微纳复合表面HFE-7100/水的BRT现象及沸腾传热特性

黄瑞涛，春江，张峥，李启凡，温荣福，马学虎

（辽宁省化工资源清洁利用重点实验室，大连理工大学化学工程研究所，辽宁大连116024）

引 言

沸腾传热作为高效的换热方式广泛应用于工业领域中，如热电站、沸水反应堆、电子器件热管理等[1-5]。由于相变吸收大量潜热，沸腾具有传热系数高、换热温差小的优点，是强化传热的重要手段。起沸过热度（ONB）、临界热通量（CHF）和传热系数（HTC）是描述其传热能力的主要参数，当热通量高于CHF 时，气泡发生剧烈聚并，在固体壁面与液相主体之间形成气膜，这决定了热量从固体壁面向液相主体传递能力的上限，被称为沸腾临界点[6-8]。HTC 体现了沸腾的传热效率，通常随着热通量的增加而上升，其大小等于热通量与液相主体和壁面温度差的比值。ONB 代表着系统由低效率的对流传热转换为高效率的沸腾传热的临界点。尽管关于沸腾传热的研究已较为深入，但仍面临着工作温度区间较窄，难以在大范围的温度变化条件下保持高效稳定传热的问题。

在表面构建粗糙结构可以提高表面液体供应能力并提供有效核化位点，实现ONB 的降低和CHF的提高[9-19]。但单一水工质沸腾起始温度较高，为进一步降低起沸温度，可采用沸点较低的有机工质作为沸腾工质。Thiagarajan 等[20]在铜表面构建了厚度为100～700 μm、孔隙率为55%～60%的多孔涂层，在低热通量时，厚涂层由于较高的核化点密度而具有较高的HTC，在高热通量时，薄涂层由于较低的工质补充阻力而具有较高的CHF。Kiyomura 等[21]在沸腾表面构建了方形微米柱阵列，该结构可增强毛细抽吸能力进而提高HTC，并抑制了气泡底部干斑的扩张以强化CHF。尽管HFE-7100 等有机工质可以在较低的温度下进行沸腾传热，但沸腾难以在较高的壁面温度条件下进行。

非共沸不互溶工质与单一工质相比具有较大的工作温度区间，具体表现为：密度大、沸点低、与热壁面直接接触的重工质层，以及密度小、沸点高、位于重工质上方的轻工质层，不同沸点的工质随温度升高先后参与沸腾。同时由于两种不互溶工质的共存使得系统总蒸气压提高，其平衡温度与单一工质相比较低，系统在沸腾中始终保持较大的过冷度，可充分降低壁面温度，低沸点重工质使沸腾可在较低温度下进行，避免了起沸过程中壁面温度的大幅度振荡[22-23]。其中，重工质液层高度对非共沸不互溶工质的沸腾曲线有较大影响，Kobayashi 等[24]使用FC-72/水混合工质，发现在总液位100 mm 条件下，当重工质FC-72 高度为5 mm 和10 mm 时，随着热通量的升高，壁面温度出现幅度为20 K 的突增，随后沸腾曲线斜率再次增大，这一现象被命名为“中间烧干”。Onishi 等[25]提出，在FC-72/水系统中，随着热通量的提高，初始厚度较薄的FC-72 难以对沸腾区域进行有效补充导致“中间烧干”现象，气泡合并后底部干斑区域扩大，温度迅速上升，同时由于Taylor 不稳定波长的影响，水在穿过FC-72层与过热壁面接触后参与沸腾。当重工质液层厚度过大时，水难以穿过重工质层参与沸腾，CHF 无法提高。为了深入探究这一过程，Kawanami 等[26]提出，重工质的沸腾达到其CHF 后，轻工质取代重工质下沉接触热壁面开始沸腾，沸腾曲线斜率再次提高，该过程称作BRT 过程，且只在重工质液层高度低于某一临界高度时才会发生。

然而，目前非共沸不互溶工质在微纳结构表面的沸腾研究较少，尤其在微纳复合表面的气泡运动机理和沸腾特性研究较为不足。本文使用气泡模板电沉积方法在铜基表面制备了包含纳米颗粒枝束和微米孔洞的微纳复合结构，结合可视化实验和沸腾传热测试研究了在微纳复合表面HFE-7100/水工质的BRT特性和沸腾传热能力，为后续表面设计，强化非共沸不互溶工质沸腾传热提供思路。

