泡沫金屬傳熱傳質(zhì)性能強化方法及實驗研究

彭瑤 李立秋 李廣 王銀峰 朱躍釗

南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院

0 引言

熱管作為一種高效的傳熱元件，目前已經(jīng)在空調(diào)，熱泵，太陽能集熱器及余熱利用中廣泛使用。實踐證明，熱管的傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的傳熱元件。作為吸液芯熱管中的關(guān)鍵組成部分，吸液芯的傳熱傳質(zhì)性能直接決定了熱管的傳熱性能。傳統(tǒng)熱管中吸液芯的研究主要是溝槽吸液芯，絲網(wǎng)吸液芯和燒結(jié)吸液芯，以及由單一吸液芯組合而成的復(fù)合吸液芯[1-3]。泡沫金屬由于比表面積大，孔隙率大，傳熱性能好，近年來逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。但是低孔隙密度（PPI，指每英寸長度上的孔數(shù)）的泡沫金屬傳質(zhì)性能太差，不能直接用作吸液芯，常用的方法是經(jīng)過將其壓縮后再應(yīng)用于熱管中[4-5]。直接壓縮會改變泡沫金屬原本的PPI值，對泡沫金屬形貌、孔隙率、滲透率等主要性能產(chǎn)生顯著影響，且采用不同方法壓縮后傳熱傳質(zhì)性能不統(tǒng)一，難以進行評價，泡沫金屬傳熱傳質(zhì)性能不能得到保證。

本文利用磁控濺射高PPI 值的泡沫金屬，在不對泡沫金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響下提高其傳熱傳質(zhì)性能，制備出具有良好傳熱傳質(zhì)效果的熱管吸液芯。

1 磁控濺射泡沫銅的制備

本文采用射頻型磁控濺射，在靶材和基底間加入交變電場，納米氧化鋅在基底表面生長。磁控濺射系統(tǒng)由真空系統(tǒng)，濺射系統(tǒng)，氣體控制系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)和其它管路系統(tǒng)組成，主要設(shè)備有可編程控制系統(tǒng)，機械泵，分子泵，真空計，射頻電源、自動射頻匹配器，氬氣瓶，質(zhì)量流量計，冷水機組和加熱帶，系統(tǒng)及其工作原理如圖1 所示。

圖1 磁控濺射系統(tǒng)及其原理

在熱管中最常用的吸液芯是燒結(jié)銅粉吸液芯，常用的銅粉顆粒直徑約為40～160 μm，燒結(jié)后孔徑約為1～500 μm[6-7]，因此本文中選用PPI 為150 的泡沫銅作為基底進行磁控濺射，其絲徑約為50～80 μm，孔徑約為100～200 μm。

本次試驗中各試樣實驗參數(shù)如表1 所示。

表1 磁控濺射實驗參數(shù)

2 池沸騰試驗平臺

泡沫金屬制備方法有很多，不同的制備方法得到的泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)各不相同，其次，由于泡沫金屬骨架的金屬絲不規(guī)則纏繞，進一步導(dǎo)致了泡沫金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。在熱管中存在多種傳熱方式，傳熱過程也非常復(fù)雜，將制備的泡沫金屬直接應(yīng)用在熱管中難以對它的傳熱強化作用進行理論分析，因此，本文中搭建了如圖2 所示的池沸騰換熱性能試驗平臺，用于測試泡沫金屬在池沸騰中的傳熱效果，對其作為吸液芯應(yīng)用于熱管中提供一定的實驗理論基礎(chǔ)。試驗平臺主要包括試驗腔體、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個部分。

圖2 池沸騰換熱性能試驗平臺示意圖

試驗平臺的腔體采用透明的PC 板組成，頂部放置一個冷凝器，將沸騰中產(chǎn)生的大部分蒸汽冷凝下來。腔體中放置兩根熱電偶用于測量流體溫度。主加熱器加熱段內(nèi)均勻布置16 根直徑為8 mm，長度為20 mm 的加熱棒，每根加熱棒的最大功率為100 W。主加熱器上布置有2 組監(jiān)控溫度變化的熱電偶，分別布置在主加熱器兩個表面上。每組熱電偶包含3 根T 型熱電偶，每兩根熱電偶之間的間距Δx為7.5 mm。熱電偶T1與加熱表面的距離L 為24 mm。輔助加熱器為一直徑20 mm，長度120 mm 的加熱棒，最大功率為1500 W。腔體底部安裝4 個彈片用于固定泡沫金屬。試驗腔體的端蓋采用卡槽與主體部分連接，更換待測樣品時從頂部進行操作。

3 泡沫銅作為吸液芯的傳質(zhì)性能測試

3.1 形貌

圖3，圖4 分別為一千倍、三萬倍下不同濺射時間下泡沫銅的SEM 圖像。由圖3（a），圖4（a）可知，沒有濺射納米氧化鋅的泡沫銅金屬絲表面是光滑平整，但是裂痕較多，且遍布小孔。圖3（b）～（e），圖4（b）～（e），濺射時間分別為12 h，24 h，36 h，48 h，隨著濺射時間的增長，金屬絲上沉積的納米氧化鋅越來越均勻，也越來越厚，當(dāng)濺射時間達到48 h 后，金屬絲表面完全被納米粒子覆蓋，微觀結(jié)構(gòu)完全改變。

