全氟烷基表面活性劑強(qiáng)化池沸騰換熱

邢美波，龔志明，王瑞祥

（北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京市建筑能源高校綜合利用工程技術(shù)研究中心，北京100044）

沸騰是同時在液體表面及內(nèi)部發(fā)生劇烈汽化的過程，具有高熱流密度、高效傳熱的特點而應(yīng)用廣泛。隨著用能需求的不斷提高，采用傳統(tǒng)工質(zhì)的池沸騰已不能滿足需求。近年來，提高沸騰傳熱系數(shù)已成為研究熱點[1-4]。目前在強(qiáng)化沸騰的方法中，許多研究表明應(yīng)用表面活性劑溶液可以強(qiáng)化核態(tài)池沸騰特性[5-8]。Wasekar 等[9]選擇了兩種陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate,SDS） 和十二烷基醚硫酸鈉磺酸（sodium lauryl ether sulfate，SLES）及非離子表面活性劑聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）和聚氧乙烯辛烷基苯酚醚（Triton X-305）進(jìn)行池沸騰實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑池沸騰換熱具有沸騰起始點提前并且沸騰現(xiàn)象明顯強(qiáng)化的特征，強(qiáng)化作用隨表面活性劑分子質(zhì)量減小而增加。王曄春等[10]通過選用不同類型表面活性劑SDS 和Triton X-100，系統(tǒng)地研究了表面活性劑對于乙醇-水混合工質(zhì)的強(qiáng)化沸騰換熱規(guī)律。結(jié)果表明表面活性劑對混合工質(zhì)沸騰換熱能起到一定程度的強(qiáng)化作用，減少了使用雙組分混合工質(zhì)引起的換熱性能下降。Wu 等[11]用7 種不同的表面活性劑進(jìn)行了池沸騰實驗研究，并指出靜態(tài)表面張力是沸騰傳熱強(qiáng)化的原因之一，但如果要對沸騰換熱過程進(jìn)行全面分析，還需要考慮溶液的動態(tài)表面效應(yīng)。

表面活性劑的添加主要改變沸騰過程中的界面特性，進(jìn)而增加汽化核心密度，從而影響了沸騰汽泡行為，強(qiáng)化沸騰傳熱過程。因此，通過可視化手段觀察汽泡行為的變化是分析研究池沸騰過程的最直接方法。Najim等[12]使用尼古丁作為表面活性劑進(jìn)行實驗，并進(jìn)行了可視化觀察。發(fā)現(xiàn)溶液濃度達(dá)到2500mg/L（1mg/L=0.0001‰）時可將溶液表面張力減小一半左右。表面張力的減小使產(chǎn)生汽泡所需的能量減少，進(jìn)而增加了汽化核心密度，使得生成更多更小的汽泡，實驗結(jié)果同樣也表明，表面活性劑的添加對溶液的池沸騰換熱有明顯的強(qiáng)化效果。Wang等[13]采用十六烷基三甲基氯化銨和水楊酸鈉復(fù)配溶液（CTAC/NaSal）進(jìn)行核態(tài)池沸騰換熱實驗，并用高速攝像機(jī)觀察沸騰現(xiàn)象。結(jié)果顯示表面活性劑水溶液池沸騰存在強(qiáng)射流現(xiàn)象與汽泡破裂，從而導(dǎo)致擾動和沸騰換熱的加強(qiáng)。另外，有學(xué)者指出，潤濕性對于表面活性劑池沸騰也有著重要影響。Wen等[14]使用SDS和Triton X-100添加劑并改變沸騰表面粗糙度，通過實驗發(fā)現(xiàn)沸騰表面潤濕性的改變增加了Triton X-100水溶液的沸騰換熱效果，但降低了SDS水溶液的強(qiáng)化效果。表面活性劑的特點在于添加量較少即可明顯降低溶液表面張力。其降低表面張力的效果隨濃度增加而增大，但是當(dāng)達(dá)到臨界膠束濃度后，表面活性劑分子聚集形成膠束，此后繼續(xù)增大濃度，溶液表面張力幾乎不變化。Hetsroni等[15]用Habon G表面活性劑進(jìn)行實驗，當(dāng)濃度較小時，隨著濃度增大強(qiáng)化效果增加。當(dāng)濃度為530mg/L時，達(dá)到最佳強(qiáng)化沸騰換熱效果，超過此濃度后溶液因黏度增大而削弱強(qiáng)化效果。