1 实验材料和方法

1.1 微纳复合表面的制备与表征

本实验样品为边长15 mm的正方形铜片。首先对表面进行粗糙化处理，增大沉积附着面积，后依次使用去离子水、无水乙醇、丙酮对样品进行超声清洗。沉积池内阳极为纯铜片，与样品铜片间距保持2 cm，极板间电流为2.31 A。电解液组成为0.2 mol·L-1CuSO4和1 mol·L-1H2SO4，实验过程中组成稳定，沉积时间为45 s。在沉积过程中，使用磁力搅拌器对沉积池内的溶液充分搅拌，以保证溶液体系组成均匀。对于光滑铜表面，使用400#、800#、2000#的砂纸依次打磨，清洗过程同上。

用该方法制备的微纳复合表面具有自适应性，在电沉积过程中，直流电源向样品稳定输入负电荷，作为结构基本单元的铜纳米颗粒在副产物H2气泡外围的电解液内析出后，沿气泡外侧边缘自组装堆积生长，随着H2气泡不断生长脱离，样品表面形成较为规整的多孔结构，见图1(a)。沸腾过程所发生的气泡核化脱离过程与电沉积相似，电沉积产生的多孔结构不仅为沸腾过程中气泡的核化脱离提供了核化位点，而且使工质能够在抽吸作用下沿铜纳米颗粒堆积而成的多孔通道向核化区域快速补充，其方向与电沉积中铜纳米颗粒沉积方向相同，随后在毛细力二次润湿的作用下输送至气泡底部的微液膜处进行蒸发促进气泡生长，见图1(b)。表面结构的自适应性促进了工质气泡的核化、生长、脱离等过程，也最大限度地避免了气泡的高频率运动对表面结构的破坏。使用场发射扫描电子显微镜SEM（NOVA Nano SEM 450）分析光滑铜表面与微纳复合表面的表面形貌。如图1(c)～(e)所示，直径约300 nm 的铜颗粒自组装形成枝束状结构，枝束状结构聚集形成微米孔洞结构，枝束状结构的尺寸为3～5 μm，间距1～2 μm，所形成的微米孔洞直径约为(80±10) μm，且大孔洞内部由小孔洞相互连通。使用接触角测量仪（DATA Physics OCA 25）测量水和HFE-7100 在光滑铜表面和微纳复合表面的接触角[图2(a)、(b)]，其中水在光滑铜表面的接触角为74°,在微纳复合表面的接触角为0°；HFE-7100 在光滑铜表面的接触角为15°,在微纳复合表面的接触角为0°。另外，测试了双工质环境下HFE-7100 和水对固体壁面的润湿性[图2(c)、(d)]，光滑铜表面水环境下HFE-7100 的接触角为144°；微纳复合表面水环境下HFE-7100 的接触角为0°；光滑铜表面HFE-7100 环境下水的接触角为147°；HFE-7100 环境下水对微纳复合表面不发生润湿过程。可见，对于微纳复合表面，HFE-7100较水具有优先润湿性。

图1 微纳复合表面自适应性及不同放大倍数扫描电镜图片Fig.1 Self-adaption and SEM images with different magnification of micro/nano structured hierarchical surfaces

图2 接触角Fig.2 Contact angle

1.2 沸腾传热测试

实验装置如图3(a)所示，主要包括沸腾腔，制冷机（予华DFY-10L/25），弹状加热棒（Z200403 220 V 150 W），辅助加热棒（48 V 100 W），直流电源，T 型热电偶及数据采集系统（KEYSIGHT 34970A），可视化系统包括高速摄像（Photron APX RS）、单反相机（佳能80D）、光源。将样品焊接后，密封样品与沸腾腔壁面间的空隙。在实验开始前，使用辅助加热棒将沸腾腔内的混合工质沸腾1 h 以去除不凝气。在沸腾实验开始后，加热功率上升，当温度示数在5 min 内变化幅度小于0.2 K 时视为稳定，记录温度采集数据，热通量由式(1)和式(2)计算，壁面温度TW由式(3)计算。

式中，q"为导热铜柱的热通量；kCu为铜的热导率，在本实验中kCu=401 W∙m-1∙K-1；Ti为测温点温度（i=1，2，3，4，5）；Δx为导热铜柱内热电偶测温点的间距（5 mm），x13=x24=x35=2Δx=10 mm[图3(b)];q为正方形沸腾表面的热通量;Sc为加热铜柱的横截面积（1.77 cm2）;Sr为正方形沸腾表面面积（2.25 cm2）;Δx0是最上端热电偶到铜加热棒顶部的距离（12 mm）;δ1是铜样品厚度（3 mm）;δ2是焊锡厚度（0.2 mm）;ksolder为焊锡的热导率，ksolder=50 W∙m-1∙K-1。

