表面活性劑對水過冷池沸騰特性影響實驗研究

楊振，姚元鵬，2，李昀，吳慧英

（1上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240； 2諾丁漢大學工程學院，英國 諾丁漢NG7 2RD）

引 言

沸騰相變過程能夠充分利用工質潛熱、實現高效傳熱，因而被廣泛應用于計算機芯片、高功率激光器及雷達等電子器件熱管理領域[1-4]。針對日益增加的散熱需求，復合工質例如存在鏈式沸騰強化模式的水包油型非共沸乳液，為在有限散熱面積上進一步提升散熱速率提供了可能。上述復合工質通常需依賴表面活性劑穩定分散相并使其均布于體相，以保證其最佳熱物性。其中，Tween20（山梨醇酐單月桂酸酯聚氧乙烯）與Span20（山梨醇單月桂酸酯）均是配制傳熱強化復合工質的關鍵添加劑，且二者復配（Tween20-Span20）后能夠進一步提升分散相的穩定性[5-6]，近年來在復合工質傳熱領域不斷受到研究者關注。

對于Tween20，研究人員重點關注其對純水工質飽和池沸騰傳熱特性或復合工質噴霧冷卻沸騰相變傳熱特性影響。其中，Wu 等[7]開展了水平不銹鋼管外Tween20-水溶液飽和池沸騰實驗研究（熱通量為300 kW·m-2），研究發現Tween20 可將水的傳熱系數提升18%。此外，Ravikumar 等[8]將Tween20 用作乙醇-水噴霧冷卻實驗中的工質添加劑，結果表明添加Tween20 后乙醇-水溶液的冷卻速率提升了28%。他們將這一結果歸因于Tween20 與乙醇并存大幅降低了表面張力，這使得工質在加熱面上能夠以更快的速度鋪展。Bhatt等[9]研究了膜態沸騰狀態下，Tween20 對乙醇-水溶液噴霧冷卻相變過程的影響，并指出Tween20 對乙醇發泡能力的抑制是導致表面散熱速率提升的原因。進一步，Ravikumar 等[10]在水-Al2O3納米流體噴霧冷卻實驗中分別以Tween20 和鈉十二烷基硫酸鹽（SDS）作為穩定劑。研究發現，Tween20 能比SDS 更顯著地降低基液表面張力和黏度，因而具有更好的傳熱強化效果。由以上分析可見，Tween20 能夠強化純水工質飽和沸騰傳熱與復合工質噴霧冷卻沸騰相變，但鑒于水包油（油相沸點低于水）型乳液等復合工質過冷運行工況，仍亟需探索Tween20 對純水工質過冷沸騰傳熱特性影響規律。

對于Span20，不同于Tween20 沸騰強化效果研究，目前研究重點在于分析其對基液單相傳熱特性的影響。如Dombek 等[11]測定了添加Span20 前后基液的熱物性參數（包括熱導率、密度、熱膨脹系數和黏度），進而分析了兩種工況下工質的導熱與對流傳熱特性。結果表明，Span20 除了使基液黏度增加之外，對其余熱物性參數沒有顯著影響，因此不會干擾工質的單相傳熱過程。此外，Lin等[12]通過復配表面活性劑（Span20、Span80、Tween20、Tween80）制備了高穩定性的油-Al2O3納米流體，經測定發現復配表面活性劑的存在除使得納米流體熱導率輕微下降之外，并未影響其余熱物性參數。但基于復合工質沸騰兩相傳熱運行工況的考慮，有必要開展Span20 與Tween20-Span20 對純水工質沸騰傳熱特性影響的實驗研究。

