疏水改性對泡沫金屬表面池沸騰換熱特性的影響

胡晨昱，賴展程，胡海濤，丁國良，韓維哲

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

泡沫金屬具有超大比表面積[1]，能有效提高換熱面積[2-3]、增加氣泡成核點[4]，從而促進沸騰傳熱。但是泡沫金屬在顯著強化傳熱的同時，造成壓降顯著提高[5]，限制了泡沫金屬用于提高換熱器性能的潛力。疏水改性作為一種改變固液界面作用的手段，在強化沸騰傳熱[6-8]的同時，可以促進界面滑移[9]、降低流動阻力[10]，有望解決泡沫金屬換熱器壓降過大的問題。池沸騰是沸騰換熱的基本形式，為了將疏水改性泡沫金屬應(yīng)用于強化沸騰換熱，需要明確疏水改性泡沫金屬對池沸騰換熱特性的影響。

關(guān)于泡沫金屬中池沸騰換熱的研究，主要集中在探究泡沫金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)[11-17]的影響以及泡沫金屬內(nèi)含油制冷劑[18-19]的沸騰換熱。研究結(jié)果表明，低孔隙率和高孔密度有利于強化泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱[14]；在高孔密度泡沫金屬中，隨著厚度減小，沸騰換熱先惡化后增強[15]；制冷劑中的潤滑油會惡化沸騰換熱，換熱系數(shù)最多降低90%[18]。目前還沒有關(guān)于疏水改性泡沫金屬內(nèi)沸騰換熱的研究報道。

本文針對疏水改性泡沫金屬內(nèi)池沸騰換熱特性進行了實驗研究，明確疏水改性泡沫金屬對池沸騰換熱特性的影響。

1 實驗原理與誤差分析

1.1 實驗裝置

圖1給出了泡沫金屬內(nèi)池沸騰的的實驗臺結(jié)構(gòu)。實驗臺由沸騰池、加熱器、冷凝盤管、溫度傳感器和壓力傳感器組成，實驗工質(zhì)為純凈水。

圖1 泡沫金屬池沸騰實驗臺

沸騰池主體為不銹鋼箱體，側(cè)面安裝有玻璃視窗，可用于照明并觀測實驗現(xiàn)象；沸騰池頂部和底部分別安裝有充注閥和排液閥，用于充注、排出沸騰工質(zhì)；頂部安裝有冷凝盤管，內(nèi)通冷卻水用于冷凝沸騰工質(zhì)，維持容器內(nèi)壓力；在沸騰池內(nèi)懸掛有一支熱電偶，用于測定實驗工質(zhì)的溫度Tf；頂部安裝一臺壓力傳感器用于監(jiān)測容器內(nèi)壓壓力。加熱器位于容器底部，包括一主加熱器與一輔助加熱器。主加熱系統(tǒng)主體為一銅導(dǎo)熱塊，底部插入3 根電加熱棒，連接至調(diào) 電源，加熱功率可在0～500 W 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。導(dǎo)熱塊上部導(dǎo)熱柱高度為400 mm，邊長為25 mm，包裹在絕熱性良好的特氟龍材材料中，熱量在其中可視為一維傳導(dǎo)。導(dǎo)熱柱內(nèi)插入入5 個熱電偶，深度為12.5 mm，位置如圖1所 示。泡沫金屬樣件通過錫焊方式安裝在銅加熱柱頂面上。輔助加熱器用于將沸騰池內(nèi)沸騰工質(zhì)保持在在飽和狀態(tài)。實驗采集的數(shù)據(jù)包括導(dǎo)熱銅柱內(nèi)5 個測溫點的溫度T1～T5、工質(zhì)溫度Tf以及容器內(nèi)的壓力P。

1.2 實驗樣件

本實驗樣件為泡沫銅，，尺寸為 225 mm× 25 mm×4 mm，包括5 PPI 和10 PPI 兩種孔密度，如圖2所示。

疏水表面泡沫金屬通過對泡沫銅進行堿輔助氧化與正十二硫醇分子基團自組裝的方法制備，制得疏水樣件如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出與誤差分析

