氣液分離強(qiáng)化傳熱多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)上升特征

涂文斌，王　勻，湯　勇

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氣液分離強(qiáng)化傳熱多孔結(jié)構(gòu)毛細(xì)上升特征

涂文斌1，王勻1，湯勇2

（1江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東省高校表面功能結(jié)構(gòu)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

摘要：氣液分離強(qiáng)化傳熱多孔結(jié)構(gòu)，由于氣體、液體在多孔壁面有著不同的力學(xué)行為，使得氣液兩相在多孔壁面發(fā)生分離，氣體不能進(jìn)入多孔壁面結(jié)構(gòu)，液體則能自由進(jìn)入，從而形成氣體始終沿管壁運(yùn)動(dòng)，液體則在管中心流動(dòng)這一高效傳熱流態(tài)。多孔壁面的毛細(xì)力對(duì)氣液分離有著重要的影響。采用一種新穎的毛細(xì)力測(cè)試方法——紅外熱像測(cè)試法測(cè)試了多孔強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力。研究發(fā)現(xiàn)，多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力與使用的粉末材料形狀、顆粒尺寸及填充孔隙率有關(guān)。其中對(duì)毛細(xì)力影響最大的是粉末顆粒形狀，顆粒尺寸次之，孔隙率最弱。

關(guān)鍵詞：毛細(xì)力；燒結(jié)；多孔介質(zhì)；傳熱；紅外熱像

引 言

強(qiáng)化傳熱技術(shù)可劃分為被動(dòng)式強(qiáng)化技術(shù)和主動(dòng)式強(qiáng)化技術(shù)[1]，被動(dòng)式強(qiáng)化技術(shù)不需要外界動(dòng)力，包括擴(kuò)展表面、插入物、渦流發(fā)生器等；主動(dòng)式強(qiáng)化技術(shù)則需要加入外部動(dòng)力，包括機(jī)械振動(dòng)、施加電場(chǎng)磁場(chǎng)、流體添加物等。管內(nèi)強(qiáng)化通常有插入物、內(nèi)翅片及擴(kuò)展表面等[2-4]。這些傳熱強(qiáng)化技術(shù)的物理機(jī)制可歸納為:（1）壁面區(qū)和中心區(qū)流體的混合；（2）流體邊界層減??；（3）二次流形成、增強(qiáng)湍流強(qiáng)度[5-7]。氣液分離強(qiáng)化傳熱是作者所在課題組2012年提出的一種新型強(qiáng)化傳熱方法[8-9]，該方法利用氣液兩相在多孔壁面有著不同的力學(xué)行為，氣液兩相能夠在多孔壁面發(fā)生分離，其中氣體不能進(jìn)入多孔壁面結(jié)構(gòu)，液體則能自由進(jìn)入，從而形成氣體始終沿管壁運(yùn)動(dòng)，液體則在管中心流動(dòng)這一高效傳熱流態(tài)。多孔壁面的毛細(xì)力對(duì)氣液分離有著重要的影響。本文采用一種新穎的毛細(xì)力測(cè)試方法——紅外熱像測(cè)試法測(cè)試了多孔強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力，研究多孔結(jié)構(gòu)使用的粉末材料形狀、顆粒尺寸及填充孔隙率對(duì)毛細(xì)力的影響。

毛細(xì)力測(cè)試方法有氣泡法、毛細(xì)上升法[10-11]。大多數(shù)研究人員一般采用毛細(xì)上升的方法進(jìn)行測(cè)量[12-15]，不同于一般毛細(xì)上升法，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)[16-20]提出一種紅外熱像儀測(cè)試毛細(xì)高度的方法。該方法主要利用了不同物體的發(fā)射率不一樣，在紅外熱像儀測(cè)溫時(shí)，對(duì)特定的物體需設(shè)定其對(duì)應(yīng)的發(fā)射率，否則測(cè)試出來(lái)的溫度不是物體本身的溫度，而是和發(fā)射率呈一個(gè)比例關(guān)系。這個(gè)特點(diǎn)可以用于多孔毛細(xì)力的測(cè)試。當(dāng)毛細(xì)測(cè)試采用的工質(zhì)其反射率同測(cè)試樣品反射率相差非常大時(shí)，樣品和工質(zhì)的溫度即使一樣，它們?cè)诩t外儀上的熱像圖將會(huì)產(chǎn)生巨大的差異，這種圖像上的差異可以用來(lái)測(cè)試毛細(xì)上升的高度。該方法同其他方法相比，測(cè)試結(jié)果更加直觀，其精度也非常高。