相比常用的碳?xì)浔砻婊钚詣?，全氟烷基型表面活性劑能夠使溶液達(dá)到更低的表面張力。在添加量很小時即可明顯改變?nèi)芤罕砻鎻埩?，而幾乎不會對溶液的其他物性產(chǎn)生影響。有文獻(xiàn)表明，氟碳表面活性劑水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.005%～0.1%時，最低表面張力可降低至20mN/m 左右[16]，而碳?xì)浔砻婊钚詣┧芤嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%～1%時才能將表面張力降低至30mN/m左右。此外，在池沸騰換熱中汽泡迅速產(chǎn)生、合并、脫離、裂解，整個過程是一個十分迅速的瞬態(tài)過程。因此表面活性水溶液的動態(tài)特性更為重要。因此，本文選擇全氟烷基季銨碘化物（Le-134）作為添加劑進(jìn)行池沸騰換熱機(jī)理實驗研究。同時，為了深入研究表面活性劑溶液池沸騰的作用機(jī)理，測定了不同濃度Le-134 的靜態(tài)表面張力和動態(tài)表面張力，從動態(tài)吸附特性和潤濕性角度進(jìn)行了研究，并通過可視化方法觀察了沸騰中的汽泡行為。

1 實驗材料和方法

1.1 表面活性劑溶液的界面特性

選擇陽離子氟碳表面活性劑全氟烷基季銨碘化物（Le-134）。在5～400mg/L 濃度范圍內(nèi)配制相應(yīng)濃度的表面活性劑水溶液，放入超聲波振蕩儀中加熱至60℃后振蕩15min，取出靜置1天，沒有沉淀產(chǎn)生。對表面活性劑水溶液分別進(jìn)行靜態(tài)及動態(tài)表面張力測試。測試儀器采用美國科諾工業(yè)有限公司生產(chǎn)的全自動表面/界面張力儀，型號A801，測試方法為鉑片法。測量儀器溫度傳感器測值精度0.1℃，測量范圍0～999.9mN/m，測量精度0.04mN/m。靜態(tài)表面張力測試溫度為30℃，動態(tài)表面張力測試溫度為23℃。表面張力測試開始后，鉑片由軟件控制緩慢下降，當(dāng)鉑片接觸到溶液表面時，表面張力示數(shù)開始變化，等待表面張力變化基本穩(wěn)定（10s 內(nèi)表面張力變化≤0.1mN/m）后取值。靜態(tài)表面測試中每個濃度的溶液重復(fù)測量5次取平均值。動態(tài)表面張力測試方法是：在測試皿中添加定量的去離子水，計算好測量溶液的濃度，用注射器將表面活性劑溶液注入至測試皿中立即測定表面張力。軟件自動記錄表面活性劑溶液動態(tài)表面張力隨時間的變化過程，對不同濃度的Le-134 表面活性劑溶液在光滑紫銅面上的接觸角進(jìn)行接觸角測量。接觸角測量方法為圖像分析法，測量儀器采用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JC2000D1型接觸角測量儀，測量范圍0～2000mN/m，測量精度0.01°，圖像放大率50～318pixel/mm。為保證測量準(zhǔn)確，測試前紫銅面均保證潔凈，每次滴液量3μL左右。滴液后穩(wěn)定1min左右記錄圖像測量接觸角。

1.2 沸騰實驗

圖1為實驗池沸騰實驗裝置示意圖。主要由沸騰容器、加熱裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、拍攝裝置和冷卻裝置組成。沸騰容器由上下兩塊銅板及有機(jī)玻璃組成。沸騰容器的上下表面為厚度1cm、邊長為20cm 的正方形銅板，側(cè)壁有機(jī)玻璃高15.7cm。在沸騰容器底部銅板中心處開一圓孔接紫銅導(dǎo)熱圓柱。將紫銅導(dǎo)熱圓柱的上表面（直徑為18mm的圓形表面）作為沸騰表面，實驗前用#2000砂紙打磨光滑。在導(dǎo)熱圓柱上以6mm間隔等距設(shè)置4個測溫點連接熱電偶。圓孔孔徑2mm，深度10mm，以確保熱電偶所測為紫銅導(dǎo)熱圓柱中心處溫度。熱電偶選用Omega 5TC-TT-J-24-72 型熱電偶進(jìn)行測量，使用前經(jīng)過0.1℃溫度計校準(zhǔn)標(biāo)定。所測量溫度由Agilent 34970A 實時采集，精度為0.04%。拍攝裝置為Phantom V211 型高速攝像機(jī)，拍攝成像速率為1900fps，所記錄圖片分辨率為1280×720。