綜上所述，Tween20、Span20 與Tween20-Span20復配表面活性劑為配制傳熱強化復合工質（如水包油型非共沸乳液）的關鍵添加劑，但現有研究工作均未同時關注“純水工質”和“過冷狀態”來系統研究上述表面活性劑對池沸騰強化效果及傳熱機理。一方面，研究純水工質本身添加上述表面活性劑，不僅能夠為后續復合工質實驗研究提供基準對照依據，同時也能為復合流體工質配制提供相應指導；另一方面，研究“過冷狀態”是針對水包油（油相沸點低于水）型乳液等復合工質過冷運行工況的必要考慮。因此相關工作亟待開展。為填補上述研究缺口，本文將針對Tween20、Span20 以及二者復配表面活性劑（Tween20-Span20），開展將其分別添加純水工質后的過冷池沸騰實驗研究，以揭示過冷狀態下上述單一表面活性劑與復配表面活性劑對水沸騰傳熱特性影響，為后續復合工質實驗研究提供基準對照依據，并為強化傳熱復合流體工質配制提供相應指導。

1 實驗介紹

1.1 溶液配制

為揭示采用Tween20、Span20單一表面活性劑與Tween20-Span20復配表面活性劑的三種工況下水過冷池沸騰傳熱特性（過冷度為50 K），本研究分別配制了1000 ml 不同體積濃度（0.05、0.5 與1 ml·L-1）的單一表面活性劑[Tween20 的臨界膠束濃度（CMC）范圍為0.48～0.6 ml·L-1[13]，Span20 的CMC 約為0.18 ml·L-1[14]]與復配表面活性劑溶液。其中，考慮復配表面活性劑成分配比對制備納米乳液穩定性的影響，本研究所用Tween20 與Span20 復配體積比為1∶0.942[15]（復配表面活性劑濃度以所含Tween20濃度代表）。實驗溶劑為去離子水，配制溶液前需將其煮沸2 h，從而去除溶解于水中的空氣，防止不凝氣干擾實驗結果。脫氣完成后用丙酮-去離子水依次清洗燒杯，隨后將表面活性劑按所需體積取至燒杯中。進一步加入100 ml 去離子水，通過磁力攪拌器以500 r·min-1的轉速攪拌30 min；維持攪拌過程，繼續向燒杯中緩慢加入900 ml 去離子水，并于30 min 后結束攪拌，最終完成溶液配制。配制完成后，采用接觸角測量儀（DSA100）分別以懸滴法與座滴法測試一系列不同體積濃度表面活性劑溶液在25℃環境溫度下的表面張力與接觸角，并記錄表面張力與接觸角隨濃度的變化。

1.2 實驗系統

為厘清表面活性劑對純水工質過冷池沸騰傳熱特性影響，本文搭建了如圖1 所示的池沸騰實驗系統。該系統包括池沸騰腔體、溫度控制部件、加熱部件、數據采集單元及高速攝像系統。其中，池沸騰腔體由高透明PC 板及兩端玻璃纖維G10 蓋板構成，所構建的長方腔體容器內部長寬高尺寸分別為100、100 及240 mm。溫度控制部件由半導體制冷片、冷凝盤管和輔助電加熱器構成。其中，半導體制冷片貼附于上部紫銅板，用于冷凝沸騰產生的高溫蒸汽，將池沸騰腔體內部壓力維持在一個大氣壓；冷凝盤管配合輔助電加熱器可將工質溫度控制在50℃（工質溫度由兩根T 型鎧裝熱電偶測定），控溫精度為0.5℃。外部實驗室環境溫度則由室內空調控制在25℃。紫銅加熱部件如圖2 所示，其上端面即為沸騰傳熱表面（直徑20 mm）。沸騰表面下方加工有四個直徑為1.1 mm、深度為10 mm 的熱電偶安裝孔，其中最上部的熱電偶孔距離沸騰表面3 mm，熱電偶孔間距為4 mm。將直徑為1 mm 的T 型鎧裝熱電偶嵌入內壁涂抹導熱硅脂（熱導率為13.8 W·m-1·K-1）的熱電偶安裝孔內，熱電偶所測溫度自上至下分別為T1、T2、T3、T4，T1、T2、T3用于推算加熱部件內部有效熱通量及沸騰表面溫度，T4則用于監控加熱部件溫度以防止溫度過高燒毀實驗夾具。高速攝像系統由Photron MiniAX200 高速攝像機（拍攝頻率為4000 幀/秒，分辨率為1024×1024）、冷光源組成，所捕捉圖像被存儲于計算機中。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