圖1　燒結(jié)成品Fig.1 Picture of samples

1　測(cè)試樣品準(zhǔn)備

氣液分離強(qiáng)化傳熱多孔結(jié)構(gòu)采用銅質(zhì)粉末固相燒結(jié)的方法制造，燒結(jié)設(shè)備為KBF16Q3，功率為8 kW，工作電壓220 V，頻率50 Hz，爐膛尺寸300 mm×200 mm×200 mm。樣品有3組，第1組使用不同尺寸銅粉顆粒，第2組使用不同形狀銅粉顆粒，第3組使用不同填充量即不同孔隙率，所有樣品都是在氣氛爐900℃環(huán)境下燒結(jié)1 h而成，燒制而成的樣品如圖1所示。

2　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

毛細(xì)多孔樣品產(chǎn)生的上升壓力可以表示為

式中，σ為液體的表面張力；θ為三相界面形成的浸潤(rùn)角；r為毛細(xì)孔徑。

液體在毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下上升，上升的過(guò)程中將受到重力的作用，此外還受到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中黏滯力的作用，其力學(xué)平衡方程為

方程右邊第1項(xiàng)為重力產(chǎn)生的水力壓頭，第2項(xiàng)為流體通過(guò)多孔介質(zhì)產(chǎn)生的壓差，其數(shù)值由達(dá)西定理推導(dǎo)而出，μ為黏度，u為液體流速，ε為孔隙率，Kp為滲透率。因此，當(dāng)測(cè)試時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，液體毛細(xì)上升高度可以表示毛細(xì)力的大小。

本文使用紅外熱像儀來(lái)測(cè)量樣品的毛細(xì)上升高度。測(cè)試用的工質(zhì)采用反射率同測(cè)試樣品反射率相差非常大的甲醇，雖然樣品和工質(zhì)的溫度一樣，由于反射率相差巨大，它們?cè)诩t外儀上的熱像圖差異巨大，這種圖像上的差異可以方便地觀測(cè)到工質(zhì)毛細(xì)上升的高度。

毛細(xì)紅外熱像測(cè)試裝置由觀察室、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)采集PC等3部分組成。由于紅外熱像儀具有高度的熱敏感性，測(cè)試結(jié)果極容易受到環(huán)境的影響，空氣流動(dòng)、熱源、光線反射、物體材質(zhì)甚至人體等都會(huì)對(duì)結(jié)果參數(shù)產(chǎn)生不利影響，因此測(cè)試環(huán)境最好是封閉式防輻射環(huán)境。本文采用的觀察室是半封閉式黑色箱體，箱體黑色表面用來(lái)消除四周的反射；為了便于觀察及操作，封閉箱體開了一個(gè)小門。觀察室內(nèi)有一樣品固定裝置，樣品固定在裝置的水平橫梁上，樣品保持豎直。工質(zhì)放在一個(gè)蒸發(fā)皿內(nèi)，工質(zhì)和樣品接觸由一水平升降臺(tái)上下調(diào)節(jié)位置。測(cè)試過(guò)程首先連接好測(cè)試裝置，固定好測(cè)試樣品，一切準(zhǔn)備就緒。先將蒸發(fā)皿倒?jié)M甲醇，然后關(guān)上箱體門，讓甲醇在觀察室內(nèi)自由蒸發(fā)，20 min后，觀察室甲醇蒸氣飽和，開始進(jìn)行測(cè)試。調(diào)節(jié)升降臺(tái)，讓樣品浸入甲醇溶液，測(cè)試過(guò)程中人員和觀察室保持一定距離，以免產(chǎn)生不利影響。測(cè)試時(shí)間為 10 min，采樣時(shí)間3 min。紅外儀測(cè)量精度為1%，長(zhǎng)度測(cè)量誤差為1.3%，毛細(xì)上升高度的測(cè)量不確定度為1.5%。

采樣后的紅外熱像圖如圖 2所示。測(cè)試樣品為圓柱狀物體，藍(lán)色部分為吸入樣品中的甲醇，圖中顯示毛細(xì)高度清晰可辨，實(shí)驗(yàn)效果良好。但實(shí)驗(yàn)取樣高度并不是通過(guò)圖像目測(cè)測(cè)量而得，而是采用樣品表面溫度分析得到。首先在樣品中心做一根溫度采樣線，圖2中樣品中間那根線即是溫度采樣線。

通過(guò)熱像儀分析軟件，可以獲得這根采樣線的溫度分布。其溫度分布如圖3所示，其溫度從低往高變化，毛細(xì)液彎位置應(yīng)處在溫度突變的地方，因此，圖3溫度曲線中垂直的地方（黑色框區(qū)域）即是毛細(xì)液彎處，溫度曲線垂直的地方溫度必然發(fā)生了突變。

