劉正陽(yáng)，付 婷，曾良才，伍妮妮，馬世澤

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081)

利用沸騰換熱可有效冷卻大功率器件。已有研究表明，在沸騰換熱過程中，微柱[1]、針狀翅片[2-3]、微孔涂層[4]、泡沫銅襯底[5]等結(jié)構(gòu)的表面特性對(duì)換熱系數(shù)(heat transfer coefficient，HTC)和臨界熱通量(critical heat flux，CHF)具有明顯影響作用。Gouda等[6]研究了粗糙度與潤(rùn)濕性不同的微結(jié)構(gòu)表面對(duì)沸騰換熱性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過相關(guān)處理的粗糙表面所對(duì)應(yīng)的最大HTC及CHF較光滑表面相應(yīng)值分別增加了188%、152%；馬強(qiáng)等[7]采用化學(xué)刻蝕法獲得了超親水、親水、疏水及超疏水等4種潤(rùn)濕性不同的結(jié)構(gòu)表面并進(jìn)行了沸騰換熱可視化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)表面潤(rùn)濕性不同的條件下，發(fā)生核沸騰時(shí)的氣泡生長(zhǎng)變化情況各不相同，其中疏水表面的氣泡先豎直拉伸長(zhǎng)大，再通過頸縮分為上、下兩部分，之后上、下部氣泡分離，下部氣泡殘留在表面直接進(jìn)入下一個(gè)氣泡生長(zhǎng)階段；Swain等[8]分別使用800、1200、2000目砂紙對(duì)銅表面進(jìn)行打磨并拋光，然后再借助異丙醇、丙酮和乙醇等3種液態(tài)工質(zhì)在粗糙銅表面進(jìn)行池沸騰試驗(yàn)，結(jié)果表明，在不同工質(zhì)條件下，經(jīng)800目砂紙打磨并拋光的粗糙銅表面所對(duì)應(yīng)的HTC、氣泡成核密度以及CHF均最大；Kim等[9]關(guān)于表面粗糙度對(duì)沸騰換熱性能影響的研究結(jié)果表明，超親水表面的核沸騰HTC隨表面粗糙度的增加而增大，粗糙的疏水表面核沸騰HTC在沸騰初期高于光滑表面相應(yīng)值，之后隨溫度的上升、熱流密度的增大而迅速降至較低水平，CHF也隨之減?。籉an等[10]制備了8種測(cè)試表面并進(jìn)行了池沸騰實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，CHF不僅受表面粗糙度影響，而且與表面潤(rùn)濕性密切相關(guān)；Jaikumar等[11]研究了微溝槽寬度對(duì)池沸騰換熱性能的影響，結(jié)果表明，在過熱度為1.7 K的窄通道中，HTC及CHF分別達(dá)到2.9 MW/(m2·K)、420 W/cm2。Cooke等[12]研究了開放式微溝槽對(duì)池沸騰換熱性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)壁面過熱度小于10 K時(shí)，微溝槽結(jié)構(gòu)表面熱通量超過244 W/cm2，HTC最高可達(dá)269 kW/(m2·K)；Zhang等[13]研究了非均勻潤(rùn)濕性微溝槽表面對(duì)沸騰換熱的影響，結(jié)果表明，在低熱通量下，當(dāng)微結(jié)構(gòu)表面為疏水性時(shí)相應(yīng)的HTC較高，為親水性時(shí)則相應(yīng)的CHF較高，并且非均勻潤(rùn)濕性表面能抑制氣泡合并，從而提高HTC并降低沸騰起始溫度。雖然大多數(shù)研究集中在通過改變表面粗糙度或者單一改變表面潤(rùn)濕性來增強(qiáng)沸騰換熱效果，但微結(jié)構(gòu)表面潤(rùn)濕性變化對(duì)沸騰換熱性能的影響機(jī)制并不明確，基于此，本文設(shè)計(jì)制造多組槽寬不同的微溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行池沸騰實(shí)驗(yàn)，利用高速攝像機(jī)觀察微溝槽結(jié)構(gòu)表面的氣泡動(dòng)態(tài)變化，重點(diǎn)分析了微溝槽結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)池沸騰換熱性能的影響。

