不同表面能對微細通道流動沸騰壓降特性的影響

羅小平 謝鳴宇 郭 峰 李海燕

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣州 510640)

不同表面能對微細通道流動沸騰壓降特性的影響

羅小平 謝鳴宇 郭 峰 李海燕

(華南理工大學機械與汽車工程學院， 廣州 510640)

采用不同濃度氟硅烷-乙醇修飾液對高、寬分別為2.0 mm、1.0 mm的矩形截面微通道進行修飾，得到了表面能不同的微通道試件，并以R141b制冷劑為實驗工質，設定實驗工況，在微通道試件中進行沸騰換熱實驗，探討具有不同表面能的微通道對兩相流動沸騰傳熱壓降特性的影響。實驗結果表明：修飾液濃度越高，浸泡時間越長，修飾后槽道的表面能越低；表面能的改變不會對各壓降所占比例造成大的影響，但會影響兩相摩擦壓降，減小表面能會增大單位長度兩相摩擦壓降，實驗中的增大率達到5.1%和12.7%；將實驗數據分別與相關模型的預測值進行了對比，并對模型關聯式進行了修正，所得到修正模型的平均絕對誤差明顯降低。

微通道; 表面能; 兩相摩擦壓降; 修正模型

引言

隨著電子信息產業的快速發展，越來越多的微通道換熱器得到了應用[1]。微通道換熱器結構緊湊，且換熱效率高，相關研究表明，微電子系統中采用微通道換熱器后，散熱性約為強制水冷的100倍，強制風冷的1 000倍[2]。隨著材料技術的進一步發展，很多材料表面通過處理可以得到改善，如改變材料表面特性得到疏水性或者親水性表面，進而改變阻力特性，很多學者做了這方面的研究并取得了較好的效果[3-5]。目前研究實驗工質大多采用去離子水，而且關于兩相流動沸騰方面研究很少。本文利用自己搭建的實驗平臺，以制冷劑為實驗工質，采用經過處理后具有不同表面能的微槽道進行實驗，以探究表面能對兩相沸騰傳熱時阻力特性的影響規律。

1 實驗系統與微通道結構

1.1 實驗系統

圖1為實驗系統簡圖。主要由3部分組成：①注液段。實驗前對實驗系統進行抽真空處理，然后調節手閥將注液裝置中的實驗工質注入實驗系統，可以控制進入實驗系統的工質量。②流動回路。包括了磁力泵、預熱段、冷卻段和微通道實驗段等，實驗段豎直放置，實驗開始后磁力泵提供動力使實驗工質在系統內運轉，流經預熱段后，以液態向上流入微通道，經過受熱后以氣液兩相態從上端流出，然后進入冷卻段，經過充分冷凝和冷卻變為液態流入磁力泵開始下一次循環。③數據采集段。包括數據采集模塊、工控機等，主要采集和儲存實驗段所測量的壓力、溫度等數據。

圖1 實驗系統簡圖Fig.1 Flow diagram of experiment system1.磁力泵 2.過濾器 3.流量計 4.預熱水箱 5.實驗段 6.電加熱板 7.冷卻水箱 8.儲液罐 9.注液裝置 10-1～10-10.手閥 11-1、11-2.視鏡 12.針閥 13.水管 14.溫度控制器 15.控制箱 16.工控機

1.2 實驗段

(1)微通道實驗段

微通道實驗段是本文實驗的關鍵研究對象，其構成模型如圖2所示。

圖2 微通道實驗段結構圖Fig.2 Structure diagram of test section1.蓋板 2.密封墊片 3.可視化玻璃 4.微通道試件 5.密封墊片 6.底座 7.工質入口 8.加熱板 9.入口測溫孔 10.壁面測溫孔 11.出口測溫孔

本實驗的鋁制基座、微槽道試件以及鋁制蓋板都采用牌號為6063-T5的鋁材料加工而成。實驗采用的工質R141b與大多數橡膠材質會發生反應，因此選用聚四氟乙烯墊片，其耐腐蝕性好。可視化觀測窗口選用Pyrex耐熱玻璃，透過其可觀察工質在微通道內流動沸騰狀況。

