超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。     

微多孔表面强化淬火过程中池沸腾传热的试验研究

增加表面亲水性是强化淬火过程沸腾传热、提高淬火速率的有效途径,对工程应用中实现高温物体的快速冷却具有重要意义。通过电化学阴极沉积的方法,在不锈钢柱体表面沉积金属镍颗粒,制备了一种具有较规整三维结构的微多孔超亲水表面。对其在常压饱和去离子水中进行淬火试验,研究其瞬态池沸腾传热特性,并与光滑亲水表面及微粗糙超亲水表面进行对比。结果表明,微多孔表面加快了淬火进程,冷却时间较亲水表面和无孔超亲水表面分别缩短约52%和22%。微多孔表面的临界热流密度较亲水表面提高了33%,但与超亲水表面相比却略有降低。多孔结构的存在产生了"肋片效应",使得表面局部冷却,突起的孔壁更易"刺穿"汽膜,从而使得微多孔表面的Leidenfrost温度较亲水表面与超亲水表面分别提高了约300和190℃。该表面所具有的较强芯吸性也改善了液体对于表面蒸干区域的再润湿能力,加速淬火过程中膜态沸腾向过渡沸腾的转变。     

纳米结构表面液体沸腾传热的分子动力学模拟

为了从纳米尺度了解表面结构和润湿性对池沸腾液体与固体壁面的传热性能,本文采用分子动力学方法研究了超亲水至超疏水不同润湿性的液体氩在光滑表面和含凹、凸半球纳米结构表面的沸腾传热过程,分析了三种表面上液氩在受热过程的形态、温度、热流密度等相关参数的变化情况。结果表明,液氩层沸腾过程大致可分为液氩层吸附于固体表面和液氩层从壁面脱离两个加热阶段,当液氩层吸附于固体表面时,温度升高、热流密度及气态氩原子产生速度均大于液氩层脱离壁面时的情况,在这两个阶段亲水表面上氩原子温度变化有明显的拐点,而疏水表面在两个阶段加热过程相差不大。亲水表面上的微结构能吸附更多液氩原子,促进了气泡产生及加速温度、热流密度的变化,而在疏水及超疏水微结构表面,微纳结构与液氩间的气膜层促进了气泡产生,计算结果为池沸腾传热及微结构选择提供了理论依据。     

超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究

用激光烧蚀方法在抛光后的铜上制备出四种无需涂覆修饰即可获得超疏水/亲水性的规则微阵列结构表面。基于流动可视化与温度数据结果,分析了表面浸润性和过冷度对流动沸腾传热性能的影响,与经典汽化核心密度关联式进行了对比。结果表明：疏水表面可削弱单相对流传热,大幅强化沸腾传热,最大传热系数提高了75.5%,沸腾起始点提前3.5 K,且汽化核心数目较裸铜表面提高了5倍以上,但有较低的临界热通量。超亲水表面可增强单相对流传热、小幅度提升流动沸腾传热。对比亲水表面与疏水表面的气泡生长过程,发现疏水表面尾端气泡容易汇聚,生长周期较长;而亲水表面没有发生明显的气泡汇聚行为,气泡生长周期较短。     

二元液体混合物的沸腾传热

一、混合物沸腾传热特点及机理沸腾是一种具有相变的传热过程,由于它在工业应用中的重要性,引起许多学者开展研究。在过去的几十年中,对单组分沸腾特性的研究作了不少努力。然而在实际工作中涉及的往往是混合物的沸腾问题,尤其是     

用复合化学镀层强化沸腾传热

引　言核状池式沸腾是一种成核现象 ,它包括气泡的产生、气泡的生长以及气泡的脱离 3个阶段 .在工程应用中 ,采用强化表面来获得较高的池式沸腾传热系数的例子已有许多 ,此种方法能在较小传热温差的情况下获得较大的传热通量 .例如在低品位热能的利用中就采用了这种方法 .另一个很有应用前景的领域是电子元件的冷却 .强化核状沸腾传热的方法有两种[1] ,一种是降低沸腾传热表面的润湿性 ,这可以通过在传热表面上涂覆低表面能材料如聚四氟乙烯来达到 ,但是这种方法又增加了传热的附加热阻 .另外 ,这种方法对于高润湿性的介质是不适用的 ,例如…     