1 樣品的制備與實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

依次使用2000、5000、7000目砂紙將5塊尺寸均為20 mm×20 mm×2 mm的銅板表面打磨成光滑鏡面，從而獲得親水性表面[14]，取其中1塊銅板作為對(duì)照樣品(S0)，利用DMG HSC 75 linear型五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)剩余銅板進(jìn)行微溝槽結(jié)構(gòu)加工，制備出翅片寬度(a)為0.1 mm、槽深(h)為0.15 mm、槽寬(b)分別為0.08、0.12、0.16、0.18 mm的4組樣品，依次標(biāo)定為S1、S2、S3、S4，樣品結(jié)構(gòu)如圖1所示，借助奧林巴斯超景深顯微鏡所拍攝的樣品表面三維形貌見圖2。從圖2中可以看出，4組樣品微溝槽結(jié)構(gòu)界面清晰光滑，不過溝槽高度存在微小誤差，這應(yīng)是加工過程中的震動(dòng)所致。

圖1 樣品結(jié)構(gòu)示意圖

(a) S1 (b) S2

(c) S3 (d) S4

根據(jù)Wenzel模型[15]和Cassie-Baxter模型[16]可知，液滴在粗糙表面的接觸是一種復(fù)合接觸，液滴不能完全填滿粗糙表面的凹槽，固液之間充滿空氣，存在固、液、氣三相平衡狀態(tài)，接觸角越小則表面潤(rùn)濕性越好，其中Cassie-Baxter模型更契合實(shí)際工程問題所涉及到的固體表面。利用光學(xué)接觸角/表界面張力測(cè)量?jī)x測(cè)量樣品表面靜態(tài)接觸角，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，無溝槽的S0樣品表面具有親水性，4組微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面靜態(tài)接觸角隨著槽寬的減小而逐漸增大，并且呈現(xiàn)出疏水性特征。

圖3 樣品的表面接觸角

1.2 池沸騰實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.2.1 池沸騰實(shí)驗(yàn)

樣品表面池沸騰實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置見圖4，該裝置包含沸騰室、冷凝器、測(cè)試模塊、電源及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，沸騰室由有機(jī)玻璃管構(gòu)建以便于高速攝像機(jī)拍攝測(cè)試樣品表面沸騰換熱時(shí)的氣泡變化過程，將2個(gè)K型熱電偶浸入沸騰室中來測(cè)量液體溫度。測(cè)試模塊主體為階梯型銅方柱(見圖5)，其正方形頂面A(20 mm×20 mm)為受熱面，銅板樣品置于銅方柱頂面處，樣品上表面即測(cè)試面與液體接觸，銅方柱側(cè)面有5個(gè)截面直徑為1.6 mm、沿側(cè)面法線方向深度為10 mm的圓柱形孔道T1～T5，用于插入K型熱電偶來測(cè)量相應(yīng)位置溫度，其中T1～T3處于同一水平面B，T2、T4、T5沿同一豎直線分布，平面C為T2與T4之間的中分水平面，L1～L4分別為不同水平面之間的面間距。銅方柱底面有8個(gè)截面直徑為6 mm、沿豎直方向高度為30 mm的圓柱形孔道，用于插入加熱棒來提供池沸騰實(shí)驗(yàn)所需熱量，加熱棒加熱功率在0～500 W范圍內(nèi)可調(diào)。相關(guān)溫度數(shù)據(jù)由AT4108型多路溫度測(cè)試儀采集并記錄。

圖4 池沸騰實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 測(cè)試模塊示意圖(單位：mm)

進(jìn)行池沸騰實(shí)驗(yàn)時(shí)需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)開始前，先用去離子水將沸騰室清洗干凈；在實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)使用輔助加熱棒加熱以保證實(shí)驗(yàn)始終在100 ℃的飽和溫度下進(jìn)行；在記錄數(shù)據(jù)之前，先使用輔助加熱棒將水加熱至沸騰狀態(tài)并保持30 min以去除其它不凝結(jié)氣體，然后接通加熱棒電源給銅方柱加熱，以銅方柱溫度波動(dòng)值低于0.2 K/min為穩(wěn)定狀態(tài)，待狀態(tài)穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度急劇升高、熱通量達(dá)到臨界值時(shí)停止實(shí)驗(yàn)并關(guān)閉電源，待樣品冷卻后拆除，之后進(jìn)行下一個(gè)樣品測(cè)試。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