1.3 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

池沸騰實驗在常壓下進(jìn)行。每次實驗開始前，首先用去離子水洗凈沸騰容器內(nèi)部及沸騰表面。然后將配制好的3000mL 表面活性劑溶液倒入沸騰容器中，使其內(nèi)部水面浸沒沸騰表面及輔助加熱器。通過調(diào)節(jié)輔助加熱器輸入功率加熱內(nèi)部溶液，并通過熱電偶監(jiān)測液體主體溫度變化，同時調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)使其液體主體溫度始終穩(wěn)定在液體飽和溫度100℃。調(diào)節(jié)主加熱器的輸入功率達(dá)到各個所需工況，待溫度變化穩(wěn)定后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄測點溫度。由于紫銅圓柱導(dǎo)熱件具有良好的導(dǎo)熱性[λ=393W/(m·K)]，因而在垂直方向上符合一維線性導(dǎo)熱規(guī)律。因此，熱流密度和沸騰表面實際溫度可由計算式(1)～式(3)得出。

圖1 池沸騰實驗臺示意圖

式中，q為熱流密度，W/cm2；λ為熱導(dǎo)率，W/(cm·K)；δi-f為測點間距，cm；Ti、Tf為測點溫度，K；1～4 依次為導(dǎo)熱銅柱從上表面向下的4 個測溫點；Tw為沸騰表面溫度，K；δf-w為測點至沸騰表面距離，cm；h為沸騰換熱系數(shù)，W/(m·K)；Ts為液體飽和溫度，K。池沸騰實驗均在常壓條件下進(jìn)行，熱流密度10～80W/cm2，每組實驗工況重復(fù)測量3次并拍攝沸騰圖像。

表面張力測量儀器測量精度為0.04mN/m。表面張力測試環(huán)境溫度測量誤差為±0.1℃。池沸騰實驗中，熱電偶溫度測量誤差為±0.1K，測點間距測量誤差為±0.1mm。由于溫度變化紫銅熱導(dǎo)率變?yōu)椤?W/(m·K)。為了減少實驗過程中散熱損失，用保溫材料將紫銅導(dǎo)熱圓柱包裹住。保溫層的散熱損失可跟據(jù)室溫和保溫層表面測得溫度由傳熱學(xué)導(dǎo)熱方程求出，見式(4)～見式(6)。當(dāng)熱流密度為80W/cm2時，導(dǎo)熱件表面溫度與環(huán)境溫度溫差最大，散熱損失最大為7.83%。實驗中熱流密度最大不確定度為4.18%，沸騰表面溫度最大不確定度為4.24%，沸騰換熱系數(shù)最大不確定度為5.95%。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 表面張力