圖2 加熱部件結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heating part

1.3 實驗過程

首先將配制完成的溶液緩慢傾倒至腔體內部，并開啟半導體制冷片（冷凝工質蒸汽）以減少工質從池沸騰腔體向外部傳遞。啟動恒溫水槽與輔助電加熱器，待工質溫度穩定至50℃后，調節單相電調壓器，設定輸入功率，開始實驗。若實驗過程中監測到所有熱電偶溫度在3 min 內波動小于0.2℃，即可認為傳熱過程達到準穩態。隨后通過數據采集單元（NI PXIe-1073）記錄下該狀態下溫度值，進而以10～30 W步距增大輸入功率按以上準則繼續開展實驗，獲得一系列數據點。需注意，本實驗輸入功率控制范圍為0～600 W，且需保證T4溫度監測值低于200℃（防止燒蝕）。當監測到輸入功率或T4溫度達到閾值時，立即關停底部加熱器，結束實驗。

2 數據處理與不確定度分析

由于加熱部件被低熱導率的玻璃纖維G10 包覆，且紫銅的熱導率非常高，故至穩態時可認為圓凸柱傳熱符合一維假設。因此，應用傅里葉導熱定律可求得有效熱通量q：

式中，TL為工質溫度，由布置于容器不同位置的兩根鎧裝熱電偶所測溫度求取平均值而得。

根據Moffat[17]提出的不確定度計算方法，本文在表1 中給出了熱通量為34.4 與180.9 W·cm-2時，池沸騰實驗中各導出量（熱通量q、壁面溫度Tw和傳熱系數h）的相對不確定度。可見，在實驗熱通量范圍內，各參數不確定度均小于10%，處于可接受的誤差范圍內，故可保證實驗結果可靠性。

表1 實驗參數不確定度Table 1 Uncertainties of experimental parameters

3 結果與討論

3.1 實驗可靠性驗證

為驗證上述實驗系統可靠性，測定了常壓下去離子水的飽和池沸騰曲線。圖3為飽和池沸騰條件下，測得實驗數據與文獻[18-22]報道的模型預測結果及實驗數據對比。根據式（5）計算可得，本研究測得壁面溫度與Rohsenow 模型預測結果[18]間平均相對偏差（MRD）為8.4%，與Liu 等[19]模型預測結果間平均相對偏差為2.4%。可見，本文實驗數據與Liu等模型吻合較好，這是因為Liu等在Rohsenow 模型的基礎上納入了表面粗糙度的影響。此外，本文實驗結果與文獻報道熱通量實驗數據[20-22]也具有較好的一致性。

圖3 水飽和池沸騰曲線與關聯式[18-19]及文獻報道實驗數據[20-22]的對比Fig.3 Comparison of saturated pool boiling curves of water between correlations[18-19]and experimental data[20-22]reported in literatures

3.2 Tween20影響

圖4 為Tween20 影響下的水過冷池沸騰特性曲線，從曲線整體趨勢可見，過冷狀態下添加Tween20 顯著強化了水沸騰傳熱。為突出過冷狀態下Tween20 對水沸騰傳熱特性的影響，本研究將Tween20 影響下的水過冷池沸騰曲線[圖4(a)]與進一步實驗所得Tween20 影響下的水飽和池沸騰曲線（圖5）進行了比較。首先，發現不同于飽和沸騰情形，當過冷度為50 K 時，添加Tween20 顯著降低了水的沸騰起始點（ONB）溫度，并且ONB 隨添加的Tween20 濃度增大而下降。表2 給出了不同Tween20 濃度影響下的過冷沸騰起始點溫度。可以發現，添加Tween20 濃度為1 ml·L-1時，ONB 溫度降低了3.7℃；但當添加濃度為0.05 ml·L-1時，Tween20 降低ONB 溫度的能力減弱（降低了1.3℃）。