圖2　調(diào)控管紅外毛細(xì)上升圖Fig.2 IR thermal image of capillary rise of sample

圖3　直線L1溫度變化曲線Fig.3 Temperature curve of Line 1

3　結(jié)果分析

3.1 粉末顆粒尺寸的影響

3種不同直徑顆粒枝狀燒結(jié)棒作為測(cè)試樣品，其顆粒尺寸分別為<25 μm、100～125 μm和>150 μm，顆粒尺寸采用分層篩子對(duì)銅粉進(jìn)行分篩獲得。樣品孔隙率為0.76左右，所有樣品在氣氛爐900℃燒結(jié)1 h而成。測(cè)試樣品參數(shù)、燒結(jié)工藝見表1。

表1　枝狀毛細(xì)測(cè)試樣品Table 1 Samples with branch shape

樣品測(cè)試紅外熱像圖如圖4所示，上升曲線圖見圖5，采樣時(shí)間為3 min。圖4中的3根樣品從左到右分別為Cu-Bran-25（枝狀<25 μm），Cu-Bran-125（枝狀 100～125 μm），Cu-Bran-150（枝狀>150 μm）。0～40 s時(shí)，Cu-Bran-150（枝狀>150 μm）表現(xiàn)最為優(yōu)越，其上升速度最快，圖4中前5幅圖能明顯看出最右側(cè)樣品毛細(xì)上升最高，Cu-Bran-25（枝狀<25 μm）表現(xiàn)最差，上升高度最小。這主要是因?yàn)轭w粒形狀越小，顆粒間組成的空隙越小，此外，由于細(xì)小顆粒在燒結(jié)成型的過(guò)程中，其細(xì)小的末梢會(huì)融化，顆粒間的孔洞甚至閉合，樣品空隙結(jié)構(gòu)不十分理想，因此滲透率也就越小，流體上升的阻力就越大。

圖6顯示了Cu-Bran-25和Cu-Bran-150樣品SEM圖。圖中顯示Cu-Bran-25樣品其銅粉顆粒末端幾乎都成圓形，這是因?yàn)殂~粉顆粒太小，在燒結(jié)的過(guò)程中極易發(fā)生融化遷移，由于表面張力的作用變成了圓形，此外顆粒間的空隙有發(fā)生融合變小的現(xiàn)象。圖6(b)中Cu-Bran-150樣品則沒(méi)有發(fā)生這種現(xiàn)象，其孔洞仍然保持原貌，顆粒間的連接黏合在100 μm尺度中幾乎看不見，孔洞分布比較均勻，有利于流體的運(yùn)動(dòng)。因此在毛細(xì)測(cè)試中，樣品Cu-Bran-25表現(xiàn)較弱便在情理之中。

有意思的是，當(dāng)時(shí)間大于 40 s時(shí)，樣品Cu-Bran-125高度超越了樣品Cu-Bran-150高度，70、 180 s時(shí)，紅外熱像圖清楚地顯示位于中間位置樣品Cu-Bran-125毛細(xì)上升高度要高于其他兩個(gè)樣品。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)間大于40 s時(shí)，流體上升速度下降，流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力減弱，此刻上升液體產(chǎn)生的壓力差占據(jù)主要因素，由于毛細(xì)力的大小和當(dāng)量孔徑的大小呈正比，Cu-Bran-125樣品由于顆粒較細(xì)，在燒結(jié)的過(guò)程中孔隙也沒(méi)有破壞，因此其產(chǎn)生的毛細(xì)力要大于大徑粒 Cu-Bran-150樣品產(chǎn)生的毛細(xì)力，其上升的高度因此要優(yōu)于其他樣品。

圖4　枝狀銅粉調(diào)控管紅外熱像圖Fig.4 IR thermal images of capillary rise of samples with branch shape

圖5　枝狀顆粒樣品毛細(xì)上升曲線Fig.5 Capillary rise height over time of samples with branch shape