因進(jìn)行池沸騰實(shí)驗(yàn)時(shí)無法直接測(cè)得銅方柱頂面A處的溫度TA，故本文利用外推法計(jì)算該處溫度。假設(shè)銅方柱沿垂直地面方向?yàn)橐痪S導(dǎo)熱，根據(jù)圖5所示的熱電偶分布狀況，可先計(jì)算出水平截面B、C處的平均溫度TB、TC，再進(jìn)一步計(jì)算出TA，具體計(jì)算公式為:

(1)

(2)

(3)

式中，T1～T5分別為孔道T1～T5處熱電偶所測(cè)溫度。按上述方法，基于TA和TB可迭代計(jì)算出銅板樣品測(cè)試面處的溫度Tw。

因?qū)嶒?yàn)中僅銅方柱頂面A與液體發(fā)生沸騰傳熱，故采用傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算熱通量q，計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中，ΔT為銅板樣品測(cè)試面處的過熱度，其計(jì)算公式為：

ΔT=TA-Tsat

(6)

式中，Tsat為測(cè)試液體的飽和溫度。

在本研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用標(biāo)準(zhǔn)誤差對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)因素進(jìn)行了不確定性分析[17],結(jié)果表明，與熱電偶、有效熱通量qe、銅板樣品上表面溫度Tw及過熱度ΔT、傳熱系數(shù)H有關(guān)的不確定度分別為±0.5%、±6.8%、±3.6%、±4.1%、±7.9%。

2 結(jié)果與討論

2.1 微溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)的影響

氣泡運(yùn)動(dòng)如成核、長(zhǎng)大、分離及聚結(jié)等在池沸騰換熱過程中發(fā)揮著重要的作用，借助高速攝像機(jī)，獲得加熱條件下銅板樣品測(cè)試面附近的液體在初始沸騰之前的氣泡核化特征，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，對(duì)于無溝槽結(jié)構(gòu)的S0樣品，成核氣泡隨機(jī)分布于其光滑親水表面上(圖6(a))，而具有微溝槽結(jié)構(gòu)的樣品表面則產(chǎn)生了更多均勻氣泡且大部分氣泡成核于溝槽內(nèi)(圖6(b)～圖6(e))，并且樣品表面靜態(tài)接觸角越大，氣泡成核就越均勻，成核密度就越大。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

基于池沸騰實(shí)驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)，利用式(4)可計(jì)算出S0～S4樣品在初始核沸騰階段對(duì)應(yīng)的熱通量依次為72.03、64.1、62.69、60.13、40.93 kW/m2，在充分核沸騰階段對(duì)應(yīng)的熱通量依次為233.18、480.63、439.09、416.12、345.82 kW/m2，相應(yīng)的CHF依次為453.85、945.23、855.13、654.88、595.47 kW/m2，在上述3個(gè)階段中，樣品測(cè)試表面的氣泡成核、長(zhǎng)大及脫離過程分別如圖7～圖9所示。由圖7可見，在初始核沸騰階段，5組樣品中以具有光滑親水表面的S0樣品表面成核密度為最低(圖7(a))，對(duì)于具有微溝槽結(jié)構(gòu)的S1～S4樣品(圖7(b)～圖7(e))，隨著樣品溝槽寬度變窄，樣品表面氣泡成核量明顯增大且都在溝槽內(nèi)成核，氣泡脫離樣品表面時(shí)的直徑則相應(yīng)減小。由圖8可見，在充分核沸騰階段，S0樣品的光滑親水表面只有少量成核位點(diǎn)被激活，氣泡生成頻率低且脫離速度較慢(圖8(a))，而微溝槽結(jié)構(gòu)樣品的疏水型表面有大量成核位點(diǎn)被激活，此時(shí)氣泡成核多，生長(zhǎng)速度及脫離速度都較快(圖8(b)～圖8(e))，并且樣品表面靜態(tài)接觸角越大，越有利于抑制表面氣泡合并。由圖9可見，當(dāng)所有樣品測(cè)試表面過熱度均達(dá)到臨界值時(shí)，表面絕大部分氣化核心被激活，從而導(dǎo)致氣泡數(shù)量密集且直徑變大，氣泡間相互干涉、不斷合并，不過此時(shí)S0樣品的光滑表面無法檢測(cè)到單個(gè)氣泡行為(圖9(a))，微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面雖仍能觀測(cè)到均勻的單個(gè)氣泡，但是氣泡脫離時(shí)的直徑較之前階段明顯增大(圖9(b)～圖9(e))。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

