疏水表面改性對微通道換熱和壓降性能的影響

周正龍，舒碧芬，江景祥，黃 妍，喻祖康，崔高峻

(中山大學廣東省光伏技術重點實驗室，廣州 510006)

0 引 言

為了解決現代電子產品如手機和電腦的高密度換熱難題，微通道換熱技術應運而生。微通道強化換熱技術具備換熱速率高、結構尺寸微小等優點[1-2]，微通道強化傳熱手段一般分為有源強化和無源強化兩種方法。無源強化又稱為“被動型”方法，一般指改變換熱表面的表面特性來達到強化傳熱目的。微通道與常規尺寸的通道中流體的流動相比，表面張力的作用遠大于慣性力，通道的尺寸效應對氣泡的形狀影響明顯，正因此微通道內流動沸騰換熱過程中的兩相流體流動穩定性與傳熱速率問題更加復雜。

改變換熱壁面粗糙度和潤濕性都能對微通道流動沸騰帶來顯著影響，主要體現在壓降特性、換熱速率兩個方面，整個系統的穩定性與微通道壓降特性有直接關系，而換熱速率是系統最重要的性能指標。文中通過改變微通道壁面的潤濕性，即使微通道內壁呈靜態接觸角為140°的疏水性表面，研究其對微通道換熱和壓降的影響。

1 實驗系統

實驗系統如圖1由四部分組成：流動循環系統、電加熱系統、數據測試采集系統、和微通道實驗段。流動循環系統包括儲液罐、過濾器、動力泵、冷凝器和微量節流閥。電加熱系統包括直流電源、預熱器以及實驗段處的加熱電阻絲。通過預熱器控制進入實驗段工質的干度，以及通過實驗段電阻絲來控制實驗段熱流。數據測試采集系統包括數據采集儀、高速攝像儀、壓差變送器、熱電偶、壓力傳感器、流量計。微通道實驗段包含0.55 mm*0.55 mm的微通道以及加熱電阻絲。

圖1 實驗系統原理

文中通過搭建循環回路的微通道試驗臺，研究疏水表面對微通道換熱和壓降性能的影響。

2 壓降分析

通過改變微量節流閥控制工質的質量流量，改變預熱器功率控制實驗段進口干度。同時拍攝下不同干度下的工質流體的流型圖。實驗得到其熱流密度為q=6 060 W/m2下壓降隨進口干度的變化的數據。如圖2-3所示。

圖2 普通表面微通道壓降

圖3 疏水表面微通道壓降

普通表面微通道和疏水表面微通道的壓降均隨實驗段進口干度的增大而增大。但是，疏水表面微通道的壓降明顯大于普通表面微通道的壓降。這是由于疏水表面具有較大的表面張力，使通道內的汽泡脫離頻率低且脫離直徑較大[3]，疏水表面拉伸和擾動液相中的汽泡，使其壓降明顯大于普通表面微通道的壓降。

3 換熱速率分析

制冷劑從儲液罐中流出為飽和狀態，由于儲液罐到泵出口初始壓力測量處的傳熱和壓降均較小，因此可認為制冷劑流至初始壓力測量處仍為飽和液體狀態。在換熱穩定后，忽略實驗段與周圍空氣換熱損失，實驗段電阻絲對微通道的加熱量與微通道內工質與制冷劑對流換熱帶走的熱量相等。將微通道換熱看做等截面直肋導熱，則微通道換熱系數htp可由以下公式算出：

(1)

實驗得到普通表面微通道與疏水表面微通道傳熱系數隨實驗段進口干度變化。

圖4 普通表面微通道傳熱系數

圖5 疏水表面微通道傳熱系數

微通道的換熱速率在干度為0-0.3區間內增大，疏水表面微通道的換熱系數平均值較普通表面微通道換熱系數平均值高約11.8%。值得注意的是疏水表面微通道換熱速率在干度為0.07附近出現極值，這是由于在此干度附近，疏水表面微通道內工質流型為泡狀流向環狀流劇烈轉變的中間過度狀態，導致其換熱系數出現一極值點。

微通道的換熱速率在干度為0-0.3區間內增大，疏水表面微通道的換熱系數平均值較普通表面微通道換熱系數平均值高約11.8%。值得注意的是疏水表面微通道換熱速率在干度為0.07附近出現極值，這是由于在此干度附近，疏水表面微通道內工質流型為泡狀流向環狀流劇烈轉變的中間過度狀態，導致其換熱系數出現一極值點。

4 結束語

結合實驗數據分析，疏水改性對微通道系統性能影響得出以下結論：

(1)相比普通表面微通道，疏水表面微通道的壓降有較大增大，其流型也相應的更快的由泡狀流轉變為環狀流。

(2)疏水表面微通道的平均換熱系數比普通表面微通道的換熱系數高11.8%，具有更好的換熱效果，因為其流型由泡狀流向環狀流的劇烈轉變，其換熱速率在干度為0.07附近出現一極值點。