3.2 顆粒形狀的影響

采用同尺度100～125 μm顆粒球形粉末和枝狀粉末樣品進(jìn)行比較，球形粉末和枝狀粉末大小雖然一致，但其孔隙率相差懸殊，球形為0.29，枝狀為0.75。圖7顯示兩種不同樣品毛細(xì)上升曲線，圖中顯示兩樣品性能相差較大，無(wú)論是在毛細(xì)上升的初期，還是在毛細(xì)上升的末期，枝狀粉末樣品性能都優(yōu)于球狀粉末。25 s以后，枝狀粉末樣品明顯要高于球狀粉末樣品，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩者的高度有加大的趨勢(shì)，但不太明顯。雖然枝狀粉末和球狀粉末顆粒大小一樣，但由于孔隙率相差懸殊，枝狀粉末孔洞結(jié)構(gòu)要大于球狀粉末結(jié)構(gòu)，且孔洞連接方式更加豐富，因此毛細(xì)性能較球狀粉末優(yōu)越，流動(dòng)阻力也相對(duì)較低，因此在使用調(diào)控多孔結(jié)構(gòu)時(shí)，枝狀粉末要優(yōu)于球形粉末。此外，枝狀粉末填充量較小，幾乎是同尺寸球狀粉末的一半，非常節(jié)省材料，可降低制造成本。

圖6　枝狀顆粒燒結(jié)樣品SEM圖Fig.6 SEM picture of samples with branch shape

圖7　不同顆粒形狀樣品毛細(xì)上升曲線Fig.7 Capillary rise height over time of samples with different shape

3.3 孔隙率的影響

對(duì)于孔隙率的影響，采用同尺度、不同廠家生產(chǎn)的枝狀銅粉，所有樣品采用900℃燒結(jié)1 h工藝燒結(jié)，其孔隙率分別為0.72、0.75和0.56，其參數(shù)見表2。其毛細(xì)上升曲線如圖8所示，在80 s之前，三者毛細(xì)上升曲線幾乎重合，3種樣品性能很難區(qū)分出來(lái)；當(dāng)時(shí)間大于80 s時(shí)，3條曲線開始分開。毛細(xì)上升高度和孔隙率呈一定的反比關(guān)系，孔隙率越高，其毛細(xì)上升高度越低。樣品Cu-Bran-3125孔隙率最低為0.57，因此其當(dāng)量毛細(xì)半徑最小，產(chǎn)生的毛細(xì)壓力最大，毛細(xì)上升高度最高。特別值得注意的是，三者毛細(xì)上升高度雖然有差別，但差別較小，同顆粒尺寸相比，孔隙率大小對(duì)毛細(xì)力的影響相對(duì)弱很多。

表3　枝狀不同批次毛細(xì)測(cè)試樣品Table 2 Samples with branch shape from different manufactories

圖8　不同孔隙率枝狀顆粒樣品毛細(xì)上升曲線Fig.8 Capillary rise height over time for samples with branch shape

4　結(jié) 論

多孔金屬調(diào)控結(jié)構(gòu)的毛細(xì)特性受到粉末尺寸、孔隙率、粉末形狀及燒結(jié)工藝參數(shù)的影響。其中粉末尺寸對(duì)毛細(xì)影響較大，在3個(gè)不同尺寸大小的枝狀顆粒樣品中（<25 μm，100～125 μm和>150 μm），其毛細(xì)特征不呈線性關(guān)系，最優(yōu)值為顆粒尺寸100～125 μm樣品，該樣品毛細(xì)力極大，同時(shí)毛細(xì)上升流動(dòng)阻力較小。粉末形狀對(duì)毛細(xì)影響較大，球狀粉末毛細(xì)特性表現(xiàn)優(yōu)良，但由于流動(dòng)阻力較大，其綜合性能還是弱于枝狀樣品。孔隙率對(duì)毛細(xì)特性的影響較弱，遠(yuǎn)不如顆粒形狀、顆粒尺寸。

References

[1] BERGLES A E. ExHFT for fourth generation heat transfer technology [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 26: 335-344.

[2] TU W B, TANG Y, ZHOU B, et al. Experimental studies on heat transfer and friction factor characteristics of turbulent flow through a circular tube with small pipe inserts [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 56: 1-7.

[3] JI W T, ZHAO C Y, ZHANG D C, et al. Influence of condensate inundation on heat transfer of R134a condensing on three dimensional enhanced tubes and integral-fin tubes with high fin density [J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 38: 151-159.

[4] 譚羽非, 陳家新. 新型不銹鋼波紋管性能及強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2003, 18(1): 47-49.

TAN Y F, CHEN J X. Experimental study on the performance of a new type of stainless steel corrugated tube [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2003, 18(1): 47-49.

[5] 過(guò)增元, 黃素逸. 場(chǎng)協(xié)同原理與強(qiáng)化傳熱新技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

GUO Z Y, HUANG S Y. Principle of Cooperative Field and New Technology of Heat Transfer Enhancement [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004.

[6] 孟繼安, 陳澤敬, 李志信, 等. 交叉縮放橢圓管換熱與流阻實(shí)驗(yàn)研究及分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2004, 25(5): 813-815.

