1、第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1009 -强化沸腾传热强化沸腾传热强化沸腾传热强化沸腾传热 表面的研究进展表面的研究进展表面的研究进展表面的研究进展 赵红霞 1 韩吉田 1 徐永田 1 邵莉 1 王美霞 1 (1 山东 大学 制冷与低温研究所 ，济南 ， 250061) 摘要摘要摘要摘要 ： ： 强化沸腾 多孔 传热表面 由于 可以有效提高 沸腾 传热系数 、减少换热面积和 设备体积 、降低设备初投资和运行费用 而得到了广泛的应用 。强化沸腾传热 表面 的发展 经历了 一个 由常规大尺度到微纳米尺度 渐进的过程。 本文 简
2、述 了自 1930 年以来 强化沸腾传热多孔表面 的研究现状 与进展 和当前微纳米多孔结构沸腾强化表面的 研究 现状 ，讨论 了强化沸腾传热多孔表面的分析 模型 和强化机理 以及 存在 的不足， 介绍了当 前微纳米尺度 光滑表面 沸腾机理的实验研究进展 ，为加深 对强化表面沸腾 机理的理解 提供参考 。 关键词关键词关键词关键词 ： ： 沸腾；强化传热；多孔表面 ；微纳米 多孔结构 1 引言 在能源的利用和传递中 ，如何有效的 强化传热过程 对于提高 整个 传热系统 的效率 和降低设备的投资 与运行费用 具有至关重要的意义 。而强化沸腾传热技术作为其中 重要且强化换热效果非常 显著的一种技术尤
3、其得到了人们的重视 。自 20 世纪 30 年代开始人们 展开对强化 沸腾传热技术的研究以来 ，各种强化沸 腾表面 ，如烧结多孔表面 ，机械加工多孔表面 等被研制出来 ，并广泛应用 于化工 、能源动力 、国防 、航空航天、制冷 空调 和电子设备的冷却当中 。随着微纳米技术的发展 ，人们正在努力探索 强化沸腾传热的 微尺度 多孔表面 。微纳米尺度多孔结构 可以大幅度提高传热面积 ，从而提高 沸腾 换热能力 ，有效解决高热流密度 系统 的冷却问题 。可以预见 ，微纳米尺度多孔结构强化沸腾表面的研究将会带来 强化沸腾传热 技术上的一次 飞跃 。 国家自然科学基金资助项目 (No.50776055).
4、 第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1010 -图 2 带有针状微翅片的芯片 SEM 图像 尽管强化沸腾传热的多孔表面得到了 较广泛的应用 ，但对于其强化沸腾传热的机理 目前仍未有统一的结论 。多孔表面 强化沸腾传热的机理涉及到多个因素 ，包括空穴直径 、空穴密度、气泡脱离直径和脱离频率 、壁面过热度等多种因素的影响 。人们已经发 展了多种分析 多孔表面强化沸腾传热的 模型 ，但这些模型 都尚有待进一步发展和 完善 。随着计算技术 和计算机的进步 ，利用数值模拟 方法 来分析多孔表面的强化传热机理 和特性 也得到了进一步的发展
5、 ，且已经取得了较好的成果 。本研究 主要 介绍沸腾传热强化表面 研究的 发展进程和现状 ，归纳总结 强化 沸腾传热机理的 研究 进展 ，并探讨该研究领域 的今后 发展方向 。 2 强化沸腾传热 表面 的进展 -从毫米 到微 纳米 Webb1对强化沸腾表面的研究历史做 了详尽的叙述 。强化沸腾表面的研究始于 1931 年，Jacob 和 Fritz 研究了粗糙表面对水的核态沸腾传热的强化效果 。他们发现表面的 颗粒粗糙度可以提高换热系数 15%，而沟槽管可以提高 3 倍，但是由于氧化等作用很快失效 。对强化沸腾表面的研究一度中止 ，到 1954 年能源危机的时候人们又开始继续研究 。在研究中人
6、们发现空穴的形状对气泡的产生有着决定性的作用 。空穴的开口直径决定了沸腾发生的过热度 ，空穴的形状决定了沸腾能否稳定进行 。基于这一原理 ，人们构造了烧结多孔表面和机械加工多孔表面 ，这是当前应用最广泛的两种多孔表面 。美国联 合碳化物公司 于上世纪 70 年代推出了Highflux 烧结多孔表面 2，利用 烧结技术将金属粉末粘结在管子 表面形成多孔结构 ，可以将沸腾传热系数提高 3-10 倍。但是烧结表面 加工制作有一定难度 ，费用较高 。而机械加工多孔表面则是利用刀具在金属表面切削 出一系列沟 槽，然后 滚压出具有一定规律和形状 的空穴 ，加工相对容易 ，成本低 ，而换热效果与烧结多孔表面