(2)微通道試件

實驗所采用微通道試件采用電火花線切割的方式加工得到，有18條相互平行的矩形通道，如圖3所示。

圖3 微通道試件模型Fig.3 Model of microchannels test piece

每條微通道尺寸為1 mm×2 mm×240 mm，具體尺寸參數見表1。

表1 微通道試件尺寸參數
Tab.1 Dimension parameters of microchannels test piece

參數LWHWchHchWw數值/mm240407.5121

1.3 實驗試件表面處理

考慮到實驗微槽道的材料和尺寸，以及可操作性，選擇采用全氟辛基三乙氧基硅烷作為物質修飾，修飾后使微通道表面形成微粗糙結構，獲得具有低表面能表面的微通道。以無水乙醇為基液，配置氟硅烷濃度分別為1%、2%、3%的3種修飾液。為了對比研究，將槽道分別浸泡3 h和12 h進行對比，如表2所示。完成浸泡后取出試件，靜置待接觸角測量。

表2 微通道處理情況分組
Tab.2 Group of different microchannels

參數ABCDEFG修飾液濃度/%1122330浸泡時間/h3123123120

1.4 實驗主要測量參數

實驗段測量參數主要包括：實驗段進出口壓力(HC3160型壓力傳感器測量，誤差為0.33%)、實驗段溫度(K型熱電偶測得，誤差為0.5%)、流量(采用渦輪流量計測量，誤差為0.5%)。

2 數據處理

2.1 表面能

固體表面的表面能也稱為固體表面自由能，主要指某溫度、壓力條件下，重新生成單位固體表面時所需的可逆功[6]。本實驗采用Young’s法計算固體表面能。整個界面體系受到固體表面能γS、液體表面能γL和固液界面能γSL綜合作用，整個體系中不同的表面能均有3個分量：Lewis酸分量γ+、Lewis堿分量γ-以及 Lifshitz-vander Waals分量γLW[7]。因此，液體表面能γL、固體表面能γS的計算式為

(1)

(2)

固體表面能、液體表面能和固液接觸面表面能存在關系

(3)

(4)

實驗中選取部分表面形成液滴情況如圖4所示。

將各組接觸角數據代入式(3)中，可以計算微通道不同位置的表面能，如表4所示。

從表4中可看出，相比G組，A、B、C、D、E、F組的表面能依次降低。因此，修飾液濃度和浸泡時間對表面能有一定的影響，修飾濃度越大，修飾后表面的表面能越低；浸泡時間越長，槽道表面能同樣越低。本實驗條件下，參照組槽道底面表面能為50.83 mJ/m2，而經過修飾的槽道，最小表面能降為19.39 mJ/m2。

表3 3種測試液的表面能參數Tab.3 Parameters of three kinds of test fluids mJ/m2

圖4 不同位置液滴示意圖Fig.4 Sketches of liquid droplet at different positions

mJ/m2

2.2 壓降

考慮到實驗中氣液兩相相對流動速度較大，微通道中不易形成氣液均勻混合流動的現象，本實驗數據采用分相模型[9]進行計算分析。工質進入微槽道時，剛開始是單相液態流，之后由于受熱，會轉換為氣液兩相流。因此實驗過程中的總壓降Δptot包括4部分[10-11]，即進口突縮壓降Δpc、出口突擴壓降Δpe、單相流動阻力壓降Δpsp、兩相流動阻力壓降Δptp，即

Δptot=Δpc+Δpe+Δpsp+Δptp

(5)

其中

式中σ——截面突縮比xout——工質出口干度[12]G——質量通量，kg/(m2·s)ρL、ρG——液相流密度和氣相流密度，kg/m3

本實驗中單相流段的流動阻力壓降由單相流摩擦壓降Δpsp,f和單相重力壓降Δpsp,g組成，即

(6)

圖5 不同表面能試件的各壓降分量Fig.5 Pressure drop of different test pieces

其中

式中Lsp——微通道內單相流長度，mmfsp——兩相摩擦因數Cp——工質定壓比熱容，J/(kJ·K)Dh——水力直徑Tsat——操作壓力下工質的飽和溫度，℃Tin——工質入口溫度，℃

兩相流狀態下，流動阻力壓降包括兩相流摩擦壓降Δptp,f、兩相流加速度壓降Δptp,a[13]和兩相流重力壓降Δptp,g，即

Δptp=Δptp,f+Δptp,a+Δptp,g

(7)

其中

(8)

(9)

式中Ltp——兩相段長度，mmαout——出口空泡率

綜合式(6)～(9)得

Δpce=Δpc+ΔpeΔpf=Δpsp,f+Δptp,f
Δpg=Δpsp,g+Δptp,g

可得兩相摩擦壓降

Δptp,f=Δpf-Δpsp,f=

(Δptot-Δpce-Δpg-Δptp,a)-Δpsp,f

(10)

