潤濕異質性表面的過冷流動沸騰實驗研究

孫 佳 林宇豪 李 蔚

(浙江大學能源工程學院 杭州 310027)

如今換熱設備正朝著微型化和大功率的方向發展,傳統的單相換熱已不足以滿足社會發展的需要[1]。利用蒸發潛熱的沸騰相變冷卻技術已逐漸成為熱科學領域的研究熱點,尤其是在微納尺度[2]上。微通道兩相換熱被視為解決IGBT模塊[3]、燃料電池[4]和渦輪機葉片[5]等各種微型化設備[6]散熱最有前景的方法之一。

微納尺度表面具有表面粗糙度[7-8]、潤濕性[9]和孔隙率[10]等表面特征,對微通道內流動沸騰過程中的流型和換熱影響顯著。其中,改變潤濕性是進行表面改性最低廉和最簡單的方法。S. S. Hsieh等[11-12]對底壁涂有厚2 μm的金剛石膜微通道進行了過冷流動沸騰實驗研究,研究發現,親水表面比疏水表面具有更高的臨界熱流密度[11],納米流體和金剛石膜的結合能夠形成更好的潤濕性表面[12],顯著增強了換熱性能。潤濕性對于流動沸騰的影響具有兩面性,疏水性表面有助于促進氣泡成核而親水性表面能將液體補充至加熱表面。

針對潤濕異質性表面,研究者們進行了進一步的研究。A. S. Kousalya等[13]設計了具有不同間隔寬度的條狀潤濕異質性表面,通過過冷流動沸騰實驗研究發現,與均勻排列的潤濕異質性表面相比,親/疏水區域比例較大的表面具有更高的傳熱系數。J. M. Kim等[14]制備了具有均勻寬度的親/疏水條狀潤濕異質性表面,條紋圖案平行或垂直于流動方向,研究發現,當氣泡形成時拉拽力較低,臨界熱流密度較高;當所形成的氣泡可以被快速沖走時,傳熱系數增強。然而,對集中在微通道內的潤濕異質性表面研究較少。Wang Bin等[15-16]使用光刻技術在窄微通道的親水硅基表面上構建了點狀疏水圖案。通過流動沸騰實驗研究發現,在不同潤濕性區域邊緣,液體具有循環流動現象,氣泡的形成和脫離有助于降低初始沸騰過熱度。與均勻的氧化硅表面相比,汽化核心腔和氣泡脫離頻率增加,傳熱系數提高約22%。

潤濕性的改變對氣泡動力學和流動沸騰換熱性能的影響顯著。為了進一步研究潤濕異質性表面對微通道流動沸騰過程的影響,本文對微通道內的過冷流動沸騰進行實驗研究,分析了不同工況下的傳熱、壓降、流型特性及其影響。

1 實驗方法

1.1 實驗設備

微細通道內流動沸騰換熱與壓降特性的實驗系統如圖1所示。微小窄矩形通道垂直向上流動過冷沸騰實驗在常壓條件下進行。為了去除實驗工質中的不凝性氣體,實驗前先對儲液罐中的去離子水進行加壓沸騰1～2 h;實驗穩定階段,經過除氣的去離子水通過磁力驅動齒輪泵,依次流過質量通量計、過濾芯、板式換熱器、電加熱預熱器進入微細通道實驗裝置,最后工質經過另一板式換熱器降溫后返回水箱,實現流體循環,實驗穩定時間約為1 h;實驗進行階段,高速攝像機被垂直放置于微細通道實驗段的正對面,觀察和記錄通道內發生沸騰現象時的氣泡動力特性與兩相流型演變行為。實驗段入口水溫控制精度在±0.1 K以內,環境散熱損失在5%以內。

圖1 實驗裝置系統

微通道由具有高耐熱性和高透性的聚砜制成。實驗段是在一個聚砜蓋板上加工出總長度為80 mm、寬度為5 mm、深度為0.5 mm的矩形微通道。圖2所示為微通道加熱段分解示意圖,加熱段長30 mm,壁溫測量模塊由T型熱電偶焊接于厚1 mm的微型銅塊上,共計4個銅塊嵌入加工有合適凹槽的Peek載體上。測溫點距離加熱段入口分別為7.5、12.5、17.5、22.5 mm,沸騰換熱現象在此發生。過冷流動沸騰實驗工況如表1所示。

表1 過冷流動沸騰實驗工況

圖2 微通道加熱段分解示意圖

本文研究的基底是具有57°±3°接觸角的親水性硅片,如圖3(a)所示。而潤濕異質性表面上的疏水區域是通過在硅表面上旋涂特氟龍(PTFE)溶液來實現的,其疏水性接觸角為107°±3°,如圖3(b)所示。