7、相当 ，因而应用更为广泛 。该类结构表面以 Thermoexcel-E 管型为代表 3（图 1）， 表面空穴 开口 直径一般在 0.1 0.3mm，节距在0.5 4.0mm，空穴深度在 0.3 0.9mm3, 4。 图 1 Thermoexcel-E 管型 近年来 ，微纳米技术在各个领域都掀起了一场技术革命 ，强化多孔表面也开始向着微纳米多孔表面发展 。人们 采用各种加工第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1011 -图 3 等温沸腾曲线 方法 来制作微纳米多孔表面 ，并测试其强化 沸腾 传热性能 。 2002 年 Honda4
8、等利用干式 蚀刻 法在硅片表面制作了许多微型针状翅片 （505060 m ， 宽厚度 高度 ）， 翅片节距为100 m （如图 2 所示 ），在针状翅片之间就形成了空穴 。他们的实验发现微型针状翅片可以提高沸腾换热和临界热流 CHF，而且降低起始沸腾过热度 。他们通过高速摄影发现当气泡离开空穴时 ，会有少量的 蒸汽保留在空穴里面 ，维持沸腾继续进行 ，从而大大提高了热流通量 。 Wei 和 Honda 5还研究了微型针状翅片的尺寸对强化传热的影响 。他们研究的翅片尺寸厚度 高度从 3060 m 到 50270 m 范围内变化 ，而翅片节距是翅片厚度的两倍 。他们的实验结果证明较大尺寸的翅片显示
9、了较好的传热性能 。这些微型针状翅片的多孔表面的沸腾特征表现为随着壁面过热度的增加热流通量会急剧增加 。他们通过高速摄影认为这一现象产生的原因是由于汽化核心主要在翅片侧面发生 。当这些翅片完全浸没在过热的液体中时 ，对所有的翅片侧面来说汽化核心生成的条件都一样 。当过热度增加时 ，汽化 核心就会快 速增加从而出现几乎等温的现象，也就是出现 竖直的沸腾曲线 （图 3）。 Akapiev6等和 Schulz7等首先 报道 了一个 由柱状 微型铜针 构成的强化传热表面 （如图 4所示 ）。这种结构具有 75%到 90%的空隙密度 。利用丙酮所做的简单蒸发实验显示 ，这种结构所具有 的良好毛细效应可将
10、丙酮均布于整个表面 ，从而可以强化沸腾传热 。 Mitrovic 和Hartmann8利用 R141b 对这种表面进行的池沸腾显示 起始沸点降低而且传热系数可以提高 2倍。同 Honda 等制作的强化传热表面一样 ，这种表面也显示出等温沸腾的特征 。 Mitrovic9推测对于具有等温沸腾现象的结构表面所必备的特性是几何特征相同的结构元素以单一模式在加热表面上排列 。这些机构元素 （突起 ）在气泡离开后一定要留住蒸汽从而形成一个与汽液表面和加热表面相交的具有一定长度的三相线 ，见图 5（ a）（ b）。 图 4 微型柱状铜针构成的强化表面 第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会
11、议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1012 -图 6 纳米多孔表面的 SEM 图像 Vemuri 和 Kim10报到了用 FC-72 在纳米多孔表面上进行的池沸腾实验 。空隙的大小在50-250nm 范围内 ，该多孔结构的厚度为 70 m ，如图 6 所示 。实验显示沸腾起始点可以降低30%。这一结果证明纳米结构的空隙也可以集存气体从而降低沸腾起始点 。 Furberg11利用电化学沉积法 和氢气泡溢出法制备了纳米树状微孔铜结构 ，如图 7 示。其树状分支里面包含的纳 米晶粒在 10-20nm 之间 。该微孔结构孔隙率在 92-94%，孔径在 30 到 105 m ，结构高 度在
