氣液分離強化傳熱多孔結(jié)構(gòu)毛細上升特征

涂文斌，王　勻，湯　勇

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氣液分離強化傳熱多孔結(jié)構(gòu)毛細上升特征

涂文斌1，王勻1，湯勇2

（1江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東省高校表面功能結(jié)構(gòu)制造重點實驗室，廣東 廣州 510640）

摘要：氣液分離強化傳熱多孔結(jié)構(gòu)，由于氣體、液體在多孔壁面有著不同的力學行為，使得氣液兩相在多孔壁面發(fā)生分離，氣體不能進入多孔壁面結(jié)構(gòu)，液體則能自由進入，從而形成氣體始終沿管壁運動，液體則在管中心流動這一高效傳熱流態(tài)。多孔壁面的毛細力對氣液分離有著重要的影響。采用一種新穎的毛細力測試方法——紅外熱像測試法測試了多孔強化結(jié)構(gòu)的毛細力。研究發(fā)現(xiàn)，多孔結(jié)構(gòu)的毛細力與使用的粉末材料形狀、顆粒尺寸及填充孔隙率有關(guān)。其中對毛細力影響最大的是粉末顆粒形狀，顆粒尺寸次之，孔隙率最弱。

關(guān)鍵詞：毛細力；燒結(jié)；多孔介質(zhì)；傳熱；紅外熱像

引 言

強化傳熱技術(shù)可劃分為被動式強化技術(shù)和主動式強化技術(shù)[1]，被動式強化技術(shù)不需要外界動力，包括擴展表面、插入物、渦流發(fā)生器等；主動式強化技術(shù)則需要加入外部動力，包括機械振動、施加電場磁場、流體添加物等。管內(nèi)強化通常有插入物、內(nèi)翅片及擴展表面等[2-4]。這些傳熱強化技術(shù)的物理機制可歸納為:（1）壁面區(qū)和中心區(qū)流體的混合；（2）流體邊界層減薄；（3）二次流形成、增強湍流強度[5-7]。氣液分離強化傳熱是作者所在課題組2012年提出的一種新型強化傳熱方法[8-9]，該方法利用氣液兩相在多孔壁面有著不同的力學行為，氣液兩相能夠在多孔壁面發(fā)生分離，其中氣體不能進入多孔壁面結(jié)構(gòu)，液體則能自由進入，從而形成氣體始終沿管壁運動，液體則在管中心流動這一高效傳熱流態(tài)。多孔壁面的毛細力對氣液分離有著重要的影響。本文采用一種新穎的毛細力測試方法——紅外熱像測試法測試了多孔強化結(jié)構(gòu)的毛細力，研究多孔結(jié)構(gòu)使用的粉末材料形狀、顆粒尺寸及填充孔隙率對毛細力的影響。

毛細力測試方法有氣泡法、毛細上升法[10-11]。大多數(shù)研究人員一般采用毛細上升的方法進行測量[12-15]，不同于一般毛細上升法，本項目團隊[16-20]提出一種紅外熱像儀測試毛細高度的方法。該方法主要利用了不同物體的發(fā)射率不一樣，在紅外熱像儀測溫時，對特定的物體需設定其對應的發(fā)射率，否則測試出來的溫度不是物體本身的溫度，而是和發(fā)射率呈一個比例關(guān)系。這個特點可以用于多孔毛細力的測試。當毛細測試采用的工質(zhì)其反射率同測試樣品反射率相差非常大時，樣品和工質(zhì)的溫度即使一樣，它們在紅外儀上的熱像圖將會產(chǎn)生巨大的差異，這種圖像上的差異可以用來測試毛細上升的高度。該方法同其他方法相比，測試結(jié)果更加直觀，其精度也非常高。

圖1　燒結(jié)成品Fig.1 Picture of samples

1　測試樣品準備

氣液分離強化傳熱多孔結(jié)構(gòu)采用銅質(zhì)粉末固相燒結(jié)的方法制造，燒結(jié)設備為KBF16Q3，功率為8 kW，工作電壓220 V，頻率50 Hz，爐膛尺寸300 mm×200 mm×200 mm。樣品有3組，第1組使用不同尺寸銅粉顆粒，第2組使用不同形狀銅粉顆粒，第3組使用不同填充量即不同孔隙率，所有樣品都是在氣氛爐900℃環(huán)境下燒結(jié)1 h而成，燒制而成的樣品如圖1所示。

2　實驗裝置及測試方法

毛細多孔樣品產(chǎn)生的上升壓力可以表示為

式中，σ為液體的表面張力；θ為三相界面形成的浸潤角；r為毛細孔徑。

液體在毛細力的驅(qū)動下上升，上升的過程中將受到重力的作用，此外還受到運動過程中黏滯力的作用，其力學平衡方程為

方程右邊第1項為重力產(chǎn)生的水力壓頭，第2項為流體通過多孔介質(zhì)產(chǎn)生的壓差，其數(shù)值由達西定理推導而出，μ為黏度，u為液體流速，ε為孔隙率，Kp為滲透率。因此，當測試時間足夠長時，液體毛細上升高度可以表示毛細力的大小。