乳突状多尺度结构表面的池沸腾传热特性1

为解决相变传热过程对空间尺度的矛盾性需求,通过粉末烧结和表面处理的方法制备了乳突状多尺度结构表面,研究了多尺度结构、颗粒直径和润湿性等因素对池沸腾传热特性的影响。实验结果表明,乳突状多尺度结构可有效分离气液流动路径,强化传热,临界热流密度可提高至光表面的2.2倍,且发现其传热性能随颗粒直径的增加而提高。经H_2O_2氧化处理后,加热表面的润湿性得以改善,并构成纳-微-毫3尺度结构,其中纳米级尺度结构用于拓展相变面积,微米级尺度孔隙用于液体吸入,毫米级尺度孔隙用于蒸汽溢出,3种尺度分工合作,将不同的相变过程合理地分配到与之相适应的尺度空间内,使多尺度表面的传热性能得到进一步提高。     

疏水表面的冷凝传热实验研究进展

冷凝传热作为一种高效相变传热方式,在化工、机械、制冷、发电等领域有着广阔的应用前景。对冷凝表面做疏水改性处理后可使材料表面实现珠状凝结,能有效提高其传热能力。综述了疏水表面的物理化学特性及其制备方法,分析了不同条件下疏水表面珠状冷凝的多相流动和换热特性,最后总结了疏水表面冷凝传热特点和未来的研究方向。     

铝基Al2O3纳米多孔表面大容积池沸腾实验

目前微电子器件不断地向高密度、微型化、功能化方向发展,散热问题是制约技术进一步发展的瓶颈.本文拟利用纳米多孔表面优良的相变传热特性,解决电子器件微型化散热难的问题.文中以铝基Al₂O₃纳米多孔薄膜为传热表面,以去离子水为工质,常压下对其大容积池沸腾下的传热性能进行了实验研究.实验结果表明:与光滑表面相比,Al₂O₃纳米多孔表面在核态沸腾时汽化核心密集,产生汽泡体积小、数量多并能提高铝基传热表面的传热系数2～5倍,且能够在长时间内维持其较高的传热系数;以纳米多孔表面作为传热表面,可以有效降低微电子原件表面温度3～5℃,在核态沸腾阶段能够降低30℃以上,很好地起到了降低电子元件表面温度的作用.实验结果对微电子冷却有重要的参考作用.     

纳米结构超疏水表面的沸腾传热

在紫铜基地表面制备了纳米结构碳膜,此种超疏水表面具有较高接触角.池式沸腾传热实验表明,水在这种表面上的传热系比普通表面大约10 000 W/(m2·K);同样传热温差下,传热通量约大2x105W/m2.实验过程中观察发现,气泡的脱离直径一般小于2mm,气泡脱离频率比普通表面快得多.阻垢实验证明,这种表面具有优良的阻垢性能.     

复合粉末多孔表面管的沸腾传热

采用管内去离子水加热管外丙酮沸腾的方法对复合粉末多孔表面管的沸腾传热特性进行了实验研究,获得了沸腾传热系数和K值随温度和几何参数的变化情况,并与国内几种多孔表面管的实验结果进行了比较,同时对多孔管的抗垢性能进行了分析.实验结果表明,多孔层孔隙率对沸腾传热系数的影响最大,多孔管的沸腾传热系数是同类型的光滑管的14倍,多孔管具有一定的抗垢性能.所得结果为该种类型多孔管的工业化应用提供了科学依据.     

非均匀受热条件下螺旋管内流动沸腾换热特性

目前对螺旋管在其管外表面均匀受热,管内两相流动换热的研究已十分丰富;但是在其管外表面非均匀受热条件下,管内两相流动沸腾换热特性的研究鲜有报道。为了解决螺旋管在实际运用中遇到的非均匀受热问题、得到其换热特性,本文采用了实验的方法研究了卧式螺旋管周向非均匀受热条件下管内流动沸腾换热特性。其中实验工况范围为系统压力P=0.7~1.0MPa,质量流速G=181~364kg/(m²·s),质量干度χ=0.07~0.69。实验考察了螺旋管管外壁在两种非均匀受热条件下管内的两相流动沸腾换热系数与热流密度、质量流速、质量干度的关系,并与管周向均匀受热工况进行了比较。结果表明,在螺旋管外壁面“外半周绝热、内半周受热”情况下管内流动沸腾换热系数值最大,而管外壁面“内半周绝热、外半周受热”情况下最小。     

