微通道核態(tài)沸騰傳熱研究進展

王高輝 謝偉偉 尹志新

廣西大學 廣西 南寧 530000

引言

隨著科技水平的快速發(fā)展，精密儀器中的電子元器件朝著微型化、集成化和高功率方向發(fā)展，如何快速的把微型設備的熱量散出，是保證器件正常運行的關鍵。沸騰傳熱在可再生能源系統(tǒng)中具有重要意義，例如蒸汽發(fā)電廠，HVAC(加熱，通風和空調(diào))，電子制冷，石油，天然氣和化學處理系統(tǒng)，廢熱回收和可再生能源系統(tǒng)。這些工業(yè)應用依靠沸騰來有效地轉(zhuǎn)移大塊跨系統(tǒng)邊界的熱通量。沸騰傳熱由于與潛熱相關聯(lián)而成為一種特別有效的傳熱方法，它的基礎是自然對流傳熱和相變傳熱，是最重要、效率最高的傳熱方式之一。它具有單位面積熱流密度大、結構簡單、成本較低、散熱能力強等優(yōu)點。以下是沸騰傳熱的三個屬性:核沸騰的開始(ONB)，傳熱系數(shù)(HTC)和臨界熱通量(CHF)。ONB是氣泡形核起始所需的最小壁面過熱度。當達到臨界熱通量時，沸騰傳熱的效率隨壁溫的升高而顯著降低[1]。在實際應用中，最好(i)降低ONB點，(ii)增加 HTC，(iii)增加CHF。為此，國內(nèi)外不少學者進行了大量研究，如改變加熱面形貌、納米流體粘度、濃度、分散性、添加合適的表面活性劑和提高工質(zhì)穩(wěn)定性等一系列方法強化沸騰傳熱。與去離子水和一般純?nèi)芤荷嵯啾?，納米流體具有更高的熱流密度和傳熱系數(shù)。沸騰傳熱機理復雜，本文將從微通道核態(tài)沸騰加熱表面形貌、納米流體、納米顆粒接觸角和表面活性劑等方面闡述微通道核態(tài)沸騰強化傳熱的特性。

1 加熱表面形貌對池沸騰傳熱的影響

池沸騰加熱面的表面結構(微通道、微槽)很大程度上影響界面氣泡動力學的行為，從而強化沸騰傳熱[2]。另一種增強沸騰傳熱的方法是增加成核中心密度，這通常是通過多孔涂層實現(xiàn)的[3，4]。當涂層較厚時，在較高的熱流密度下，額外的形核中心變得活躍，從而提高了CHF。

然而，較厚的涂層會產(chǎn)生額外的熱阻，從而降低傳熱系數(shù)。最近幾年的研究多集中在改善納米尺度的涂層來增加CHF，特別是碳基涂層，這些涂層為沸騰過程提供了新的動力，并涵蓋了更廣泛的應用范圍。應用具有很大潛力的是石墨烯基涂層，它可以通過機械和液體剝落技術從大塊石墨中輕松制造。石墨烯的制備方法主要包括化學氣相沉積法[5](CVD)、氧化還原法[6]、機械剝離法[7，8]和液相剝離法[9]等。Kole和Dey等人[10]制備了氫剝離石墨烯納米片并對其進行了功能化，通過超聲法制備的無表面活性劑石墨烯納米流體，其穩(wěn)定性超過5個月。

圖1 氧化還原法制備石墨烯流程圖[11]

Wu zan等人[12]通過電泳沉積表面使丙酮的傳熱系數(shù)提高70%，HFE―7200的傳熱系數(shù)提高190%。這種增強主要歸因于電泳沉積表面的活性成核位點，與光滑表面相比，電泳沉積表面存在大量幾百納米到十微米的孔或空穴作為活性成核位點。Rinku Kumar Gouda等人[13]用表面活性劑沉積的受熱表面進行了去離子水的池沸騰實驗，經(jīng)處理的表面是通過不同濃度下的水性生物表面活性劑溶液中制備的，并與平面受熱的池沸騰實驗進行了比較，結果表明，由表面活性劑處理后的表面與未處理的加熱面相比粗糙度、傳熱系數(shù)、臨界熱流密度分別提高了4～10倍、188%、152%，同時潤濕性也得到較大提高。除了用表面活性劑沉積的方法外，Lu Kejian等人[14]通過直接的電化學陽極氧化方法在裸露的Ti襯底上控制生長TiO2碳納米管，經(jīng)過改變陽極氧化時間，可以得到具有不同直徑和長度參數(shù)的納米管，該實驗結果表明，與沒有生長碳納米管的Ti基板相比，有碳納米管的加熱面的臨界熱流密度提高48%，熱流量達到196W/cm2。