图3 沸腾传热测试系统Fig.3 Tested system of boiling heat transfer performance

1.3 实验台校验

通过水在光滑铜表面的沸腾传热，测试系统的可靠性，如图4 所示。测试得到水的CHF 为114.7 W∙cm-2，与Li 等[27]的测试结果116 W∙cm-2、Zuber[28]的预测结果110 W∙cm-2接近。本实验所使用的T型热电偶误差为0.05 K，使用均方根法计算误差[29]，热通量、壁面温度最大误差分别为5.7%、7.2%。

图4 光滑铜表面水沸腾曲线及模型对比Fig.4 The boiling curve of water on smooth surface and comparison with the model

2 实验结果与讨论

2.1 BRT过程及现象分析

考虑到重工质气泡运动易受工质对流扰动和液-液相界面不稳定性的影响，Kawanami 等[26]根据Kelvin-Helmholtz 不稳定方程建立了BRT 过程重工质液层临界厚度预测模型：

其中，q为重工质的CHF，由Zuber模型[28]计算得到，根据本文的实验条件及物性，计算得到HFE-7100/水体系的h1lim为3.24 mm，当重工质厚度低于3.24 mm 时，可发生BRT 过程。本实验在总液相高度保持40 mm 条件下，将重工质HFE-7100 的液层高度覆盖3.2 mm 取0.5、1、3、5 mm，分别命名为mixture-0.5mm、 mixture-1mm、 mixture-3mm、mixture-5mm，在微纳复合表面上进行沸腾传热测试。

图5(a)为HFE-7100/水在光滑铜表面沸腾且发生BRT 过程时的沸腾曲线。根据沸腾工质的不同，曲线可分为重工质沸腾区、BRT 区、轻工质沸腾区。以常压下重工质HFE-7100 的沸点为基准（334 K），观察光滑铜表面在mixture-3mm 下的气泡生长过程可知，当ΔT=14.3 K 时，HFE-7100 起始核化，随着壁面温度的提高，热通量逐渐增加，处于重工质HFE-7100 沸腾区，HFE-7100 气泡在光滑铜表面上依次经历了核化、靠拢、聚并、脱离的过程，如图6(a)所示；当ΔT=48 K时，HFE-7100“中间烧干”形成气膜，气膜膨胀形成气泡脱离，此时水穿过气膜下沉与热壁面接触，系统处于BRT 区，如图6(b)所示；当ΔT=69 K 时，水对热壁面实现完全润湿，在液相主体过冷度的作用下，水剧烈沸腾形成大量小气泡，系统处于轻工质沸腾区，如图6(c)所示[25]。图5(b)为微纳复合表面在mixture-3mm 条件下的沸腾曲线，此时BRT 过程发生，其趋势与图5(a)相似，当ΔT=10.3 K时起始核化，系统处于重工质沸腾区，HFE-7100 能够对微纳复合表面进行润湿，与光滑铜表面相似，其气泡同样经历了核化、靠拢、聚并、脱离的过程，如图6(d)所示；当ΔT=28.5 K时，重工质“中间烧干”，轻工质下沉替代重工质与热壁面接触，系统进入BRT 区，传热由重工质沸腾和轻工质的对流共同实现[26]，传热能力增幅较低，沸腾曲线斜率下降，重工质对壁面的二次润湿能力下降，此时部分微纳复合表面已被HFE-7100 气膜覆盖（表面明亮区域），与光滑铜表面相似，气膜体积增大后形成气泡并脱离热壁面，如图6(e)所示；当ΔT=70.3 K，BRT 过程结束，轻工质的沸腾成为主要传热方式，沸腾曲线斜率再次升高，系统进入轻工质沸腾区，重工质失去对壁面的二次润湿能力，表面完全被重工质气膜覆盖，水穿过气膜与壁面接触后形成气泡并快速脱离，如图6(f)所示。当重工质装填厚度超过h1lim时，BRT 过程不发生，以微纳复合表面mixture-5mm 为例，重工质剧烈沸腾产生气柱冲破轻工质进入气相，如图6(g)所示。

