微通道核态沸腾传热研究进展

王高辉 谢伟伟 尹志新

广西大学 广西 南宁 530000

引言

随着科技水平的快速发展，精密仪器中的电子元器件朝着微型化、集成化和高功率方向发展，如何快速的把微型设备的热量散出，是保证器件正常运行的关键。沸腾传热在可再生能源系统中具有重要意义，例如蒸汽发电厂，HVAC(加热，通风和空调)，电子制冷，石油，天然气和化学处理系统，废热回收和可再生能源系统。这些工业应用依靠沸腾来有效地转移大块跨系统边界的热通量。沸腾传热由于与潜热相关联而成为一种特别有效的传热方法，它的基础是自然对流传热和相变传热，是最重要、效率最高的传热方式之一。它具有单位面积热流密度大、结构简单、成本较低、散热能力强等优点。以下是沸腾传热的三个属性:核沸腾的开始(ONB)，传热系数(HTC)和临界热通量(CHF)。ONB是气泡形核起始所需的最小壁面过热度。当达到临界热通量时，沸腾传热的效率随壁温的升高而显著降低[1]。在实际应用中，最好(i)降低ONB点，(ii)增加 HTC，(iii)增加CHF。为此，国内外不少学者进行了大量研究，如改变加热面形貌、纳米流体粘度、浓度、分散性、添加合适的表面活性剂和提高工质稳定性等一系列方法强化沸腾传热。与去离子水和一般纯溶液散热相比，纳米流体具有更高的热流密度和传热系数。沸腾传热机理复杂，本文将从微通道核态沸腾加热表面形貌、纳米流体、纳米颗粒接触角和表面活性剂等方面阐述微通道核态沸腾强化传热的特性。

1 加热表面形貌对池沸腾传热的影响

池沸腾加热面的表面结构(微通道、微槽)很大程度上影响界面气泡动力学的行为，从而强化沸腾传热[2]。另一种增强沸腾传热的方法是增加成核中心密度，这通常是通过多孔涂层实现的[3，4]。当涂层较厚时，在较高的热流密度下，额外的形核中心变得活跃，从而提高了CHF。

然而，较厚的涂层会产生额外的热阻，从而降低传热系数。最近几年的研究多集中在改善纳米尺度的涂层来增加CHF，特别是碳基涂层，这些涂层为沸腾过程提供了新的动力，并涵盖了更广泛的应用范围。应用具有很大潜力的是石墨烯基涂层，它可以通过机械和液体剥落技术从大块石墨中轻松制造。石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法[5](CVD)、氧化还原法[6]、机械剥离法[7，8]和液相剥离法[9]等。Kole和Dey等人[10]制备了氢剥离石墨烯纳米片并对其进行了功能化，通过超声法制备的无表面活性剂石墨烯纳米流体，其稳定性超过5个月。

图1 氧化还原法制备石墨烯流程图[11]

Wu zan等人[12]通过电泳沉积表面使丙酮的传热系数提高70%，HFE―7200的传热系数提高190%。这种增强主要归因于电泳沉积表面的活性成核位点，与光滑表面相比，电泳沉积表面存在大量几百纳米到十微米的孔或空穴作为活性成核位点。Rinku Kumar Gouda等人[13]用表面活性剂沉积的受热表面进行了去离子水的池沸腾实验，经处理的表面是通过不同浓度下的水性生物表面活性剂溶液中制备的，并与平面受热的池沸腾实验进行了比较，结果表明，由表面活性剂处理后的表面与未处理的加热面相比粗糙度、传热系数、临界热流密度分别提高了4～10倍、188%、152%，同时润湿性也得到较大提高。除了用表面活性剂沉积的方法外，Lu Kejian等人[14]通过直接的电化学阳极氧化方法在裸露的Ti衬底上控制生长TiO2碳纳米管，经过改变阳极氧化时间，可以得到具有不同直径和长度参数的纳米管，该实验结果表明，与没有生长碳纳米管的Ti基板相比，有碳纳米管的加热面的临界热流密度提高48%，热流量达到196W/cm2。

图2 (a)电化学法制备Ti基体表面TiO2纳米管阵列，(b)从钛基板到改性表面全过程，(c―g)纳米管的形成机理[14]

2 纳米流体对池沸腾传热的影响

纳米流体是指把固体颗粒尺寸(一般100nm以下)放入液体后得到的均匀且稳定的胶体分散液。常见的纳米颗粒为金属颗粒、金属氧化物颗粒、非金属氧化物颗粒，如常见的Cu、Al2O3、碳粉、石墨烯等，基液有水、油、醇及其混合物等[15]。纳米流体因为比一般纯液体有更高的热导率备受关注[16]，纳米流体制备可以分为单步法[17]和两步法[18]。单步法是指纳米颗粒和纳米流体的制备同时进行，一般通过液相化学法和物理气相沉积(PVD)的方法制备纳米流体。两步法先通过物理/化学等技术制备出纳米颗粒，然后进行磁力搅拌，超声波震荡等技术，最后在基液中混合均匀的方法。

Soltani.S等人[19]认为沸腾传热过程中气泡的加热表面和底面之间存在极薄的液体层，纳米颗粒本身热导率高，在液体层中增强了该流体的导热，增大了沸腾加热表面热量向气泡内的传递速率，最终使得纳米流体的沸腾传热系数比纯工质的更高。

3 纳米颗粒接触角和表面活性剂对沸腾传热的影响

另外，纳米颗粒接触角会影响沸腾传热时气泡的稳定性和加热面纳米沉积层的形态。由于对纳米颗粒接触角的测量复杂，一般通过测量干燥层胶体的接触角或测量基体材料的接触角来间接测量对应纳 米颗粒的接触角[20―22]。

刘藏丹等人[23]通过制备不同亲水程度纳米颗粒的纳米流体，对其接触角测试发现:强亲水和中等亲水纳米颗粒的平均接触角分别约为22°和37°。受接触角影响，中等亲水纳米颗粒被吸附在气液界面，抑制了气泡合并，且延迟了加热面向膜态沸腾的转变，临界热通量急剧增大，并导致纳米颗粒沉积在加热面，粗糙度增大，沸腾曲线右移。另外不少研究学者通过向纳米流体中添加少量表面活性剂强化沸腾传热[24]。张伟[25]等采用复合电刷镀工艺及表面改性技术，在紫铜表面制备了纯镍微结构、亲水性石墨烯/镍复合微结构和疏水性石墨烯/镍复合微结构三类微结构形貌，结果表明，与纯镍微结构相比，疏水性石墨烯/镍复合微结构临界热流密度和最大传热系数分别提高97%和135%。对于一些特定的应用，不仅在传热领域，而且在在其他领域，例如物理和化学催化以及界面反应都将有现实意义。

4 结语

综述了微尺度核态沸腾传热研究进展，重点对沸腾传热加热表面形貌、纳米流体、纳米颗粒接触角和表面活性剂进行总结。目前，关于沸腾传热，很多学者只关注系统整体的传热能力，而对沸腾过程中的微观现象和气泡动力学研究较少，现有的沸腾传热机理不能完全解释沸腾传热规律。因此，对于以往的研究方式需要进行改变，通过借助先进的电子机械加工技术和测量技术对沸腾传热微观机理进行研究。