池沸騰實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有微溝槽結(jié)構(gòu)疏水表面的樣品S1～S4表面沸騰換熱性能均優(yōu)于具有光滑親水表面的樣品S0，其中靜態(tài)接觸角最大的樣品S1表面沸騰換熱性能最佳，對(duì)比分析樣品S1與S0表面的氣泡運(yùn)動(dòng)變化過程，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，在初始核沸騰階段，S1與S0樣品表面都周期性產(chǎn)生氣泡并經(jīng)歷了氣泡成核、長(zhǎng)大、合并、頸縮脫離等過程，不同之處在于S1樣品表面不斷生成氣泡且氣泡脫離速度較快，而S0樣品表面只有部分成核氣泡且成核直徑較大、氣泡脫離速度緩慢。從圖10(a)中還可以看出，在第34.5 ms時(shí)有氣泡從溝槽內(nèi)成核并脫離，在第41.3 ms時(shí)凸棱上有一層親水性薄膜，該薄膜能為溝槽內(nèi)成核氣泡補(bǔ)充液體并增加成核的頻率。繼續(xù)增大加熱功率以達(dá)到充分核沸騰狀態(tài)，當(dāng)S1與S0樣品測(cè)試表面過熱度約為18 K時(shí)，相應(yīng)的氣泡運(yùn)動(dòng)變化特征如圖11所示。由圖11可見，在充分核沸騰狀態(tài)下，S0樣品的光滑親水表面上成核點(diǎn)較之前明顯增多，氣泡脫離頻率增大，氣泡脫離直徑較S1樣品相應(yīng)值更大，樣品S1表面氣泡生成和脫離較之前進(jìn)一步加快。圖12所示為熱通量達(dá)到臨界值時(shí)樣品S0和S1表面的氣泡運(yùn)動(dòng)變化過程。由圖12可見，S0和S1樣品表面絕大部分氣化核心均已被激活，但二者表面氣泡形態(tài)有較大差異，S0樣品表面先直接生成直徑為4～5 mm的大氣泡，然后氣泡生長(zhǎng)、脫離，最后多個(gè)氣泡合并成氣泡柱，而S1樣品表面則先生成均勻的小氣泡，然后小氣泡快速合并、脫離，且脫離后的氣泡直徑較S0樣品相應(yīng)值小得多。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