图5 HFE-7100/水沸腾曲线Fig.5 Boiling curves of HFE-7100/water

图6 HFE-7100/水沸腾气泡生长过程Fig.6 Bubbles growth process during HFE-7100/water boiling

2.2 微纳复合表面HFE-7100/水沸腾润湿性竞争过程及气泡行为

在微纳复合表面的沸腾过程中，HFE-7100 与水对热壁面的润湿存在竞争关系，随着ΔT的提高发生相互转换。图7为mixture-0.5mm 条件下HFE-7100与水对热壁面的润湿随ΔT的转换情况，如图7(a)所示，当ΔT较低时，HFE-7100 对壁面具有更强的润湿，可完全覆盖热壁面并发生核化产生气泡，小气泡聚并达到临界直径后穿透液-液相界面上浮脱离。随着ΔT的升高和沸腾的加剧，HFE-7100 有限的液量难以对热壁面实现完全覆盖，因此仅部分区域被HFE-7100 覆盖沸腾，气泡脱离直径较大；其他区域由水覆盖沸腾，由于水覆盖区域内不存在液-液相界面的阻挡，且HFE-7100/水体系较低的平衡温度使得水气泡在脱离壁面之前被冷却，因此气泡直径较小，更新频率更快[25]，此时两种工质对壁面润湿的竞争较为激烈，水、HFE-7100、固体壁面交界处存在液-液-固三相线，如图7(b)虚线标注，三相线随着润湿的竞争发生周期性移动。当HFE-7100 气泡生长时[图7(b)]，三相线向水的沸腾区域移动；当HFE-7100 气泡即将脱离时（20 ms），三相线向HFE-7100 的沸腾区域移动；在HFE-7100 的大气泡脱离的瞬间（40 ms），三相线向HFE-7100 的沸腾区域大幅度收缩，水对壁面的润湿得到强化；在HFE-7100 气泡完全脱离后（60 ms），随着后续HFE-7100工质的补充，HFE-7100 对壁面的润湿再次增强。三相线的周期性移动随着壁面温度的提高逐渐向HFE-7100 的沸腾区域收缩，HFE-7100 对壁面的润湿不断下降，当ΔT达到75.7 K 时，水对热壁面实现完全润湿，如图7(c)所示，水发生剧烈沸腾并产生蘑菇云状的大气泡。

图7 mixture-0.5mm沸腾HFE-7100与水的润湿性竞争Fig.7 Wetting competition between HFE-7100 and water at mixture-0.5mm boiling

为探究沸腾传热能力的差异，本文使用高速摄像记录了微纳复合表面在mixture-1 mm 和mixture-3 mm 下气泡脱离频率和脱离直径随壁面温度的变化规律。由图8(a)所示，对于mixture-1 mm 和mixture-3 mm，随着壁面温度的升高，与BRT过程的沸腾曲线趋势相似，气泡的脱离频率经历了先上升，再保持恒定，后继续增加的过程，且不同阶段转折点的ΔT与沸腾曲线各阶段转折点的ΔT一致，同时mixture-1mm 的气泡脱离频率始终高于mixture-3mm，这是因为较薄装填厚度使得重工质液层整体更接近于导热边界层，气泡核化生长的过程处于惯性控制阶段，其气-液相界面发生整体蒸发相变，气泡生长速度得到提高，而沸腾是通过气泡的运动将热量带离热壁面，故沸腾传热能力得以强化[30]；对于mixture-0.5 mm，在壁面温度较低时气泡脱离频率与mixture-1 mm 接近，随着ΔT持续升高，重工质液层难以在沸腾表面稳定存在，因此脱离频率大幅下降，随着水发生沸腾再次提高。如图8(b)所示，随着壁面过热的变化，mixture-1 mm 和mixture-3 mm 的气泡脱离直径始终保持一致，Greene 模型[31]提出，气泡穿透液-液相界面的前提是向上的浮力与向下的界面张力达到平衡，计算得出HFE-7100/水相界面的气泡穿透直径6.7 mm，本文测试结果与之接近；对于mixture-0.5 mm，当热通量较低时，重工质液层稳定存在，气泡穿透液-液相界面过程符合Greene模型描述，故脱离直径与mixture-1 mm，mixture-3 mm 接近，当热通量较高时，水与壁面接触参与沸腾产生体积较大的蘑菇云，气泡脱离直径大幅增加。