池沸騰換熱系數(shù)h 按式(1)～式(2)計算：

式中：

q———熱流密度度，W/m2；

Tw——導(dǎo)熱塊加熱頂面溫度，℃；

Tf——制冷劑飽和溫度，℃℃；

λ———銅熱導(dǎo)率，W/(m·K)；；

z———加熱面法向坐標(biāo)，m。。

T 和z 之間的關(guān)系由導(dǎo)熱銅柱上測得溫度T1～T5與其對應(yīng)的z1～z5通過線性擬合得到：

圖2 未改性泡沫金屬樣件

圖3 疏水改性泡沫金屬樣件

并以此推算出Tw的值：

式中，zw為導(dǎo)熱銅柱頂面高度0.04 mm。

根據(jù)MOFFAT 方法[20]可得到以下計算換熱系數(shù)h的相對誤差公式(5)[116]：

其中，熱流密度與加熱面溫度計算誤差在10%以內(nèi)，熱電偶的誤差為0.1 ℃，換熱系數(shù)的最大相對誤差為13.8%。

2 結(jié)果討論

2.1 表面改性對潤濕性的的影響

已有研究測定了水在在未改性銅表面的潤濕性[21]，結(jié)果顯示水在在銅表面的前進接觸角θA為89.2°，后退接觸角θR為62.1°，呈現(xiàn)微弱的親水特性，如圖4(a)所示。對泡沫金屬進行堿輔助氧化與正十二硫醇分子集團自組裝處理后，得到疏水泡沫金屬表面，分別測定它們與水的接觸角，如圖4(b)所所示。

圖4 水在不同潤濕性表面的接觸角

2.2 疏水改性對泡沫金屬池沸騰特性的的影響

圖5給出了水在孔密度為5 PPI的兩種表面潤濕性泡沫金屬加熱面的池沸騰換熱特性。由圖5(a)可以看出，疏水改性使沸騰換熱的起始過熱度由4.26 ℃降低至2.95 ℃，降低了30.7%%。由圖5(b)不同表面特性的泡沫金屬加熱面換熱系數(shù)隨熱流密度的變化規(guī)律可以看出，在熱流密度較低時，疏水改性與未改性的泡沫金屬表面沸騰換熱系數(shù)較接近，疏水泡沫金屬比未改性泡沫金屬高出大約5%～ 8%，隨著熱流密度升高，疏水改性對換熱性能的增強幅度升高，疏水改性泡沫金屬表面沸騰換熱系數(shù)比未改性泡沫金屬表面高大約15%～20%。疏水改性對于5 PPI 的泡沫金屬池沸騰換熱有明顯的強化作用。

圖5 疏水改性對5 PPI 泡沫金屬池沸騰換熱特性的影響

圖6給出了水在孔密度為110 PPI 的兩種表面潤濕性泡沫金屬加熱面的池沸騰換熱特性。由圖6(a)可以看出，在沸騰起始與低熱流密度區(qū)域，兩種泡沫金屬的沸騰曲線幾乎重合。由圖6(b)可知，在較高熱流密度區(qū)域，疏水改性泡沫金屬的池沸騰換熱系數(shù)比未改性泡沫金屬低大約33%～5%。對于10 PPI的泡沫金屬，疏水改性使換熱性能稍有惡化。

對于不同孔密度泡沫金屬的的換熱性能，疏水改性呈現(xiàn)不同的效果，原因在于，疏水改性能夠增加金屬表面氣泡成核點，有利于氣泡形成，增強沸騰換熱，但是由于表面親氣疏水的的特性，形成的氣泡更易在泡沫金屬表面鋪展，造成局部的膜態(tài)沸騰，惡化換熱。當(dāng)泡沫金屬孔密度增大，比表面積增大時，這種影響更為顯著。由于高孔密度的泡沫金屬骨架結(jié)構(gòu)更緊密，增大了氣泡的逸出難度；因此，對于水工質(zhì)換熱器，為了強化泡沫金屬換熱器的性能，應(yīng)采用低孔密度的疏水改性泡沫金屬。

圖6 疏水改性對10 PPI 泡沫金屬池沸騰換熱特性的影響

3 結(jié)論

1）在孔密度5 PPI 的泡沫金屬中，疏水改性使沸騰起始過熱度由4.26 ℃降低到2.95 ℃，換熱系數(shù)增大5%～20%，換熱性能得到強化。

2）對于孔密度10 PPI 的泡沫金屬，隨著熱流密度增大，疏水改性增強沸騰換熱。

3）在熱流密度較低的制冷系統(tǒng)換熱器中，宜采用低孔密度疏水改性泡沫金屬增強換熱。