圖2 (a)電化學法制備Ti基體表面TiO2納米管陣列，(b)從鈦基板到改性表面全過程，(c―g)納米管的形成機理[14]

2 納米流體對池沸騰傳熱的影響

納米流體是指把固體顆粒尺寸(一般100nm以下)放入液體后得到的均勻且穩(wěn)定的膠體分散液。常見的納米顆粒為金屬顆粒、金屬氧化物顆粒、非金屬氧化物顆粒，如常見的Cu、Al2O3、碳粉、石墨烯等，基液有水、油、醇及其混合物等[15]。納米流體因為比一般純液體有更高的熱導率備受關注[16]，納米流體制備可以分為單步法[17]和兩步法[18]。單步法是指納米顆粒和納米流體的制備同時進行，一般通過液相化學法和物理氣相沉積(PVD)的方法制備納米流體。兩步法先通過物理/化學等技術制備出納米顆粒，然后進行磁力攪拌，超聲波震蕩等技術，最后在基液中混合均勻的方法。

Soltani.S等人[19]認為沸騰傳熱過程中氣泡的加熱表面和底面之間存在極薄的液體層，納米顆粒本身熱導率高，在液體層中增強了該流體的導熱，增大了沸騰加熱表面熱量向氣泡內(nèi)的傳遞速率，最終使得納米流體的沸騰傳熱系數(shù)比純工質(zhì)的更高。

3 納米顆粒接觸角和表面活性劑對沸騰傳熱的影響

另外，納米顆粒接觸角會影響沸騰傳熱時氣泡的穩(wěn)定性和加熱面納米沉積層的形態(tài)。由于對納米顆粒接觸角的測量復雜，一般通過測量干燥層膠體的接觸角或測量基體材料的接觸角來間接測量對應納 米顆粒的接觸角[20―22]。

劉藏丹等人[23]通過制備不同親水程度納米顆粒的納米流體，對其接觸角測試發(fā)現(xiàn):強親水和中等親水納米顆粒的平均接觸角分別約為22°和37°。受接觸角影響，中等親水納米顆粒被吸附在氣液界面，抑制了氣泡合并，且延遲了加熱面向膜態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變，臨界熱通量急劇增大，并導致納米顆粒沉積在加熱面，粗糙度增大，沸騰曲線右移。另外不少研究學者通過向納米流體中添加少量表面活性劑強化沸騰傳熱[24]。張偉[25]等采用復合電刷鍍工藝及表面改性技術，在紫銅表面制備了純鎳微結構、親水性石墨烯/鎳復合微結構和疏水性石墨烯/鎳復合微結構三類微結構形貌，結果表明，與純鎳微結構相比，疏水性石墨烯/鎳復合微結構臨界熱流密度和最大傳熱系數(shù)分別提高97%和135%。對于一些特定的應用，不僅在傳熱領域，而且在在其他領域，例如物理和化學催化以及界面反應都將有現(xiàn)實意義。

4 結語

綜述了微尺度核態(tài)沸騰傳熱研究進展，重點對沸騰傳熱加熱表面形貌、納米流體、納米顆粒接觸角和表面活性劑進行總結。目前，關于沸騰傳熱，很多學者只關注系統(tǒng)整體的傳熱能力，而對沸騰過程中的微觀現(xiàn)象和氣泡動力學研究較少，現(xiàn)有的沸騰傳熱機理不能完全解釋沸騰傳熱規(guī)律。因此，對于以往的研究方式需要進行改變，通過借助先進的電子機械加工技術和測量技術對沸騰傳熱微觀機理進行研究。