MENG J A, CHEN Z J, LI Z X, et al. Experimental study and analysis on heat transfer and flow resistance of elliptical tube with cross scaling [J]. Journal of Engineering Thermalphysics, 2004, 25(5): 813-815.

[7] WANG P, LIU D Y, XU C. Numerical study of heat transfer enhancement in the receiver tube of direct steam generation with parabolic trough by inserting metal foams [J]. Applied Energy, 2013, 102: 449-460.

[8] CHEN H X, XU J L, LI Z J, et al. Flow pattern modulation in a horizontal tube by the passive phase separation concept [J]. International Journal of Multiphase Flow, 2012, 45: 12-23.

[9] 陳宏霞, 徐進(jìn)良, 李子衿, 等. 相分離概念調(diào)控水平管分層流流型[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(7): 2045-2050.

CHEN H X, XU J L, LI Z J, et al. Stratified flow pattern modulation by phase separation concept [J]. CIESC Journal, 2012, 63(7): 2045-2050.

[10] ADKINS D R., DYKHUIZEN R C. Procedures for measuring the properties of heat pipe wick materials [C]// Proceedings of the 28th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 2010: 911-917.

[11] FREGGENS R A. Experimental determination of wick properties for heat pipe applications [C]// 4th Intersociety Energy Conference Engineering Conference. Washington, DC, 1969: 888-897.

[12] WEIBEL J A, GARIMELLA S V, NORTH M T. Characterization of evaporation and boiling from sintered powder wicks fed by capillary action [J]. International Journal Heat and Mass Transfer, 2010, 53(19/20): 4204-4215.

[13] HOLLEY B, FAGHRI A. Permeability and effective pore radius measurements for heat pipe and fuel cell applications [J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(4): 448-462.

[14] HWANG G S, NAM Y, FLEMING E, et al. Multi-artery heat pipe spreader: experiment [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(11/12): 2662-2669.

[15] BYON C, KIM S J. Capillary performance of bi-porous sintered metal wicks [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(15/16): 4096-4103.

[16] 鄧大祥. 微尺度熱質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)化槽道多孔結(jié)構(gòu)制造及性能研究[D].廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

DENG D X. Fabrication and properties of micro scale heat and mass transport through porous structure [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[17] DENG D X, TANG Y, ZENG J, et al. Characterization of capillary rise dynamics in parallel micro V-grooves [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77: 311-320.

[18] DENG D X, TANG Y, HUANG G H, et al. Characterization of capillary performance of composite wicks for two-phase heat transfer devices [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 56: 283-293.

[19] TANG Y, DENG D X, HUANG G H, et al. Effect of fabrication parameters on capillary performance of composite wicks for two-phase heat transfer devices [J]. Energy Conversion and Management, 2013, 66: 66-76.

[20] TANG Y, DENG D X, LU L S, et al. Experimental investigation on capillary force of composite wick structure by IR thermal imaging camera [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34: 190-196.

2015-09-10收到初稿，2016-04-06收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者:涂文斌（1979—），男，博士，講師。

Received date: 2015-09-10.

中圖分類號(hào):TB 657.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0438—1157（2016）07—2761—06

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151434

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U0934005，51575245）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB710703）；江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金項(xiàng)目（15JDG151）。

Corresponding author:TU Wenbin, 13912145@qq.com supported by the National Natural Science Foundation of China (U0934005,51575245), the National Basic Research Program of China(2011CB710703) and the Jiangsu University Scientific Research Foundation for Advanced Talents (15JDG151).

Capillary performance of metal porous media for heat transfer enhancement

TU Wenbin1, WANG Yun1, TANG Yong2
(1School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;
2Key Laboratory of Surface Functional Structure Manufacturing of Guangdong Higher Education Institutes, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract:Metal porous media which enables the gas and liquid separation is adopted to enhance heat transfer. Due to the different mechanical behavior between gas and liquid in the porous wall, the gas-liquid two-phase can be separated along the porous media insert, where gas cannot enter the porous wall and the liquid is free to flow in the center. Thus, the gas can flow along the tube wall and the liquid flow in the center of the tube, leading to a high heat transfer performance. Capillary force of the porous media has an important influence on the enhancement performance. In this paper, a novel capillary force testing method is used to test the capillary force of the metal porous media inserts. It is found that the capillary force of the porous media is associated with the powder material, particle size and the filling of the porosity. The particle shape is the most important factor affecting the capillary force and then the particle size, while the porosity is the weakest one.

Key words:capillary force; sintering; porous media; heat transfer; infrared thermograph