Le-134 溶液靜態(tài)表面和動態(tài)表面張力測試結(jié)果分別如圖2、圖3 所示。從圖2 中可以看出，隨著Le-134 濃度增大，溶液表面張力先迅速減小然后幾乎不變。因此從圖2中可知，Le-134的臨界膠束濃度約在40mg/L，對應(yīng)表面張力約為16mN/m。與其他類型的表面活性劑相比，Le-134 在很低濃度時即明顯降低了溶液的表面張力，可降低表面張力50mN/m以上。這種特性可能是由其獨特的疏水基團(tuán)種類和分子結(jié)構(gòu)所造成的。Le-134 表面活性劑分子由親水基頭部和長鏈的疏水尾鏈組成。長鏈的全氟烷基增大了空間效應(yīng)，表面活性劑分子排布更緊密，表面活性劑分子飽和吸附量增大，增強(qiáng)了表面活性。另外，有文獻(xiàn)指出，當(dāng)全氟烷基疏水鏈用碳氟鍵取代碳?xì)滏I后，可以明顯提高表面活性劑的吸附效率，即可以在很低的濃度下明顯降低表面張力[17]。Le-134 陽離子型表面活性劑兼具高降低表面張力效能和高吸附效率兩大特點，從反離子角度也可以解釋這一現(xiàn)象。對于陽離子型表面活性劑，表面活性劑的CMC 與分子結(jié)構(gòu)中反離子與膠束締合密切相關(guān)。由于反離子與陽離子間結(jié)合緊密，可以部分中和陽離子電荷，減小靜電斥力，進(jìn)而減小了表面活性劑分子的吸附阻力。隨著締合程度越高，這種作用越明顯，其CMC 越小，并且降低表面張力效率越高。反離子與膠束的締合程度由化合價與離子尺寸共同決定。有研究表明，對于陽離子表面活性劑鹵化烷基吡啶系列，CMC 遵循I-＜Br-＜Cl-[17]。Le-134 中含有的I-具有很大的反離子半徑，可以與膠束緊密締合。因此Le-134 陽離子型表面活性劑在既有出色地降低表面張力效能的同時，還兼具高降低表面張力效率。

圖2 Le-134水溶液靜態(tài)表面張力

圖3 Le-134水溶液動態(tài)表面張力

不同濃度的Le-134陽離子水溶液表面張力隨時間的變化趨勢如圖3所示。Le-134在低濃度時（10～15mg/L）動態(tài)表面張力變化較為緩慢且變化趨勢相似。由于濃度較低，因此如表面活性劑分子熱運(yùn)動以及在重復(fù)實驗中表面活性劑分子在鉑片上吸附的差異等影響因素對分子擴(kuò)散吸附過程的影響作用顯得更為突出。但就整體而言，Le-134在濃度較低時的動態(tài)表面張力變化過程的控制機(jī)制相同，變化規(guī)律相近。Le-134在濃度較低（20mg/L）時，經(jīng)過大約60s可近似達(dá)到界平衡狀態(tài)，表面張力為25mN/m左右；在達(dá)到超過CMC的較高濃度下（≥40mg/L），10s左右溶液表面張力即降低到20mN/m以下，經(jīng)過大約30s達(dá)到界平衡狀態(tài)。隨著濃度的增加，表面張力的下降速度明顯加快，達(dá)到界平衡態(tài)的時間也隨之減少，而在濃度達(dá)到40mg/L以后，動態(tài)表面張力變化速率變化不大。其原因可能是因為吸附機(jī)制發(fā)生改變，在濃度較低時吸附方式主要為擴(kuò)散控制吸附，隨Le-134濃度增大，體相中表面活性劑分子濃度梯度增大吸附速率加快。而后隨著濃度進(jìn)一步增大，吸附勢壘隨濃度增大而增大，吸附方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿恿ξ娇刂?。在新形成的汽泡的汽液界面處，表面活性劑分子?shù)量的增多提高了表面壓，體相中的表面活性劑分子需要具有一定的活化能克服表面壓才能吸附到表面上。

2.2 接觸角

不同濃度的Le-134 水溶液在光滑紫銅面上接觸角測試結(jié)果如圖4 所示。從圖中可以明顯看出，隨著濃度增大，Le-134 水溶液在光滑紫銅表面鋪展更好，接觸角明顯減小，在光滑銅面上的潤濕性明顯提高。300mg/L的Le-134水溶液在光滑紫銅表面的汽液界面接觸角僅為21°。