(a)S1 (b)S0

(a) S1 (b) S0

(a) S1 (b) S0

2.2 沸騰換熱曲線與換熱特性

圖13所示為樣品熱通量隨過熱度變化的曲線。從圖13中可以看出，所有樣品熱通量都隨著過熱度的增加而增大，在相同過熱度下，微溝槽結(jié)構(gòu)樣品熱通量均高于S0樣品相應(yīng)值，其中槽寬最窄的S1樣品熱通量值最大，表明S1樣品的換熱性能最佳，結(jié)合圖3及樣品CHF計(jì)算結(jié)果可知，樣品表面靜態(tài)接觸角越大，相應(yīng)的換熱表面臨界熱通量就越高。由圖13還可以看出，在初始沸騰階段，S1樣品測(cè)試面過熱度為3.1 K，而S0樣品相應(yīng)值為7.2 K;在熱通量為150 kW/m2的條件下，S1樣品測(cè)試面過熱度較S0樣品相應(yīng)值降低了約54%。圖14所示為樣品HTC隨過熱度變化的曲線。由圖14可見，所有樣品HTC都隨著過熱度的增加而增大，在相同加熱功率條件下，S1～S4樣品微溝槽結(jié)構(gòu)表面的HTC均高于具有光滑表面的S0樣品相應(yīng)值，并且微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面的HTC隨槽寬的減小而不斷增大。此外還注意到，S1樣品的HTC在低過熱度階段增幅較大，在中、高過熱度階段則平緩增加，而同樣具有微溝槽結(jié)構(gòu)的S2～S4樣品HTC始終以較平緩的增速隨過熱度的增加而增大。在實(shí)驗(yàn)中觀察到所有微溝槽疏水結(jié)構(gòu)樣品表面的初始沸騰溫度均明顯低于S0樣品相應(yīng)值，這表明微結(jié)構(gòu)表面存在大量的氣泡成核點(diǎn)，促進(jìn)了汽泡的生成，從而提高了換熱性能。在相同加熱功率下，S1樣品表面換熱性能最佳，應(yīng)歸因于微溝槽結(jié)構(gòu)表面積的增加提供了更大的換熱面積，較窄的槽寬改變了樣品表面潤(rùn)濕性，加之微溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)的界面運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)池沸騰中的氣泡動(dòng)力學(xué)機(jī)制產(chǎn)生了影響。

圖13 熱通量變化曲線

圖14 換熱系數(shù)變化曲線

2.3 氣泡脫離直徑與脫離頻率

使用高速攝像機(jī)拍攝池沸騰實(shí)驗(yàn)過程中氣泡的動(dòng)態(tài)變化過程，借助處理軟件對(duì)氣泡脫離直徑進(jìn)行測(cè)量，獲得氣泡脫離直徑隨過熱度變化的曲線如圖15所示。由圖15可見，所有樣品表面的氣泡脫離直徑均隨過熱度的增加而增大，當(dāng)過熱度相同時(shí)，S0樣品光滑表面的氣泡脫離直徑明顯大于微溝槽結(jié)構(gòu)樣品相應(yīng)值，而微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面的氣泡脫離直徑又隨槽寬的增加而增大，但增幅較小，這表明微溝槽尺寸變化對(duì)氣泡脫離直徑影響較小。

圖15 氣泡脫離直徑的變化曲線

根據(jù)池沸騰實(shí)驗(yàn)觀察及測(cè)量結(jié)果，通過計(jì)算獲得氣泡脫離頻率與壁面過熱度關(guān)系如圖16所示。由圖16可見，所有樣品表面的氣泡脫離頻率均隨測(cè)試面過熱度的增加而不斷增大，并且微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面的氣泡脫離頻率增速較快，遠(yuǎn)高于S0樣品相應(yīng)值，在相同過熱度條件下，微溝槽結(jié)構(gòu)樣品表面的氣泡脫離頻率隨槽寬的減小而增大，這與微溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)HTC的影響趨勢(shì)一致(見圖13)。在整個(gè)沸騰實(shí)驗(yàn)過程中，氣泡動(dòng)態(tài)變化幾乎是連續(xù)的，即同一成核位點(diǎn)前后兩次氣泡成核時(shí)間間隔較短，當(dāng)熱通量超過450 kW/m2以后，氣泡將不斷合并，此時(shí)測(cè)量氣泡脫離頻率已沒有意義。

圖16 氣泡脫離頻率變化曲線

3 結(jié)論

(1)具有微溝槽結(jié)構(gòu)的樣品換熱性能均優(yōu)于具有光滑表面的樣品，且微溝槽結(jié)構(gòu)樣品的換熱性能隨溝槽寬度的降低、靜態(tài)接觸角的減小而提高。

(2)樣品的熱通量和換熱系數(shù)以及樣品表面氣泡脫離直徑、脫離頻率均隨過熱度的增加而增大；在相同過熱度下，具有光滑表面的樣品的換熱系數(shù)和熱通量以及樣品表面氣泡脫離頻率最小、氣泡脫離直徑最大，而微溝槽結(jié)構(gòu)樣品的換熱系數(shù)和熱通量以及樣品表面氣泡脫離頻率均隨溝槽寬度的減小而不斷增大，氣泡脫離直徑的變化趨勢(shì)剛好相反但變化幅度不大。