圖4 30000 倍下不同濺射時間泡沫銅SEM 圖像

3.2 接觸角

吸液芯表面潤濕性能的一個重要參數(shù)是接觸角。接觸角是指在固-液-氣三相的交界處，液體與氣體的切線與固體表面形成的夾角θ。θ＜90°為親水性表面，接觸角θ＞90°為疏水性表面。其中，θ＜10°為超親水表面，接觸角θ＞150°為超疏水表面。接觸角的大小與固體表面的結(jié)構(gòu)、粗糙程度、液體表面張力系數(shù)息息相關(guān)。

本次實驗中采用量角法測量泡沫銅表面的接觸角，實驗中，每個樣品的正反面都取6 個不同的點進行測量，取平均值作為實驗結(jié)果。測試結(jié)果如表2 所示。隨著濺射時間的增加，泡沫銅正反面接觸角都逐漸減小，泡沫銅正面接觸角首先開始減小，反面接觸角減小滯后于正面，但當(dāng)濺射時間達到48 h，正反面接觸角大致相當(dāng)。濺射時間為0 h，12 h，24 h 時，正反面接觸角均大于90°，都為疏水性表面。濺射時間為36 h 時，泡沫銅正面接觸角55.17°，呈親水性。反面接觸角113.44°，為疏水性。濺射時間達到48 h 后，泡沫銅正反兩面均體現(xiàn)出超親水特性，接觸角分別為2.01°，2.51°。

表2 泡沫金屬接觸角

3.3 孔隙率

孔隙率是影響熱管吸液芯的一個主要參數(shù)，孔隙率是指多孔介質(zhì)中空隙的總體積與介質(zhì)總體積的比值?？紫堵蔬^大，會導(dǎo)致吸液芯導(dǎo)熱系數(shù)低，毛細(xì)力不足，不能及時補液。而過小的孔隙率會給工質(zhì)的流動造成很大的阻力。為了保證足夠的滲透性能，在環(huán)路熱管中，吸液芯的孔隙率應(yīng)不低于55%[8]。本次測試中采用阿基米德法測量泡沫金屬的孔隙率，測試所用儀器為HZK-FA1100 分析天平。

為了降低測量誤差，本次實驗中每個樣品測試5次，取其平均值作為實驗孔隙率，孔隙率值如表3 所示。泡沫金屬經(jīng)磁控濺射處理后，泡沫金屬絲上沉積有一定厚度的納米氧化鋅，隨著沉積時間的增加，泡沫金屬的絲徑逐漸增大，孔徑逐漸減小，沉積48 h 后，孔隙率降低了5.48%。磁控濺射填充的納米級氧化鋅對泡沫金屬的孔隙率影響較小。

表3 泡沫金屬孔隙率

3.4 滲透率

滲透率是由達西定律定義的一個直接衡量多孔介質(zhì)中工質(zhì)滲透性能的參數(shù)[6、9]，其表達式為：

式中：K 為滲透率，m2；u 為流體流動速度，m/s；μ 為流體粘度為流體流動方向上的壓力梯度，Pa/m。

由Bhattacharya 經(jīng)驗公式計算得到的滲透率如表4 所示。由表中可知，在150 PPI 的泡沫金屬中，隨著濺射時間的增長，滲透率逐漸降低，磁控濺射48 h 的150 PPI 泡沫金屬滲透率最小。在熱管中，為了保證工質(zhì)具有足夠的循環(huán)動力，吸液芯滲透率不應(yīng)低于10-13m2[10]，本文中5 個樣品的滲透率均高于10-13m2。

表4 泡沫金屬滲透率

3.5 毛細(xì)性能

影響環(huán)路吸液芯熱管性能的兩個直接的參數(shù)是吸液芯的毛細(xì)極限和沸騰極限[6]，吸液芯的毛細(xì)性能決定了其毛細(xì)極限。

熱管中工質(zhì)的回流動力由吸液芯的毛細(xì)力提供，毛細(xì)力可有Laplace-Young 方程計算：

式中：ΔPc為毛細(xì)力，Pa；σ 為液體的表面張力，N/m。

工質(zhì)在吸液芯中的運動主要受到毛細(xì)力（ΔPc）、摩擦阻力（ΔPf）、靜水壓力（ΔPh）三個力的作用。當(dāng)毛細(xì)力大于摩擦阻力和靜水壓力時，工質(zhì)在吸液芯中不斷攀升，直至三個力達到平衡狀態(tài)：

式中：h 為工質(zhì)的攀升高度，m；ρ 為工質(zhì)密度，kg/m3；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2。