2.3 汽泡行為

圖5 是由高速攝像機(jī)拍攝的在不同加熱功率下，去離子水和不同濃度表面活性劑水溶液的池沸騰圖像。從加熱功率角度看，Le-134 溶液池沸騰與去離子水沸騰現(xiàn)象隨加熱功率變化趨勢相似。均隨著加熱功率增大沸騰表面過熱度增大，去離子水和表面活性劑溶液在銅表面產(chǎn)生汽泡的數(shù)量明顯增多，生成的汽泡直徑明顯減小。這個現(xiàn)象與Samuel等[18]所提出的理論一致。不同的是，Le-134的添加明顯改變了沸騰表面的汽泡行為。在同熱流密度下相較去離子水而言明顯增多了汽泡數(shù)量，并且加熱表面生成大量分散的小直徑汽泡，形成沸騰汽柱。此外，汽泡合并的趨勢明顯減弱，脫離沸騰表面的汽泡更接近球型。這一現(xiàn)象主要與表面活性劑分子的兩親特性有關(guān)。表面活性劑分子結(jié)構(gòu)由親水基頭部和疏水長鏈尾部組成。在沸騰產(chǎn)生汽泡的過程中，表面活性劑分子從液體體相擴(kuò)散到汽泡表面并以特定方向緊密排布在汽泡表面上，帶電性的親水基向外而疏水尾部向內(nèi)。當(dāng)兩個汽泡相接觸時，其表面的親水基團(tuán)由于靜電斥力作用而減少了汽泡合并的現(xiàn)象。根據(jù)已有的公式，汽泡產(chǎn)生脫離直徑[19]可表示為式(7)和式(8)。

式中，rmin為最小有效汽化核心半徑，m；γlv為汽化潛熱，J/(kg·K)；ρv為汽體密度，kg/m3；ΔT為壁面過熱度，K；d0為汽泡脫離直徑，m；Cl為經(jīng)驗系數(shù)；θc為接觸角，rad；σ為表面張力，N/m；ρl為液體密度，kg/m3。

圖4 不同濃度Le-134水溶液在光滑紫銅面上的接觸角

圖5 不同加熱功率下去離子水和Le-134（40mg/L）的沸騰現(xiàn)象

由表面張力和接觸角測試結(jié)果可知，Le-134可以明顯降低溶液的表面張力并減小接觸角。根據(jù)汽泡動力學(xué)和相際平衡熱力學(xué)理論可知，汽泡在沸騰表面的形成長大及脫離過程與表面張力和接觸角密切相關(guān)。汽泡在長大及脫離表面過程中，受到汽泡內(nèi)外壓力差、表面張力、浮力等因素的影響。表面張力的減小有利于激活更多的汽化核心和汽泡長大。因此，Le-134的添加明顯減小了生成汽泡有效汽化核心半徑，增加了汽化核心密度。同時，根據(jù)式(8)，表面張力和接觸角的減小也使從沸騰表面汽泡脫離直徑明顯減小。而根據(jù)汽泡脫離頻率與汽泡脫離直徑的關(guān)系[19]，當(dāng)汽泡脫離直徑減小后，汽泡脫離頻率加快。因此，在表面活性劑池沸騰中可以看到大量的小汽泡在沸騰表面上生成并脫離形成汽柱。此外，從圖6不同濃度Le-134水溶液的沸騰現(xiàn)象中可以看出，隨著表面活性劑濃度的增大，生成汽泡的直徑減小、汽泡生成數(shù)量增加的趨勢更加顯著。