表2 Tween20對ONB的影響Table 2 Effects of Tween20 on ONB

圖4 Tween20對水過冷池沸騰的影響Fig.4 Effects of Tween20 on subcooled pool boiling characteristics of water

圖5 Tween20對水飽和池沸騰的影響Fig.5 Effects of Tween20 on saturated pool boiling characteristics of water

事實上，過冷池沸騰起始過程相較飽和池沸騰更依賴活化位點數量（過冷狀態下的工質更難以汽化成核），而表面張力與壁面接觸角均是影響活化位點數量的關鍵因素[23]，故本研究將從表面張力與壁面接觸角兩方面分析過冷狀態下Tween20對沸騰起始點溫度產生影響的原因。圖6中給出了添加不同濃度Tween20 后水的表面張力與壁面接觸角結果。如圖6(a)所示，表面張力因Tween20的加入顯著降低（活化位點數量隨表面張力降低而增加）；當Tween20 濃度達到臨界膠束濃度（CMC）后，溶液表面張力甚至可減少至純水工質的50%（純水工質表面張力為71.97 mN·m-1）。圖6(b)則表明，壁面接觸角隨Tween20濃度的變化規律與上述表面張力的變化規律相反：添加Tween20 將使得壁面接觸角增大（純水工質接觸角為38.9°），并且隨Tween20 濃度增加，接觸角逐漸增大（接觸角增大有利于促進氣泡形成與脫離過程的發生）。基于以上分析可見，由于Tween20的加入顯著降低了水的表面張力，增大了壁面接觸角，活化位點數量受Tween20影響顯著增加，這引起了ONB 溫度的降低；并且隨添加的Tween20濃度增大，其降低ONB溫度的效果變顯著。

圖6 Tween20對表面張力與壁面接觸角的影響Fig.6 Effects of Tween20 on surface tension and contact angle

除上述沸騰起始階段外，Tween20 對水過冷池沸騰特性影響亦反映在核態沸騰階段。值得注意的是，相比飽和沸騰情形，過冷狀態下Tween20強化純水工質沸騰傳熱效果更為顯著（添加Tween20 后壁面過熱度降低幅度更大）。如圖4(a)所示，沸騰發生后各Tween20濃度影響下的過冷沸騰曲線差異明顯。一方面，添加低濃度（0.05 ml·L-1）的Tween20對純水工質沸騰曲線的影響并不明顯。另一方面，當添加濃度大于等于CMC 時，Tween20 表現出了較好的強化效果，且其強化效果受熱通量影響。如前所述，加入Tween20后水的表面張力顯著降低，壁面接觸角增大，活化位點數量顯著增加。這些因素促使沸騰曲線大幅向左偏移（相同熱通量下壁面過熱度降低），且濃度為1 ml·L-1時沸騰強化效果最佳（可將純水工況下的壁面過熱度降低10.4℃）。但需注意，在高熱通量下，1 ml·L-1Tween20 的沸騰強化效果劣于添加濃度為0.5 ml·L-1的工況。