在本次實驗中，采取去離子水為工作介質(zhì)，在準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)下，相對于靜水壓力來說摩擦壓力很小，可以忽略不記，因此式（3）可簡化為：

吸液芯最大理論提升高度為：

由式（5）可知，在同一種工質(zhì)下，吸液芯的毛細(xì)力最大理論提升高度與其孔徑成反比，表5 所示為計算得出的泡沫金屬毛細(xì)力和對去離子水的最大理論提升高度。從表中可知，在以去離子水為工質(zhì)的工況下，隨著孔徑的逐漸減小，泡沫金屬的毛細(xì)力和最大理論提升高度逐漸增大。磁控濺射48 h 后，泡沫金屬的最大理論提升高度提高了110.67 mm，毛細(xì)性能較磁控濺射0 h 的泡沫銅提高了1.59 倍。

表5 泡沫金屬毛細(xì)性能

4 泡沫銅作為吸液芯的傳熱性能測試

4.1 計算方法

在試驗中，主加熱器周圍都用保溫棉包裹，因此忽略主加熱器向環(huán)境的散熱，認(rèn)為主加熱器上的導(dǎo)熱是一維的，主加熱器上的溫度梯度通過泰勒級數(shù)逼近得到：

式中：T1為主加熱器上熱電偶T1的溫度平均值，K；T2為主加熱器上熱電偶T2的溫度平均值，K；T3為主加熱器上熱電偶T3的溫度平均值，K；Δx 為熱電偶間的布置間距，m。

主加熱器上熱流密度計算式為：

式中：λcu為紫銅塊的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

加熱表面的壁面溫度通過主加熱器上的溫度梯度推算，計算公式為：

式中：L 為加熱表面與熱電偶T1間的布置間距，m。

流體的溫度Ts取去離子水中兩根熱電偶測量值的平均值。加熱表面的壁面過熱度為：

加熱表面的沸騰換熱系數(shù)為：

4.2 不同濺射時間泡沫銅的池沸騰性能

磁控濺射不同時間后，泡沫銅的池沸騰曲線如圖5 所示。在泡沫銅表面，由于表面孔隙大，氣泡成核點多，沸騰起始點過熱度ΔT 約為5 K。熱流密度低于27 W/cm2時，氣泡形成速度較慢，不同濺射時間泡沫銅的池沸騰換熱性能差異很小。當(dāng)熱流密度高于27 W/cm2后，氣泡形成和脫離的速度很快，換熱性能的差異越來越明顯。

圖5 不同濺射時間泡沫銅的沸騰換熱性能

在高熱流密度下，氣泡生成的速度很快。150 PPI的泡沫銅金屬絲密集，導(dǎo)熱系數(shù)高，沸騰過程中氣泡不僅在泡沫銅表面形成，泡沫銅內(nèi)部的孔隙內(nèi)也會形成大量的氣泡。在疏水性表面，氣泡生成后沒有及時脫離，相鄰的氣泡會相互聚合形成大氣泡，氣泡聚集在泡沫金屬內(nèi)更加難以脫離。隨著濺射時間的增加，泡沫銅的接觸角越來越小，潤濕性能越來越好，在高熱流密度下氣泡形成后脫離速度越來越快，氣泡之間不相互聚合，因此親水性越好的泡沫銅最大壁面過熱度越小，臨界熱流密度和換熱系數(shù)越高。T-0，T-12，T-24，T-36，T-48 的最大壁面過熱度分別為37.53 K，37.18 K，35.68 K，34.71 K，32.59 K；臨界熱流密度分別為84.68 W/cm2，85.56 W/cm2，90.13 W/cm2，93.17 W/cm2，95.33 W/cm2；最大換熱系數(shù)分別為2.26 W/(cm2·K)，2.30 W/(cm2·K)，2.53 W/(cm2·K)，2.68 W/(cm2·K)，2.93 W/(cm2·K)。磁控濺射氧化鋅48 h 后的泡沫銅比沒有磁控濺射的泡沫銅最大壁面過熱度下降了4.94 K，臨界熱流密度提升了12.55%，最大換熱系數(shù)提升了29.65%。

5 結(jié)論

本文中采用磁控濺射氧化鋅的方法制備出可直接用于熱管的泡沫金屬吸液芯，這種類型的吸液芯在傳熱傳質(zhì)性能上較普通泡沫銅有明顯強化，主要的表現(xiàn)為：

1）在傳質(zhì)性能方面，磁控濺射對泡沫銅的孔隙率影響不大，滲透率雖下降明顯但仍滿足作為熱管吸液芯的要求，并且與沒有濺射的泡沫銅相比，磁控濺射泡沫銅吸液芯的最大理論提升高度提高了1.59 倍。

2）在傳熱能力上，泡沫銅從疏水性材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性材料，傳熱能力有了明顯提高，與沒有濺射的泡沫金屬相比，磁控濺射48 h 后其最大壁面過熱度下降了4.94 K，臨界熱流密度提升12.55%，最大換熱系數(shù)提升29.65%。