12、 80-265 m 范围内 。利用 R-134a 进行的实验 表明这种结构表面 能够在较低的表面过热度下维持沸腾 。在低热通量区域 ，其换热系数可比光滑表面提高 16 倍；在高热流量范围 ，其换热系数可提高 7 倍。 3 强化沸腾传热 机理 的研究 强化表面的 沸腾传热是一个多尺度的现象 ，受到表面结构在大尺度 、微米和纳米尺度上的影响 。同时还受到气泡动力学 、液固接触特性 、传热机制 、相界面稳定性 、相界面传热传质等多种相互 联系的过程的影响 ，以及加热方式 、液体温度 、系统压力和汽液物性等因素的影响 。因而 全面理解 强化表面 沸腾传热机理并 建立完善的沸腾传热模型是一项艰巨的工作
13、。 Nakayama3等在 1980 年根据 Thermoexcel-E 管型表面发展了强化传热表面的动力模型 ，这个模型是以 “吸入 蒸发 ”模型为基础的 。他们认为全部的热流量是等于通道中的潜热 tunq与外部对流换热 exq 的和 。 图 5(a) 由于微型铜针撕裂相界面 而形成的较长的三相线 TPL 图 5(b) 由相邻微型铜针所构成的空穴 第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1013 -tun exq q q = + (1) 通道中的潜热 tunq 来源于通道中转角处聚集的 液体的蒸发 。这个模型对于求解通道中的潜热需
14、要六个经验常量 ，对于求解外部对流换热需要一个经验常量 。 Nakayama 等人分别对Thermoexcel-E 强化传热管和表面光管测试了潜热量占总热流量的比例 。结果发现Thermoexcel-E 强化传热管的潜热量占有比例远远大于表面光管 ，验证了强化管表面下通道的沸腾换热对于强化沸腾传热有很大作用 。 Chien 和 Webb12在 1998 年发表的可视化研究肯定了 Nakayama 等人的 “吸入 蒸发 ”模型对一定范围热流量的饱和沸腾是正确的 。 Chien 和 Webb13发展了 Nakayama3等人的模型 ，引入了气泡发生率和气泡的离开表面时的直径 ，从而使模型的经验常量
15、减少到只有两个 。他们把气泡的循环过程分成三个阶段 ：等待阶段 ，气泡生长阶段和流体引入阶段 ， 如图 7。 图 7 纳米树状微孔铜结构 a-c) 不同放大倍数下的 SEM 图像 d） 树状结构的 TEM 图像 图 8 多孔构造结构 气泡循环的各个阶段 第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1014 -Das 14等进一步 研究基于 Nakayama3的模型和 Chien 与 Webb13的模型 ，考虑了流体引入阶段 ，讨论了池液高度对流体引入阶段和气泡产生频率的影响 ，并详细 给出了用模型计算热流密度的步骤与方法 。整个模型计算
16、需要三个经验常量 。 上述研究主要针对较大尺度的强化表面 ，对于微纳米尺度的强化表面 ，目前仅有定性的研究 ，尚未提出 合适的模型 。 Mitrovic9认为较长的三相线的形成是柱状突起微结构能够强化沸腾换热的原因 。 Furberg11指出 其纳米树状微孔铜结构 (图 7)之所以具有高效的传热性能主要是三个方面的因素 ：合适的气体溢出通道 ；较高的孔隙率 ；树状结构的形成 。由于在制备过程中采用了氢气泡溢出法 ，气泡溢出后流下的相互连通的空穴就自然形成了蒸发式气泡脱离的最佳通道 ，而且是具有最小阻力的通道 。较高的孔隙率提高了液体的流入和蒸汽的流 出。较小的水力直径提高了层流流动的换热系数
17、。树状结构具有的较大 表面积有利于高蒸发速率时薄液膜层的形成 ，这一点为 Nakayama3所验证 。在低热流量范围 ，相互连接的微纳米尺度晶粒会增加结构的导热性能 ，从而提高该范围内的传热系数 。 4 光滑表面 微纳米尺度沸腾机理的实验研究 随着各种测量手段的进步 ，人们能够对沸腾现象进行微纳米尺度上的实验研究 。尽管这些测试都是在光滑表面上进行的 ，但是它有助于我们对强化表面上沸腾现象的理解 。Theofanous15, 16等利用高速 、高精度红外摄像技术对纳米级光滑表面的 池沸腾现象进行了研究，第一次获得了自沸腾起始到 沸腾危机整个范围内 汽化核心 数目的定量信息 ，并指出 与经典非均