為揭示1 ml·L-1濃度的Tween20沸騰強化效果變差的原因，本研究監測了高熱通量下沸騰表面溫度隨時間的變化，結果在圖7中給出。可以發現，當熱通量增加至115.1 W·cm-2后，壁面溫度開始出現周期性波動，并且波動幅度與周期均隨熱通量增加而增大。這表明1 ml·L-1的Tween20作用下的純水工質相變所形成氣泡脫離沸騰表面后，表面上出現了未能被及時潤濕的干燒區域。事實上，加入Tween20引起的活化位點大幅增多及壁面接觸角增大，并不利于沸騰表面再潤濕過程的進行。因此在高熱通量下，1 ml·L-1的Tween20沸騰強化效果減弱，0.5 ml·L-1的Tween20強化效果最佳（相較純水工況可將壁面過熱度降低9.3℃）。此外，如圖4(b)所示，高熱通量下添加濃度為0.5 ml·L-1的Tween20對水的過冷池沸騰傳熱系數提升效果優于其他濃度，可達13.4%。由以上分析可見，Tween20對水的過冷池沸騰傳熱過程具有強化作用，且其沸騰強化效果與其添加濃度及熱通量有關。

圖7 高熱通量下沸騰表面溫度波動現象Fig.7 Temperature fluctuations of boiling surface under high heat flux

3.3 Span20影響

圖8給出了Span20對水過冷池沸騰的影響。由圖可見，Span20 對水單相對流階段與沸騰起始階段傳熱特性影響均可忽略。進一步增大熱通量后，沸騰曲線隨Span20 濃度變化開始出現差異。當Span20 濃度為0.05 ml·L-1時，由于Span20 能夠輕微降低水的表面張力且此濃度低于Span20 臨界膠束濃度（0.18 ml·L-1[15]），其作用下的壁面過熱度相較于純水工況降低約3.4℃；并且在此濃度下，Span20提升了水的沸騰傳熱系數[圖8(b)]。繼續增加Span20濃度至0.5、1 ml·L-1后，沸騰傳熱效果逐漸惡化。并且Span20 濃度越高，壁面過熱度增加越顯著，沸騰傳熱系數越低（添加濃度為0.5 和1 ml·L-1的Span20 分別使得壁面溫度相較純水工況增加了7.9 和17.3℃，傳熱系數分別降低了8.7%和22.7%）。而現有研究[24-30]通常認為表面活性劑分子締合引起的工質黏度增加，是表面活性劑濃度超過CMC 時不利于沸騰強化的原因。

圖8 Span20對水過冷池沸騰的影響Fig.8 Effects of Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.4 Tween20-Span20影響

上述研究表明，Tween20與Span20在適當濃度條件下均能夠強化沸騰傳熱過程。鑒于Tween20-Span20 復配表面活性劑可實現更好的分散相穩定性，有必要探究Tween20-Span20對水過冷池沸騰傳熱特性的影響。圖9給出了Tween20-Span20復配表面活性劑作用下水的沸騰曲線與傳熱系數曲線。首先，在單相對流傳熱階段與ONB點附近，圖9(a)中各曲線相應部分重合在一起，這表明Tween20-Span20在此階段對水的傳熱過程影響很小。繼而增加熱通量至沸騰發生，可以發現Tween20-Span20對水過冷池沸騰傳熱的影響不同于Tween20和Span20：相較純水工況，Tween20-Span20使得壁面過熱度大幅增加，且復配表面活性劑濃度越高，過熱度升高越顯著（添加1 ml·L-1濃度Tween20-Span20 后壁面過熱度增加了13.7℃）。同時由圖9(b)可知，Tween20-Span20 影響下的沸騰傳熱系數均低于純水工況，當Tween20-Span20 濃度為1 ml·L-1時傳熱系數下降甚至可達16.4%，即在實驗濃度范圍內，復配表面活性劑均惡化了水的過冷池沸騰傳熱。需注意，濃度為1 ml·L-1的Tween20 能夠將壁面過熱度降低8.5℃，并將傳熱系數提升13.4%；1 ml·L-1Span20 則致使壁面過熱度增加了17.3℃，傳熱系數降低了22.7%，這表明Tween20-Span20復配表面活性劑對純水工質沸騰傳熱特性影響由Span20主導。

圖9 Tween20-Span20對水過冷池沸騰的影響Fig.9 Effects of Tween20-Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.5 氣泡演變過程可視化結果分析