2.4 沸騰曲線

圖6 不同濃度Le-134水溶液在40W/cm2加熱條件下的沸騰現(xiàn)象

圖7 Le-134水溶液及去離子水沸騰曲線

圖8 Le-134水溶液及去離子水沸騰換熱系數(shù)與熱流密度關(guān)系曲線

不同濃度Le-134 水溶液及去離子水加熱功率-過熱度沸騰換熱曲線如圖7 所示，換熱系數(shù)與熱流密度關(guān)系曲線如圖8 所示。同時，選擇了Rohsenow 關(guān)聯(lián)式[20]并做出預(yù)測曲線以驗證實驗結(jié)果的可靠性。結(jié)合圖7和圖8可以看出，在Le-134濃度較低時，強(qiáng)化沸騰換熱的效果有限。不論是沸騰表面過熱度還是沸騰換熱系數(shù)，都與去離子水工況近似。隨著Le-134 水溶液濃度提高，沸騰曲線出現(xiàn)明顯變化。在濃度超過40mg/L 后，在20～80W/cm2熱流密度下，沸騰換熱相比去離子水工況均出現(xiàn)明顯強(qiáng)化。相同加熱功率下，沸騰表面過熱度隨濃度增加明顯減小，沸騰曲線向左移動，并且沸騰換熱系數(shù)明顯增大，表明池沸騰換熱效果隨Le-134 濃度增大強(qiáng)化效果愈加顯著。在實驗工況范圍內(nèi)，濃度300mg/L 的Le-134 溶液強(qiáng)化效果最為顯著。在10W/cm2下，300mg/L 的Le-134 溶液池沸騰換熱系數(shù)相比去離子水增加了109.1%；過熱度相比去離子水工況減小了49.3%。這主要是因為添加Le-134 后表面張力明顯降低，池沸騰中汽液界面特性產(chǎn)生變化進(jìn)而影響了池沸騰中的汽泡行為。表面張力的降低減小了汽泡成核最小半徑，大大增加了活躍汽化核心數(shù)量，并且使汽泡更易克服表面張力影響長大脫離。大量的小直徑汽泡的生成以及汽泡脫離頻率的加快，以汽液相變的方式加快了從沸騰壁面帶走熱量。另一方面，大量汽泡產(chǎn)生脫離也增加了沸騰壁面附近熱邊界層的擾動，強(qiáng)化了沸騰傳熱過程。有學(xué)者通過對表面活性劑溶液沸騰中汽泡動力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，除表面張力、浮力、黏性力、慣性力外，汽泡間的排斥力也對沸騰現(xiàn)象有著顯著的影響作用[21]。其大小與表面活性劑分子特性密切相關(guān)，可表示為式(9)。

式中，F(xiàn)R是汽泡間排斥力，N；Π是汽泡間分離壓力，Pa，可由DLVO理論計算得出；ATF為汽泡間的微液膜區(qū)域；cosφ為FR與汽泡法向夾角，rad。根據(jù)前文對Le-134 分子吸附特性可知，Le-134 分子具有分子排布緊密、高吸附效率和飽和吸附量大的特點。因而沸騰中Le-134 分子迅速布滿產(chǎn)生的汽泡表面，減小表面張力，形成小汽泡。并且形成的小汽泡間由于陽離子型表面活性劑帶電性頭部基團(tuán)的靜電作用而具有強(qiáng)排斥力，所以雖然此時汽泡直徑很小，所受浮力作用也很小，卻依然得以從沸騰表面脫離。因此這一作用有利于縮短沸騰周期，加快沸騰壁面液體蒸發(fā)傳熱，減小壁面過熱度并增大沸騰換熱系數(shù)。

此外，從圖8 中可以看出，在相同熱流密度下，Le-134 水溶液相比去離子水明顯降低了沸騰表面的過熱度。而在高熱流密度下，Le-134 溶液過熱度下降程度有所減小，沸騰換熱系數(shù)的增加程度相比較低熱流密度時也有所降低。這可能是因為在高熱流密度下沸騰現(xiàn)象十分劇烈，進(jìn)而影響了相變過程的傳熱方式。在高熱流密度下，沸騰表面的微液層迅速蒸發(fā)變成蒸汽，大量產(chǎn)生的蒸汽在沸騰表面匯聚成一個較大汽泡才從表面脫離。在大汽泡形成并最終脫離的過程中，沸騰表面的傳熱方式瞬時間由相變主導(dǎo)變化為通過汽泡導(dǎo)熱及熱輻射方式，因而此時的過熱度下降程度相比低熱流密度時有所減小。q-h及h-q曲線的變化與可視化觀察到的沸騰現(xiàn)象可以很好地相互印證。值得說明的是，在實驗工況范圍內(nèi)，Le-134 的沸騰曲線隨濃度增大向左偏移，沸騰換熱系數(shù)單調(diào)增大。這一結(jié)果與其他傳統(tǒng)碳?xì)漕惐砻婊钚詣嶒灲Y(jié)果有所不同。傳統(tǒng)碳?xì)漕惐砻婊钚詣┤芤悍序v曲線一般存在一個強(qiáng)化效果最佳的濃度，往往在CMC 時達(dá)到最佳強(qiáng)化效果，而超過CMC 后強(qiáng)化效果有所減弱[13]。而對于全氟烷基型表面活性劑Le-134 而言，在實驗工況范圍內(nèi)濃度越高，沸騰傳熱強(qiáng)化效果越明顯，即使超過了CMC，其沸騰強(qiáng)化效果依然增加。這一現(xiàn)象可以從Le-134 的分子動態(tài)吸附特性和潤濕性角度進(jìn)行解釋。沸騰是一個在液體內(nèi)部進(jìn)行劇烈的相變過程，在一個沸騰周期中汽泡迅速從加熱表面產(chǎn)生、合并、脫離、裂解，然后新的微液層覆蓋到加熱表面。其時間尺度一般在毫秒級。在這樣一個瞬態(tài)過程中，表面活性劑分子的動態(tài)吸附特性反映了Le-134 分子從體相擴(kuò)散到汽泡表面的速度。根據(jù)Le-134 動態(tài)表面張力和接觸角測試結(jié)果可知，隨著Le-134 濃度增大，其動態(tài)表面張力下降速度明顯加快。這意味著表面活性劑分子吸附速度增大，在沸騰產(chǎn)生汽泡的起始時可以迅速附著到汽泡表面，吸附效率明顯提高。此外，雖然在動態(tài)表面張力測試中，當(dāng)濃度超過40mg/L后吸附速率變化不大，但強(qiáng)化效果卻明顯提高了。其原因可能是由于沸騰中汽化現(xiàn)象十分劇烈，新汽液界面形成的速度較快、數(shù)量較多，因此削弱了濃度增加而帶來吸附勢壘的影響。另一方面，隨著濃度增加，Le-134 接觸角明顯減小，潤濕性明顯提高，在沸騰中微液層可以迅速再次潤濕表面，縮短了沸騰周期，提高了沸騰換熱系數(shù)。同時，Le-134 還具有出色的降低表面張力效能，因此相比傳統(tǒng)碳?xì)浔砻婊钚詣?，在添加量很少時就明顯降低了溶液的表面張力。使用量的減少避免了溶液黏度增加所帶來的負(fù)面影響。這也是Le-134 溶液濃度在遠(yuǎn)超CMC 后卻依然有出色的強(qiáng)化沸騰傳熱效果的原因之一。