3 結果與分析

3.1 表面能對微通道各壓降比例的影響

為了進一步探究表面能對壓降的影響規律，本實驗選取了G、B、E 3組表面能不同的槽道來分析影響壓降變化的因素，分別記為實驗1、實驗2、實驗3。

實驗以R141b純制冷劑為實驗工質，實驗時熱流密度變化范圍為8.51～21.28 kW/m2，質量通量從186.1 kg/(m2·s)變化到506.03 kg/(m2·s)，入口過冷度保持6℃不變。

圖5為不同工況下,純制冷劑R141b在不同表面能試件中流動沸騰時，各壓降的變化。

由圖5可知，3種不同表面能試件的各壓降所占比例大體保持一致。熱流密度增加時，摩擦壓降增加，重力壓降有所減小，但進出口局部阻力壓降沒有明顯的變化；當質量通量增大時，摩擦壓降有較為明顯的增大趨勢，但是其他壓降的變化不明顯。在本實驗條件下，表面能的改變不會對各壓降所占比例造成較大的影響。其中，摩擦壓降是造成總壓降的最主要因素，所占比例達到60%～75%，重力壓降次之，約為15%～30%，加速度壓降和進出口局部阻力壓降所占比例更小，約5%～15%。

3.2 表面能對兩相摩擦壓降的影響

(11)

實驗中，熱流密度8.51 ～21.28 kW/m2，質量通量186.1～506.03 kg/(m2·s)，入口過冷度6℃。分析單位長度兩相摩擦壓降隨熱流密度、質量通量的變化規律。當質量通量保持506.03 kg/(m2·s)不變時實驗結果如圖6所示；而當熱流密度保持18.64 kW/m2不變時，實驗結果如果7所示。

圖6 單位長度兩相摩擦壓降隨熱流密度變化Fig.6 Changes of pressure drop with heat flux

圖7 單位長度兩相摩擦壓降隨質量通量變化Fig.7 Changes of pressure drop with mass flux

由圖6、7可知，增大熱流密度和質量通量時，單位長度兩相摩擦壓降也有所增加。其他工況不變，熱流密度從8.51 kW/m2增加到21.28 kW/m2過程中，微通道換熱面產生的氣泡增多，附著在壁面的氣泡增大了液體與壁面的阻力，部分氣泡長大并脫離壁面后會與液體夾雜在一起流動，流體中的不同氣泡相互作用產生摩擦阻力，同時從壁面脫離的部分小氣泡會形成受限氣泡擠壓液膜，從而加劇了液體與壁面的摩擦。當增大質量通量時，微通道內工質的流速增加，液體與壁面、液體與壁面附著氣泡之間的摩擦都會增強；同時，增加質量通量會增大流體對氣泡的流動曳力，進而加速氣泡脫離壁面，脫離的氣泡會加劇流道中氣泡與液體的摩擦。因此，單位長度的兩相摩擦壓降會有上升趨勢。

從圖6和圖7可以看出，不同表面能微通道的兩相摩擦壓降存在差異。槽道的表面能越低，單位長度兩相摩擦壓降越大，相比實驗1，表面能較低槽道實驗2和實驗3的單位長度摩擦壓降分別增大了約5.1%和12.7%。這是由于表面能越低，表面潤濕性越低，從而氣泡的脫離直徑越大，脫離頻率也相應增大[14]，這樣生成的氣泡會擠壓液體，增大液體與壁面的摩擦阻力，實驗工質流動阻力增大，進而壓降會增大。

3.3 實驗結果與已有模型的對比

為了驗證實驗結果的科學性和準確性，需要與壓降計算模型進行對比。

LOCKHART等[15]于1949年提出利用分相模型計算兩相流摩擦壓降,即

(12)

其中

很多學者提出了改進壓降模型，特別是對C值進行修正[16]。

本文將實驗值分別與Mishima-Hibiki模型[17]、Qu-Mudawar模型[18]和Zhang模型[19]的預測值進行對比，結果如表5所示。

表5 實驗值與模型預測值對比絕對誤差(MAE)分布
Tab.5 MAE between experimental and predicted values

對比模型CMAE/%MH模型C=21(1-e-319Dh)49.3QM模型C=21(1-e-319Dh)(0.00418G+0.0613)23.1Zhang模型C=21(1-e-0.385/Nconf)28.9