為進一步理解前述Tween20、Span20 與復配表面活性劑對純水工質傳熱特性影響，圖10給出了受單一表面活性劑和復配表面活性劑影響的氣泡形貌圖像。由圖10可見，在q=69 W·cm-2工況下，純水工質在沸騰表面上相變產生了孤立的氣泡；Tween20（0.5 ml·L-1）的加入不僅大幅增加了成核密度，使得沸騰表面上鋪滿一層細密的氣泡（氣泡直徑相較純水工況時更小），而且提高了氣泡脫離頻率，因此表現出優異的沸騰傳熱強化能力。另外，純水工質中加入Span20（0.5 ml·L-1）后，在沸騰表面生成了直徑較大的氣泡，甚至在局部產生了蒸汽膜[圖10(c)]，蒸汽膜的存在極大地增加了傳熱熱阻，進而導致傳熱過程急劇惡化。相比單一Span20 的影響，盡管復配表面活性劑同樣會導致大尺寸氣泡的生成，但Tween20的存在減小了附著氣泡的尺寸，因此復配表面活性劑對純水傳熱效果的惡化程度更弱。此外，Span20 與復配表面活性劑作用下的氣泡生命周期同樣差異顯著（圖11）。由圖11(a)可見，Span20 的加入使得氣泡生命周期延長至226.5 ms，這表明Span20 引起的氣泡脫離頻率下降也是其導致傳熱惡化的關鍵。另外，圖11(b)的結果表明，將Tween20與Span20組合形成復配表面活性劑有助于緩解Span20 導致的氣泡脫離頻率大幅下降，但復配表面活性劑作用下的氣泡生命周期仍達99.5 ms，故復配表面活性劑同樣會引起傳熱惡化。綜上所述，Span20 導致局部產生難以脫離的蒸汽膜是其惡化傳熱的根源。此外，盡管Tween20 具有優異的沸騰傳熱強化能力，但按比例將其與Span20 復配并不足以彌補Span20 帶來的傳熱惡化效果，也即復配表面活性劑對純水工質傳熱特性影響主要由Span20決定。

圖10 表面活性劑作用下的氣泡形貌（q=69 W·cm-2）Fig.10 Images of bubble morphology affected by surfactants(q=69 W·cm-2)

圖11 Span20和Tween20-Span20作用下的氣泡演化過程（q=69 W·cm-2）Fig.11 Evolutions of bubbles affected by Span20 and Tween20-Span20(q=69 W·cm-2)

4 結 論

本文針對過冷狀態實驗研究了常用于穩定復合工質分散相的Tween20、Span20 單一表面活性劑及兩者復配表面活性劑（Tween20-Span20）對純水工質池沸騰傳熱特性的影響，所得結論如下。

（1）不同于飽和沸騰情形，當過冷度為50 K時，添加Tween20 能夠降低沸騰起始點溫度，且Tween20濃度越高，其降低ONB溫度效果越顯著。

（2）相比飽和池沸騰工況，過冷狀態下Tween20強化沸騰傳熱效果更佳，其作用下的壁面過熱度大幅下降；但需注意，隨熱通量增加，1 ml·L-1Tween20傳熱強化效果將逐漸減弱，也即表明Tween20 的強化沸騰特性與熱通量有關。

（3）Span20 對水過冷池沸騰的影響取決于濃度：低于臨界膠束濃度時，Span20 能夠強化傳熱過程；但對于高于臨界膠束濃度的Span20，隨濃度增加沸騰傳熱過程將逐步惡化。

（4）盡管Tween20-Span20 復配表面活性劑能夠更好地穩定分散相，但其不利于沸騰傳熱（復配表面活性劑對純水工質沸騰傳熱特性影響由所含Span20 主導），且所用復配表面活性劑濃度越高，傳熱惡化現象越嚴重。

上述研究結果可為傳熱強化復合工質過冷池沸騰傳熱特性分析提供基準對照依據，并為其配制提供相應指導。