图8 气泡动力学对比Fig.8 Comparison of the bubbles dynamic

2.3 微纳复合表面HFE-7100/水沸腾特性

如图9所示，可以根据沸腾曲线斜率变化得出，mixture-0.5 mm、mixture-1 mm、mixture-3 mm 发生了BRT 过程，mixture-5mm 未发生BRT 过程，符合Kawanami 模型的预测结果。对于微纳复合表面，HFE-7100 单一工质在ΔT为7.6 K 时开始沸腾，在ΔT为21 K 时达到沸腾临界点，CHF 为38.2 W∙cm-2；单一工质水在ΔT超过40 K 后开始沸腾，在ΔT约为90 K 时达到沸腾临界点，CHF 为136.3 W∙cm-2。与单一工质相比，HFE-7100/水体系可在单一工质无法覆盖的ΔT=20～40 K 区间内进行高效的沸腾传热。mixture-5mm 未发生BRT 过程，其沸腾曲线与HFE-7100 单一工质的沸腾曲线接近，且传热效率高于HFE-7100单一工质，这是由于mixture-5mm的重工质液量较大，体系与单一工质接近，同时非共沸不互溶工质体系较低的平衡温度可促使沸腾壁面温度降低。当重工质装填为mixture-0.5mm、mixture-1mm 和mixture-3mm 时，BRT 过程可发生，沸腾可在ΔT=10～90 K 内高效进行，其起始核化温度与mixture-5mm 和HFE-7100 单一工质接近。mixture-1mm 和mixture-3mm 的重工质可在ΔT低于30 K 条件下充分沸腾，热通量提高较快，当BRT 过程发生时，出现了30～40 K 的温度激增，随后水穿过HFE-7100 气膜与热壁面接触参与沸腾，热通量再次提高，另外mixture-1mm 的重工质气泡生长脱离较快，故mixture-1mm 的沸腾传热能力整体强于mixture-3mm。对于mixture-0.5mm，由于HFE-7100液量较少，无法在起始核化后维持高效的沸腾传热，故当ΔT低于43.7 K 时，其热通量低于mixture-1mm 和mixture-3mm，当ΔT达到43.7 K 后，较少的HFE-7100 的液量使得气膜难以稳定存在，水更容易下沉与热壁面接触润湿，故沸腾剧烈进行，传热能力迅速提升，最终CHF 达到73.5 W∙cm-2，远高于mixture-1mm 的20.4 W∙cm-2和mixture-3mm 的8.2 W∙cm-2。

图9 微纳复合表面不同装填厚度下的HFE-7100/水沸腾曲线对比Fig.9 Comparison of boiling curves of HFE-7100/water on micro/nanostructured hierarchical surface

3 结 论

（1）对于微纳复合表面上HFE-7100/水混合工质沸腾，当BRT 过程发生时，HFE-7100 对表面的二次润湿能力随着ΔT的升高逐渐下降，表现为壁面逐渐被气膜覆盖，系统先后经历了重工质沸腾过程、BRT 过程、轻工质沸腾过程，且气泡形成过程先后经历了重工质核化、聚并、脱离形成，气膜膨胀形成，轻工质穿过气膜与壁面接触核化形成三个过程。

（2）HFE-7100 气泡穿过液-液相界面是浮力与液-液界面张力的平衡，较薄的重工质液层更接近于导热边界层，有利于气泡内气-液相界面蒸发，导致mixture-1mm 气泡脱离频率和传热能力高于mixture-3mm；对于mixture-0.5mm，当BRT过程发生时HFE-7100 与水在热壁面处存在润湿竞争，随着ΔT升高HFE-7100 的润湿能力逐渐下降，水穿过HFE-7100 气膜后对热壁面润湿，剧烈沸腾产生尺寸较大的气泡。

（3）当重工质厚度过大不发生BRT 过程时，HFE-7100/水的沸腾曲线与单一HFE-7100 趋势相近；当BRT 过程发生时，HFE-7100/水沸腾具有较宽的工作温度区间，可对单一工质HFE-7100 和水的沸腾温度区间,以及ΔT≈20～40 K 的空白区间实现全面覆盖。对于mixture-0.5mm，当热通量较低时，较少的装填厚度使得重工质液层难以在热壁面上稳定存在，沸腾传热性能较差；当热通量较高时，较少的HFE-7100 液量难以维持气膜稳定存在，水容易穿过HFE-7100 气膜接触热壁面参与沸腾，故CHF较高，可达到73.5 W∙cm-2。

符 号 说 明

A——沸腾传热面积，m2

g——重力加速度，m∙s-2

hlg——重工质汽化潜热，J∙kg-1

h1,h1lim——分别为重工质液层高度、BRT 重工质液层临界高度，mm

kCu,ksolder——分别为铜和焊锡的热导率，W∙m-1∙K-1

q",q——分别为导热铜柱的热通量和正方形沸腾表面的热通量，W∙cm-2

Sc,Sr——分别为加热铜柱的横截面积和正方形沸腾表面的面积，cm2

Ti,TW,ΔT——分别为测温点温度，沸腾壁面温度和壁面过热，K

Δx,Δx0——分别为测温点间距和上端热电偶到铜加热棒顶部距离，mm

δ1,δ2——分别为铜样品厚度和焊锡厚度，mm

ρ1,ρ2——分别为重工质和轻工质的密度，kg∙m-3

σ1——重工质表面张力，N∙m-1