表5中

式中σN——液體表面張力，N/m

σN隨溫度變化，對應的值可由軟件REFPROP7.0中查得。

模型對比的平均絕對誤差[20]為

式中 Δptpf,pred——兩相壓降的預測值 Δptpf,exp——兩相壓降的實驗值

由表5數據可知，Q-M模型預測值與實驗值的平均絕對誤差最小，如圖8所示。

圖8 Q-M模型預測值與實驗值對比Fig.8 Comparison of prediction values of Q-M model and experimental values

同時注意到，Q-M模型和Zhang模型中的C值是變化的，而M-H模型中的C值是固定的。實際中，C值也是變化的，因此Q-M模型和Zhang模型的預測誤差較小。

為此，本文參考預測效果最好的Q-M模型，結合所得的實驗數據對C值進行修正，認為C值是線性變化的，即

C=21(aG+b)(1-e-319Dh)

代入實驗數據進行擬合，得出：a=0.003 42,b=1.562 45。將所得的修正模型預測值與實驗數據進行對比，結果如圖9所示。從圖中可以看出，平均絕對誤差有明顯降低，此時M為10.9%。

為了驗證所得修正模型的適用性，將實驗修正的關聯式與文獻中幾種模型的實驗結果進行了對比分析，實驗結果如表6所示。由表6可知，修正后的關聯式預測效果較好。

4 結論

(1)采用3種不同濃度的修飾液對微通道進行分組處理，修飾液濃度越高，浸泡時間越長，修飾后的槽道的表面能越低。本實驗條件下，沒有經過任何修飾槽道的底面表面能為50.83 mJ/m2，通過本實驗的修飾，最小的表面能達19.39 mJ/m2。

圖9 修正模型與實驗值的對比Fig.9 Comparison of values of modified model and experimental values

對比模型MH模型QM模型Zhang模型M/%27.715.813.1

(2)本實驗條件下，入口過冷度為6℃保持不變，熱流密度范圍為8.51 kW/m2到21.28 kW/m2，質量通量從186.1 kg/(m2·s)變至506.03 kg/(m2·s)，表面能的改變不會對各壓降所占比例造成大的影響；不同表面能槽道的兩相摩擦壓降的變化規律基本一致，單位長度兩相摩擦壓降均隨著熱流密度的增加而增加，隨質量通量的增大而增大；表面能越小，單位長度兩相摩擦壓降越大，相比對照組，其他2組低表面能槽道的單位長度摩擦壓降分別增大了約5.1%和12.7%。

(3)將實驗數據分別與M-H模型、Q-M模型、Zhang模型的預測值進行了對比分析，平均絕對誤差分別為49.3%、23.1%、28.9%，并根據本實驗的數據，同時參考Q-M模型對兩相摩擦壓降模型中的C值進行了修正，平均絕對誤差降至10.9%，預測效果有明顯改善。

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Effect of Different Surface Energies on Pressure Drop Characteristics of Flow Boiling in Microchannels

LUO Xiaoping XIE Mingyu GUO Feng LI Haiyan

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

With the wide application of microchannel heat exchanger, more and more researches focus on the microchannels and the pressure drop characteristics are important research object. Pure refrigerant R141b was used as working fluid in microchannels to carry out boiling flow experiments and explore the effect of surface energy on flow boiling pressure drop characteristics. Fluoroalkylsilane solution in different concentrations was used to modify the surface energy of different microchannel tests with size of 2.0 mm×1.0 mm, and tests were obtained with different surfaces energy. The flow boiling pressure drop characteristics were experimentally investigated through the tests by using R141b refrigerant. The influence of surface energy on pressure drop were investigated, and then a modified model was got. The results showed that the surface energy of tests were low with long immersion time and high concentration, and the tests with low surface energy had big numerical value of frictional pressure drop. The two-phase frictional pressure drop was increased by 5.1% and 12.7%, respectively. The predicted values of different correlated models were compared with experiment values, and a modified model which had a better predicted result was obtained, the mean absolute error was decreased obviously. The result provided supplement for the research on flow boiling resistance characteristics.

microchannels; surface energy; two-phase frictional pressure drop; modified model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.053

2016-05-15

2016-09-20

國家自然科學基金項目(21276090)

羅小平(1967—)，男，教授，博士，主要從事微通道換熱器傳熱研究，E-mail: mmxpluo@scut.edu.cn

TK124

A

1000-1298(2017)01-0406-07