本文使用紅外熱像儀來測量樣品的毛細上升高度。測試用的工質(zhì)采用反射率同測試樣品反射率相差非常大的甲醇，雖然樣品和工質(zhì)的溫度一樣，由于反射率相差巨大，它們在紅外儀上的熱像圖差異巨大，這種圖像上的差異可以方便地觀測到工質(zhì)毛細上升的高度。

毛細紅外熱像測試裝置由觀察室、紅外熱像儀、數(shù)據(jù)采集PC等3部分組成。由于紅外熱像儀具有高度的熱敏感性，測試結(jié)果極容易受到環(huán)境的影響，空氣流動、熱源、光線反射、物體材質(zhì)甚至人體等都會對結(jié)果參數(shù)產(chǎn)生不利影響，因此測試環(huán)境最好是封閉式防輻射環(huán)境。本文采用的觀察室是半封閉式黑色箱體，箱體黑色表面用來消除四周的反射；為了便于觀察及操作，封閉箱體開了一個小門。觀察室內(nèi)有一樣品固定裝置，樣品固定在裝置的水平橫梁上，樣品保持豎直。工質(zhì)放在一個蒸發(fā)皿內(nèi)，工質(zhì)和樣品接觸由一水平升降臺上下調(diào)節(jié)位置。測試過程首先連接好測試裝置，固定好測試樣品，一切準備就緒。先將蒸發(fā)皿倒?jié)M甲醇，然后關(guān)上箱體門，讓甲醇在觀察室內(nèi)自由蒸發(fā)，20 min后，觀察室甲醇蒸氣飽和，開始進行測試。調(diào)節(jié)升降臺，讓樣品浸入甲醇溶液，測試過程中人員和觀察室保持一定距離，以免產(chǎn)生不利影響。測試時間為 10 min，采樣時間3 min。紅外儀測量精度為1%，長度測量誤差為1.3%，毛細上升高度的測量不確定度為1.5%。

采樣后的紅外熱像圖如圖 2所示。測試樣品為圓柱狀物體，藍色部分為吸入樣品中的甲醇，圖中顯示毛細高度清晰可辨，實驗效果良好。但實驗取樣高度并不是通過圖像目測測量而得，而是采用樣品表面溫度分析得到。首先在樣品中心做一根溫度采樣線，圖2中樣品中間那根線即是溫度采樣線。

通過熱像儀分析軟件，可以獲得這根采樣線的溫度分布。其溫度分布如圖3所示，其溫度從低往高變化，毛細液彎位置應處在溫度突變的地方，因此，圖3溫度曲線中垂直的地方（黑色框區(qū)域）即是毛細液彎處，溫度曲線垂直的地方溫度必然發(fā)生了突變。

圖2　調(diào)控管紅外毛細上升圖Fig.2 IR thermal image of capillary rise of sample

圖3　直線L1溫度變化曲線Fig.3 Temperature curve of Line 1

3　結(jié)果分析

3.1 粉末顆粒尺寸的影響

3種不同直徑顆粒枝狀燒結(jié)棒作為測試樣品，其顆粒尺寸分別為<25 μm、100～125 μm和>150 μm，顆粒尺寸采用分層篩子對銅粉進行分篩獲得。樣品孔隙率為0.76左右，所有樣品在氣氛爐900℃燒結(jié)1 h而成。測試樣品參數(shù)、燒結(jié)工藝見表1。

表1　枝狀毛細測試樣品Table 1 Samples with branch shape

樣品測試紅外熱像圖如圖4所示，上升曲線圖見圖5，采樣時間為3 min。圖4中的3根樣品從左到右分別為Cu-Bran-25（枝狀<25 μm），Cu-Bran-125（枝狀 100～125 μm），Cu-Bran-150（枝狀>150 μm）。0～40 s時，Cu-Bran-150（枝狀>150 μm）表現(xiàn)最為優(yōu)越，其上升速度最快，圖4中前5幅圖能明顯看出最右側(cè)樣品毛細上升最高，Cu-Bran-25（枝狀<25 μm）表現(xiàn)最差，上升高度最小。這主要是因為顆粒形狀越小，顆粒間組成的空隙越小，此外，由于細小顆粒在燒結(jié)成型的過程中，其細小的末梢會融化，顆粒間的孔洞甚至閉合，樣品空隙結(jié)構(gòu)不十分理想，因此滲透率也就越小，流體上升的阻力就越大。

圖6顯示了Cu-Bran-25和Cu-Bran-150樣品SEM圖。圖中顯示Cu-Bran-25樣品其銅粉顆粒末端幾乎都成圓形，這是因為銅粉顆粒太小，在燒結(jié)的過程中極易發(fā)生融化遷移，由于表面張力的作用變成了圓形，此外顆粒間的空隙有發(fā)生融合變小的現(xiàn)象。圖6(b)中Cu-Bran-150樣品則沒有發(fā)生這種現(xiàn)象，其孔洞仍然保持原貌，顆粒間的連接黏合在100 μm尺度中幾乎看不見，孔洞分布比較均勻，有利于流體的運動。因此在毛細測試中，樣品Cu-Bran-25表現(xiàn)較弱便在情理之中。