18、质沸腾的核化 理论必须要求在微尺度凹穴内集存气体以产生汽化核心相反 ，在纳米级表面上的瑕疵也足以引起核化的产生 。 Demiray17等利用高速数字摄像技术对 100 m 大小的微加热器表面的核态沸腾进行了研究 。在加热器的 温度保持不变 的情况下 ，他们发现气泡从包围着它的液体过热层中获得大部分能量 ，而不是从气泡和表面之间的液体微层当中 。Myers 18延伸了 Demiray 的工作 ，获得了在等热流条件下表面温度的时空分布 ，其结果支持了 Demiray的结论 ，即微层蒸发和接触线传热不是主要的热量传递方式 ；而当气泡离开时通过液体润湿表面的瞬态导热才是主要的 。Li 和 Peters
19、on 19对一个 100100 m 的微加热器进行了研究 ，获得了气泡生成 和气泡动力学 行为 的可视化影像 。他们的研究结 果表明 ，溶解的气体和表面粗糙度对沸腾起始温度和气泡行为有重要的影响 ，而不管加热速度如何爆发式的沸腾 总能在光滑表面上发生 ，可以用 经典沸腾动力学理论来解释 沸腾的发生 机理 。 5 结论 本研究 概括 了强化沸腾传热表面从毫米尺度 向微纳米尺度发展的现状 ，叙述了关于强化表面沸腾机理 和模型 的研究 进展 ，也介绍了微纳米尺度下光滑表面沸腾机理的实验研究 。随着微纳米技术的深入发展 ，更为 高效可靠的强化传热表面将被制造出来从而引起 沸腾强化传热技术上的革 命。而
20、实验 技术 的进步将会使我们能够从微小尺度上进一步加深对沸腾现象的第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议 暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集 - 1015 -理解 ，从而 能够进一步 建立 数学 模型 ，对强化表面进行优化设计 分析 。当前微纳米强化沸腾传热 表面还处于一个起步阶段 ，关于其强化机理的研究 也刚刚 开始 ，有许多 工作 有待 我们去努力 。 参参参 参 考考考 考 文文文 文 献献献 献 1 Webb R L. Odyssey of the enhanced boiling surface. Journal of heat Transfer, 2004,
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32、d boiling surface. Starting from the widely used millimeter scale pore surface, it goes to the currently under-developing micro-pore and nano-pore surfaces. It also reviewed the analytical models developed for milli-pore surfaces. Some analyses about the physics of enhanced boiling for these micro/n
33、ano pore surfaces are also included. Finally it briefly introduced the current experimental research on boiling at smooth surface at micro-nano-scale to help understanding the physics underlying the enhanced boiling surface. Key words: enhanced boiling, milli/micro/nano-pore surface, analytical model