3 結(jié)論

對不同濃度的Le-134 溶液進(jìn)行了池沸騰實驗研究，通過可視化方法觀察到沸騰汽泡行為并對其強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理進(jìn)行了研究。通過對不同濃度Le-134溶液的靜態(tài)、動態(tài)表面張力及接觸角測定，從分子結(jié)構(gòu)及吸附特性角度進(jìn)行分析得出以下結(jié)論。

（1）陽離子全氟烷基型表面活性劑Le-134 兼具高降低表面張力效率和高降低表面張力能力兩大特點。相比碳?xì)湫捅砻婊钚詣涫褂昧亢苄〖纯擅黠@降低溶液的表面張力。Le-134 的CMC 值在40mg/L，最大降低效能可降低溶液表面張力至16mN/m 左右。其動態(tài)吸附過程隨濃度增加而加快，在較高濃度下（≥40mg/L），10s 內(nèi)溶液表面張力即降低到20mN/m 以下，30s 內(nèi)可達(dá)到界平衡狀態(tài)。

（2）表面活性劑Le-134 水溶液在池沸騰中的汽泡行為與去離子水有明顯區(qū)別。在Le-134 水溶液池沸騰中，汽泡產(chǎn)生和脫離直徑明顯減小，數(shù)量明顯增多，并且汽泡合并現(xiàn)象明顯減少。池沸騰現(xiàn)象的不同主要是由于Le-134 的分子結(jié)構(gòu)和兩親特性以及界面特性的變化，如表面張力和接觸角的減小所導(dǎo)致的。

（3）表面活性劑Le-134 的添加可以明顯強(qiáng)化池沸騰過程，強(qiáng)化效果受溶液濃度和熱流密度影響。同濃度的Le-134 水溶液相比去離子水在低熱流密度下強(qiáng)化效果更突出；同熱流密度條件下隨濃度增加相應(yīng)的強(qiáng)化效果越明顯。在實驗工況下，濃度為300mg/L 的Le-134 水溶液強(qiáng)化效果最為顯著。界面特性的改變和汽泡間的斥力作用是其強(qiáng)化沸騰傳熱的主要機(jī)理。另外，Le-134 分子的動態(tài)吸附特性和潤濕性決定了其沸騰強(qiáng)化特性呈現(xiàn)出濃度越高強(qiáng)化效果越好的特點。

符號說明

下角標(biāo)

l—— 液體

min—— 最小的

s—— 飽和

v—— 汽體

w—— 壁面