圖3 測試表面接觸角

1.2 表面結構

本文研究的基底是具有57°±3°接觸角的親水性硅片,如圖3(a)所示。而潤濕異質性表面上的疏水區域是通過在硅表面上旋涂特氟龍(PTFE)溶液來實現,其疏水性接觸角為107°±3°,如圖3(b)所示。

條紋圖案組成的潤濕異質表面的制作過程如圖4所示。為了防止損壞加熱表面,例如劃傷、凹坑等,首先將與基底寬度一致的15 mm寬的高溫膠帶粘貼到玻璃片上,做出適當的定位標記,并將圖案區域固定在膠帶中間5 mm寬的位置后,使用精確定位的切割工具切割膠帶的相應部分,并將其取掉。然后將膠帶小心地剝離并轉移至硅基底上,使其緊密貼合于基底,被切割的膠帶區域對應于疏水圖案在加熱表面上的位置。這樣就得到了一個具有特定圖案的硅基底表面。之后,在均膠機上滴加、浸漬合適的溶劑,通過旋涂的方式使其能均勻地涂布在基板上。接著,將涂覆的基材放入烘箱中烘烤一段時間,以增加涂層與基材之間的粘合強度。由于膠帶是耐高溫的,因此不會被破壞。固定好涂膜后,小心地剝離基材上的膠帶,僅留下具有疏水性條紋圖案的親疏水表面。

圖4 制作由條紋圖案分布組成的潤濕異質表面步驟

由于膠帶和硅基板具有相同的寬度且已合理地設計了定位孔,因此處理誤差約為0.1 mm。

圖5所示為本文研究的潤濕異質性表面。圖5(a)為親疏水圖案的分布垂直于流動方向(HC),且寬度相等均為1 mm;圖5(b)為具有平行于流動方向(HP)寬度為1.5 mm的親疏水圖案。深色為親水性基底,白色為疏水性涂層。親疏水圖案的分布垂直于流動方向,且寬度相等均為1 mm。本文使用三維輪廓儀(DektaXT,Bruker)測量了基底表面上聚四氟乙烯膜的厚度,發現平均膜厚度在數百納米的范圍內。

1.3 數據處理

微細矩形通道的通道寬度定義為W,通道高度為H,通道的等效水力直徑Dh定義為:

(1)

在當前的過冷沸騰實驗研究中,出口流體的總體溫度低于相應的飽和溫度,整個流動過程均為過冷狀態。因此可通過以下公式計算工作流體與換熱表面之間的有效熱流密度Qeff:

Qeff=mcp(Tout-Tin)

(2)

質量通量計算:

G=m/Ah

(3)

局部傳熱系數計算:

(4)

本文基于加熱硅晶片內的一維傅里葉導熱定律來計算表面溫度。此實驗平臺已發表的文獻[17]對流體、壁面的溫度計算做出了詳細說明。

1.4 實驗不確定度

對實驗中用到的測量儀器的直接測量參數進行了不確定度分析,對傳熱系數等計算參數的不確定度通過誤差傳遞原理進行計算,結果如表2所示。

表2 實驗的不確定度

2 結果與討論

2.1 傳熱壓降特性

不同質量通量下潤濕異質性HC表面的局部沸騰曲線如圖6所示。

圖6 潤濕異質性表面的局部沸騰曲線

在起始沸騰點(ONB, onset of boiling)之前,壁溫隨熱流密度逐漸增加,單相傳熱系數較低,而在ONB點之后曲線斜率迅速增加,其中下游位置增加更為急劇,這是因為氣泡首先在下游疏水條上成核,隨著熱流密度的增加逐漸出現在上游疏水區。微通道下游位置成核過程的增強,提高了換熱性能,因此下游局部壁溫低于上游壁溫。此外,隨著質量通量的增加,下游和上游位置之間的局部沸騰曲線的差距也在變大。

潤濕異質性表面在不同質量通量工況下基于平均壁面過熱度的過冷流動沸騰曲線如圖7所示?？芍?隨著質量通量的增加,初始沸騰所需的壁面熱流密度和過熱度相應增加,這一點與其他研究[18-19]一致。質量通量越大,起始沸騰的條件越難滿足。而在沸騰開始之后,質量通量對換熱性能影響開始減小。

圖8對比研究了普通硅片表面和潤濕異質性HC表面在不同質量通量條件下,熱流密度隨平均傳熱系數和壓降的變化。由圖8(a)可知,兩個表面的單相傳熱系數接近,而在沸騰開始之后出現差異。在親水性光滑硅片上,由于缺少汽化核心腔,沸騰所需的壁面熱流密度和過熱度較高,且在發生核沸騰后,沸騰強度較低。換熱表面上的兩相流型會向伴有逆流和局部干涸現象為主的受限彈狀流[20]發展,沿軸向擴張的氣泡會堵塞流道,引起嚴重的流動不穩定性和換熱惡化。

