均能夠強(qiáng)化沸騰傳熱過(guò)程。鑒于Tween20-Span20 復(fù)配表面活性劑可實(shí)現(xiàn)更好的分散相穩(wěn)定性，有必要探究Tween20-Span20對(duì)水過(guò)冷池沸騰傳熱特性的影響。圖9給出了Tween20-Span20復(fù)配表面活性劑作用下水的沸騰曲線與傳熱系數(shù)曲線。首先，在單相對(duì)流傳熱階段與ONB點(diǎn)附近，圖9(a)中各曲線相應(yīng)部分重合在一起，這表明Tween20-Span20在此階段對(duì)水的傳熱過(guò)程影響很小。繼而增加熱通量至沸騰發(fā)生，可以發(fā)現(xiàn)Tween20-Span20對(duì)水過(guò)冷池沸騰傳熱的影響不同于Tween20和Span20：相較純水工況，Tween20-Span20使得壁面過(guò)熱度大幅增加，且復(fù)配表面活性劑濃度越高，過(guò)熱度升高越顯著（添加1 ml·L-1濃度Tween20-Span20 后壁面過(guò)熱度增加了13.7℃）。同時(shí)由圖9(b)可知，Tween20-Span20 影響下的沸騰傳熱系數(shù)均低于純水工況，當(dāng)Tween20-Span20 濃度為1 ml·L-1時(shí)傳熱系數(shù)下降甚至可達(dá)16.4%，即在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，復(fù)配表面活性劑均惡化了水的過(guò)冷池沸騰傳熱。需注意，濃度為1 ml·L-1的Tween20 能夠?qū)⒈诿孢^(guò)熱度降低8.5℃，并將傳熱系數(shù)提升13.4%；1 ml·L-1Span20 則致使壁面過(guò)熱度增加了17.3℃，傳熱系數(shù)降低了22.7%，這表明Tween20-Span20復(fù)配表面活性劑對(duì)純水工質(zhì)沸騰傳熱特性影響由Span20主導(dǎo)。

圖9 Tween20-Span20對(duì)水過(guò)冷池沸騰的影響Fig.9 Effects of Tween20-Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.5 氣泡演變過(guò)程可視化結(jié)果分析

為進(jìn)一步理解前述Tween20、Span20 與復(fù)配表面活性劑對(duì)純水工質(zhì)傳熱特性影響，圖10給出了受單一表面活性劑和復(fù)配表面活性劑影響的氣泡形貌圖像。由圖10可見(jiàn)，在q=69 W·cm-2工況下，純水工質(zhì)在沸騰表面上相變產(chǎn)生了孤立的氣泡；Tween20（0.5 ml·L-1）的加入不僅大幅增加了成核密度，使得沸騰表面上鋪滿一層細(xì)密的氣泡（氣泡直徑相較純水工況時(shí)更小），而且提高了氣泡脫離頻率，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的沸騰傳熱強(qiáng)化能力。另外，純水工質(zhì)中加入Span20（0.5 ml·L-1）后，在沸騰表面生成了直徑較大的氣泡，甚至在局部產(chǎn)生了蒸汽膜[圖10(c)]，蒸汽膜的存在極大地增加了傳熱熱阻，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱過(guò)程急劇惡化。相比單一Span20 的影響，盡管復(fù)配表面活性劑同樣會(huì)導(dǎo)致大尺寸氣泡的生成，但Tween20的存在減小了附著氣泡的尺寸，因此復(fù)配表面活性劑對(duì)純水傳熱效果的惡化程度更弱。此外，Span20 與復(fù)配表面活性劑作用下的氣泡生命周期同樣差異顯著（圖11）。由圖11(a)可見(jiàn)，Span20 的加入使得氣泡生命周期延長(zhǎng)至226.5 ms，這表明Span20 引起的氣泡脫離頻率下降也是其導(dǎo)致傳熱惡化的關(guān)鍵。另外，圖11(b)的結(jié)果表明，將Tween20與Span20組合形成復(fù)配表面活性劑有助于緩解Span20 導(dǎo)致的氣泡脫離頻率大幅下降，但復(fù)配表面活性劑作用下的氣泡生命周期仍達(dá)99.5 ms，故復(fù)配表面活性劑同樣會(huì)引起傳熱惡化。綜上所述，Span20 導(dǎo)致局部產(chǎn)生難以脫離的蒸汽膜是其惡化傳熱的根源。此外，盡管Tween20 具有優(yōu)異的沸騰傳熱強(qiáng)化能力，但按比例將其與Span20 復(fù)配并不足以彌補(bǔ)Span20 帶來(lái)的傳熱惡化效果，也即復(fù)配表面活性劑對(duì)純水工質(zhì)傳熱特性影響主要由Span20決定。

圖10 表面活性劑作用下的氣泡形貌（q=69 W·cm-2）Fig.10 Images of bubble morphology affected by surfactants(q=69 W·cm-2)

圖11 Span20和Tween20-Span20作用下的氣泡演化過(guò)程（q=69 W·cm-2）Fig.11 Evolutions of bubbles affected by Span20 and Tween20-Span20(q=69 W·cm-2)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)過(guò)冷狀態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了常用于穩(wěn)定復(fù)合工質(zhì)分散相的Tween20、Span20 單一表面活性劑及兩者復(fù)配表面活性劑（Tween20-Span20）對(duì)純水工質(zhì)池沸騰傳熱特性的影響，所得結(jié)論如下。

（1）不同于飽和沸騰情形，當(dāng)過(guò)冷度為50 K時(shí)，添加Tween20 能夠降低沸騰起始點(diǎn)溫度，且Tween20濃度越高，其降低ONB溫度效果越顯著。

（2）相比飽和池沸騰工況，過(guò)冷狀態(tài)下Tween20強(qiáng)化沸騰傳熱效果更佳，其作用下的壁面過(guò)熱度大幅下降；但需注意，隨熱通量增加，1 ml·L-1Tween20傳熱強(qiáng)化效果將逐漸減弱，也即表明Tween20 的強(qiáng)化沸騰特性與熱通量有關(guān)。

（3）Span20 對(duì)水過(guò)冷池沸騰的影響取決于濃度：低于臨界膠束濃度時(shí)，Span20 能夠強(qiáng)化傳熱過(guò)程；但對(duì)于高于臨界膠束濃度的Span20，隨濃度增加沸騰傳熱過(guò)程將逐步惡化。

（4）盡管Tween20-Span20 復(fù)配表面活性劑能夠更好地穩(wěn)定分散相，但其不利于沸騰傳熱（復(fù)配表面活性劑對(duì)純水工質(zhì)沸騰傳熱特性影響由所含Span20 主導(dǎo)），且所用復(fù)配表面活性劑濃度越高，傳熱惡化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

上述研究結(jié)果可為傳熱強(qiáng)化復(fù)合工質(zhì)過(guò)冷池沸騰傳熱特性分析提供基準(zhǔn)對(duì)照依據(jù)，并為其配制提供相應(yīng)指導(dǎo)。