超亲水微纳复合结构表面热沉强化润湿与传热实验

利用碱辅助的表面氧化法在紫铜微槽群热沉表面生成了氢氧化铜纳米棒阵列结构,制备出一种全新的超亲水微纳复合结构表面热沉。并以蒸馏水为液体工质,进行了纯蒸发条件下微槽群热沉、微纳复合结构表面热沉和超亲水微纳复合结构表面热沉的润湿及传热特性的对比实验研究。实验结果表明：氢氧化铜纳米棒阵列结构使得原始亲水表面的亲水性更好,随着表面纳米棒数量的不断增多,接触角不断减小,最低为9.5°,可以进一步形成超亲水微纳复合结构表面。与无纳米结构的微槽群热沉相比,在相同输入加热功率下,微纳复合槽群热沉具有更高的液体润湿高度和更好的传热性能,而超亲水微纳复合结构表面热沉的形成会进一步提高强化润湿和传热效果,相比于紫铜微槽群热沉,超亲水微纳复合结构表面热沉内液体的润湿高度提高了300%,表面温度降低了15℃左右。     

微细通道内超亲水改性表面饱和沸腾的传热特性

以去离子水为工质,针对高宽高比的矩形微细通道内竖直向上的饱和流动沸腾进行了实验研究。利用等离子增强化学气相沉积工序在原本光滑亲水的硅片表面上沉积100 nm厚度的二氧化硅薄膜得到超亲水表面。通过实验测量探讨了热通量、质量流量对超亲水和普通表面换热特性的影响,并进一步通过高速摄像对观察到的两相流型结合换热进行解释。结果表明超亲水表面在低流速和高热通量下可以通过延缓局部干涸的发生从而强化换热。     

流态化固体颗粒对载气蒸发传热的强化

Heat transfer characteristics are studied for gas carrying evaporation with fluidized solid particles in a vertical rectangular conduit. Experimental results show that heat transfer of gas carrying evaporation is enhanced and the superheat of liquid in contact with heating surface lowers remarkably by introducing solid particles. Nucleate boiling on the heating surface is suppressed to a considerable degree. The mechanism of heat transfer enhancement by fluidized solid particles is analyzed with the consideration of collisions of solid particles with the boiling vapor bubbles.     

圆形浸没射流冲击驻点时射流速度对传热影响的实验研究

以R113为工质系统地实验研究了圆形浸没射流冲击驻点时的传热情况 ,实验涉及单相对流传热、沸腾起始温度、核沸腾传热和临界热流密度等 .结果表明 :出口速度对沸腾起始温度和核沸腾传热没有影响 ;速度增加 ,单相对流传热和临界热流密度提高 ,而温度过头值减小 .当出口速度超过 10m·s^-1后 ,高速射流冲击驻点的核沸腾曲线需要修正才能位于相应过冷度下池核沸腾曲线的延长线上 .     

同心环形管强迫流动与传热实验研究

在高温高压沸腾二相流实验系统上,实验研究了窄缝为2.05 mm的同心环形管,在不同加热条件下水的流动阻力与传热特性。2种加热方式为单内管或单外管电加热,通过处理实验测量的管壁温度获得传热系数。得到了以下结果:层流向紊流转变的临界雷诺数为2 300;环形管内的流动阻力系数小于普通圆管,外管加热时的摩擦系数小于非加热条件时的数值;窄缝环形管内换热有一定强化,高于相同条件下的圆管内紊流换热;内外管同时加热时,相比仅外管加热而言,外管的换热得到了抑制;得到了环形管内流动摩擦阻力系数与传热系数的实验关联式。     

肋化结构对两相受限式阵列射流冷却的影响

为了利用两相沸腾换热提高阵列射流冷却热沉性能,使其可以用于更高热流密度散热场景,基于肋化结构对相变换热的促进作用,本文提出了两种复合不同肋化表面的受限式阵列射流冷却热沉结构,并对优化后的热沉的传热、流动特性展开了相关实验研究。两种肋化表面结构分别为：光滑切割针肋（SL1）、外覆烧结多孔层的粗糙针肋（SL2）,针肋尺寸均为0.6mm×0.6mm×1mm（长×宽×高）,SL2中多孔层颗粒粒径为120~150μm,厚度约为2倍颗粒直径。分布式阵列射流孔板构成5×5的射流单元,每个单元对应4×4针肋阵列,热源总面积30mm×30mm,针肋共计400个。实验使用无水乙醇为工质,得到了热沉在工质流量2.6~12.7mL/s、入口温度283~313K范围时的沸腾曲线和传热曲线。结果表明,两种针肋结构均可以有效实现单相强迫对流换热向两相沸腾换热的转变;增加入口温度或降低工质流量均可以有效地促进相变的发生。在相同工质流量、温度时,SL1较SL2具有更优的单相换热性能,随着加热热流密度的增加,SL2可以在更低壁面过热度下达到沸腾起始点实现过冷沸腾,表现出更佳的传热特性,但SL1可以达到更高的临界热流密度。     

水基SiO2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO₂纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO₂/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明：对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。