圖8 不同表面上質量通量的變化與平均傳熱系數和壓降的關系

相反,潤濕異質性表面初始沸騰所需的熱流密度遠低于硅表面。傳熱系數會隨著熱流密度的增加而增大,汽化核心腔基本不受質量通量的影響。氣泡在親/疏水條之間成核劇烈,同時在界面張力的作用下難以向上游擴張。親水性區域有助于補充液體和防止局部變干,這極大地限制了逆流和流動不穩定性。隨著熱流密度的進一步增加,潤濕異質性表面的孤立氣泡逐漸生長、合并,所形成的受限氣泡會被來流沖走,該現象在汽化核心腔上往復進行。核態沸騰過程在潤濕異質性表面得到了增強,從而強化了換熱性能。本實驗結果表明,潤濕異質性表面的流動沸騰換熱表面傳熱系數最大提高了39.55%,這種強化效果是因為氣泡在親/疏水條之間成核更劇烈以及氣泡向上游擴張的行為被限制。

如圖8(b)所示,潤濕異質性HC表面與硅片表面壓降特性相似,壓降隨著質量通量和熱流密度的增加而增大。在孤立氣泡流工況下,兩個表面的壓降接近,微小氣泡對流場的影響很小。隨著熱流密度的增加,硅表面的受限氣泡流逐漸堵塞流道,壓降增大。而潤濕異質性表面上受限氣泡的擴張被限制,因此高熱流密度下該表面的兩相壓降低于硅片表面。另外由圖8(b)可知,在高熱流密度條件下,質量通量為400 kg/(m2·s)時的壓降超過500 kg/(m2·s)時的壓降,這是因為高流速有助于沖走通道中的受限氣泡。

2.2 流型

圖9所示為潤濕異質性HC表面在初始核態沸騰發生后,潤濕異質性表面在質量通量為400 kg/(m2·s)時,不同熱流密度下的兩相流型。由圖9可知,許多微小的氣泡在親/疏水條之間形成,成核位點非常多。微小孤立的氣泡首先保持不動緩慢生長,隨著熱流密度增加,氣泡逐漸融合,然后從表面脫離。

圖9 HC表面初始核態沸騰后的兩相流型

隨著熱流密度的進一步增加,潤濕異質性表面上的兩相流型如圖10所示。下游位置比上游位置更早開始成核過程,而成核位點越多,流動沸騰過程中的換熱能力越強,換熱性能越好,這與圖6中的結果非常吻合。氣泡合并后拉長的氣泡限制了成核,氣泡數量逐漸減少,如圖10(a)所示,成核位點向上游擴展,且成核位點的分布受親/疏水圖案的影響。由于親水性區域供給液體,親/疏水條紋之間的氣泡能輕松脫離,既限制了氣泡的脫離直徑又限制了氣泡的拉長。如圖10(b)所示,當熱流密度增至235 kW/m2時,下游位置的氣泡在形成后首先會合并成較大的氣泡,接著逐漸向上游移動。

圖10 潤濕異質性HC表面的受限氣泡兩相流型

潤濕異質性表面結合了氣泡在親/疏水條之間容易成核且親水區域能夠補充液體促進氣泡脫離的優點。通過對比圖10(a)和10(b)所示的兩相流型可知,成核氣泡形成之后有兩種生長和脫離模式。一方面,換熱表面上的成核氣泡吸收熱量、增長至臨界尺寸、脫離成核位置,這些氣泡逐漸與其他氣泡融合形成受限氣泡,誘發瞬態導熱傳熱機制[13]。此時,隨著壁面熱流密度的增加,受限氣泡向上游逐漸擴張,隨機掃走其他成核氣泡,而親/疏水條之間的接觸線抑制了其沿上游擴張的趨勢。受入口過冷流體的影響,受限氣泡會波動、扭曲和破裂,使氣泡脫離后又迅速成核[21],從而提高了傳熱效率。另一方面,在不受受限氣泡影響的區域中,成核氣泡將保持不動,并在加熱壁面和入口過冷流體的影響下反復生長和收縮。

通過上述對潤濕異質表面換熱、壓降和流型特性的分析可知,疏水和親水表面的組合極大地影響了微通道流沸騰過程中的氣泡動力學和換熱性能。親水性基材可有效供應液體以促進氣泡脫離并防止局部變干。由于親水性/疏水性條之間接觸線的固定作用抑制了成核氣泡的容易剝離和受限氣泡向上游的膨脹趨勢,因此降低了流動不穩定性。

2.3 親水/疏水圖案的影響

圖11所示為不同質量通量下潤濕異質性表面的平均傳熱系數變化?？梢钥闯?兩個潤濕異質表面的沸騰換熱特性在沸騰發生之后的表現有所區別。隨著壁面熱流密度的增加,潤濕異質面HP的沸騰換熱表面傳熱系數逐漸低于HC,這在高質量通量(G=400 kg/(m2·s))條件下更為明顯。前兩節得出結論,這歸因于眾多的成核位點和氣泡容易分離,潤濕異質性表面HC呈現出由成核沸騰換熱機理主導的換熱特性。

圖11 不同質量通量下潤濕異質性表面的平均傳熱系數的變化

相反,HP異質表面的換熱特性呈現出不同的趨勢,這更受對流換熱的影響,且傳熱系數隨質量通量的增加而降低。當硅晶片襯底上的疏水涂層平行于流動方向時,由異質圖案引起的接觸線固定效果不如垂直圖案明顯。與HC相似,潤濕異質表面HP上的氣泡傾向于在親水/疏水圖案之間成核。但在氣泡成核之后,由于HP上的涂層圖案具有比HC少的親水/疏水中間區域,因此難以限制成核氣泡的直徑,因此氣泡繼續長大。此外,平行于流動方向的疏水條紋不能限制氣泡在軸向方向上的膨脹,因此氣泡在脫離后會與附近的氣泡融合形成狹窄的細長氣泡,從而更容易形成干燥斑塊并擴散。相反,潤濕異質表面HC具有垂直的親水/疏水條紋,可有效控制氣泡的分離和膨脹。

在與圖10相同的實驗條件下,潤濕異質表面HP上的密閉氣泡和細長氣泡的兩相流動模式如圖12所示。潤濕異質表面HP上的氣泡在軸向方向上更嚴重地伸長和擴展。由于縱向疏水條不能限制氣泡的生長和融合,因此觀察到準周期氣泡形成,氣泡膨脹,局部變干和流體重新潤濕的過程,這與未經修飾結構的硅表面相似。在細長氣泡的軸向膨脹期間,液膜破裂并且在疏水涂層上發生局部變干。隨著熱通量的增加,換熱表面上細長氣泡的頻率和持續時間顯著增加,且局部變干面積相應增加,導致換熱性能下降。

圖12 潤濕異質性HP表面的受限氣泡兩相流型

3 結論

以去離子水作為工作流體,通過3個不同的測試表面,研究在一個單側加熱垂直窄微通道中過冷沸騰的換熱、壓降和流型特性。其中兩個表面為潤濕異質表面,在被遮蓋的硅表面上旋涂了特氟龍溶液,與無涂層的硅表面進行對比。對比與流動方向垂直(HC)和平行(HP)的疏水性圖案,分析了流型和換熱特性,并揭示了其潛在機理。得到如下結論:

1)疏水和親水表面的組合極大地影響了微通道流動沸騰中的氣泡動力學和換熱性能。與具有較小壓降的硅表面相比,在潤濕異質表面HC上的流動沸騰換熱表面傳熱系數提高了39.55%。

2)在粗糙的疏水/親水性中間區域上容易形成的氣泡促進了氣泡的成核,由于從附近的親水性區域供應液體,易于使氣泡成核。該增強成核過程,在沸騰開始所需的熱流密度較低。

3)親水性基材可有效供應液體以促進氣泡脫離并防止局部變干。由于通過親水/疏水條之間接觸線的固定作用抑制了成核氣泡的易剝離和受限氣泡向上游的膨脹趨勢,因此降低了流動的不穩定性,從而獲得了更高的傳熱系數。

4)隨著壁面熱通量的增加,潤濕異質面HP的沸騰換熱表面傳熱系數逐漸低于HC。由于HP上的涂層圖案比HC具有更少的親水/疏水中間區域,因此出現的成核氣泡更少,且氣泡的直徑不受限制。此外,平行于流動方向的疏水條不能限制氣泡沿軸向膨脹,因此氣泡在分離后將與附近的氣泡合并而形成密閉的細長氣泡。相應地發生局部變干現象,導致換熱性能下降。因此,垂直于流動方向的疏水/親水圖案比平行的具有更好的換熱性能。

5)通過簡單地在硅襯底的離散位置上涂覆特氟龍溶液,可以顯著提高換熱性能。且其價格低廉且制造相對簡單,因此,建議將潤濕異質表面用于工程應用。

符號說明

W——通道寬度,mm

H——通道高度,mm

Dh——水力直徑,mm

Qeff——有效熱流密度,J/(m2·s)

cp——水的比定壓熱容,J/(kg·K)

m——質量流量,kg/s

G——質量通量,kg/(m2·s)

Tout——出口流體溫度,℃

Tin——進口流體溫度,℃

hx——局部傳熱系數,kW/(m2·K)

qeff——壁面熱流密度,kW/m2

Tw,z——測試表面的局部溫度,℃

Tf,z——軸向位置z處的相應飽和溫度,℃

Ah——傳熱面積,mm2

ge——重力加速度, m/s2