有意思的是，當時間大于 40 s時，樣品Cu-Bran-125高度超越了樣品Cu-Bran-150高度，70、 180 s時，紅外熱像圖清楚地顯示位于中間位置樣品Cu-Bran-125毛細上升高度要高于其他兩個樣品。這是因為當時間大于40 s時，流體上升速度下降，流體運動產(chǎn)生的阻力減弱，此刻上升液體產(chǎn)生的壓力差占據(jù)主要因素，由于毛細力的大小和當量孔徑的大小呈正比，Cu-Bran-125樣品由于顆粒較細，在燒結(jié)的過程中孔隙也沒有破壞，因此其產(chǎn)生的毛細力要大于大徑粒 Cu-Bran-150樣品產(chǎn)生的毛細力，其上升的高度因此要優(yōu)于其他樣品。

圖4　枝狀銅粉調(diào)控管紅外熱像圖Fig.4 IR thermal images of capillary rise of samples with branch shape

圖5　枝狀顆粒樣品毛細上升曲線Fig.5 Capillary rise height over time of samples with branch shape

3.2 顆粒形狀的影響

采用同尺度100～125 μm顆粒球形粉末和枝狀粉末樣品進行比較，球形粉末和枝狀粉末大小雖然一致，但其孔隙率相差懸殊，球形為0.29，枝狀為0.75。圖7顯示兩種不同樣品毛細上升曲線，圖中顯示兩樣品性能相差較大，無論是在毛細上升的初期，還是在毛細上升的末期，枝狀粉末樣品性能都優(yōu)于球狀粉末。25 s以后，枝狀粉末樣品明顯要高于球狀粉末樣品，隨著時間的延長，兩者的高度有加大的趨勢，但不太明顯。雖然枝狀粉末和球狀粉末顆粒大小一樣，但由于孔隙率相差懸殊，枝狀粉末孔洞結(jié)構(gòu)要大于球狀粉末結(jié)構(gòu)，且孔洞連接方式更加豐富，因此毛細性能較球狀粉末優(yōu)越，流動阻力也相對較低，因此在使用調(diào)控多孔結(jié)構(gòu)時，枝狀粉末要優(yōu)于球形粉末。此外，枝狀粉末填充量較小，幾乎是同尺寸球狀粉末的一半，非常節(jié)省材料，可降低制造成本。

圖6　枝狀顆粒燒結(jié)樣品SEM圖Fig.6 SEM picture of samples with branch shape

圖7　不同顆粒形狀樣品毛細上升曲線Fig.7 Capillary rise height over time of samples with different shape

3.3 孔隙率的影響

對于孔隙率的影響，采用同尺度、不同廠家生產(chǎn)的枝狀銅粉，所有樣品采用900℃燒結(jié)1 h工藝燒結(jié)，其孔隙率分別為0.72、0.75和0.56，其參數(shù)見表2。其毛細上升曲線如圖8所示，在80 s之前，三者毛細上升曲線幾乎重合，3種樣品性能很難區(qū)分出來；當時間大于80 s時，3條曲線開始分開。毛細上升高度和孔隙率呈一定的反比關(guān)系，孔隙率越高，其毛細上升高度越低。樣品Cu-Bran-3125孔隙率最低為0.57，因此其當量毛細半徑最小，產(chǎn)生的毛細壓力最大，毛細上升高度最高。特別值得注意的是，三者毛細上升高度雖然有差別，但差別較小，同顆粒尺寸相比，孔隙率大小對毛細力的影響相對弱很多。

表3　枝狀不同批次毛細測試樣品Table 2 Samples with branch shape from different manufactories

圖8　不同孔隙率枝狀顆粒樣品毛細上升曲線Fig.8 Capillary rise height over time for samples with branch shape

4　結(jié) 論

多孔金屬調(diào)控結(jié)構(gòu)的毛細特性受到粉末尺寸、孔隙率、粉末形狀及燒結(jié)工藝參數(shù)的影響。其中粉末尺寸對毛細影響較大，在3個不同尺寸大小的枝狀顆粒樣品中（<25 μm，100～125 μm和>150 μm），其毛細特征不呈線性關(guān)系，最優(yōu)值為顆粒尺寸100～125 μm樣品，該樣品毛細力極大，同時毛細上升流動阻力較小。粉末形狀對毛細影響較大，球狀粉末毛細特性表現(xiàn)優(yōu)良，但由于流動阻力較大，其綜合性能還是弱于枝狀樣品。孔隙率對毛細特性的影響較弱，遠不如顆粒形狀、顆粒尺寸。

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2015-09-10收到初稿，2016-04-06收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者:涂文斌（1979—），男，博士，講師。

Received date: 2015-09-10.

中圖分類號:TB 657.5

文獻標志碼:A

文章編號:0438—1157（2016）07—2761—06

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151434

基金項目:國家自然科學基金項目（U0934005，51575245）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2011CB710703）；江蘇大學高級人才啟動基金項目（15JDG151）。

Corresponding author:TU Wenbin, 13912145@qq.com supported by the National Natural Science Foundation of China (U0934005,51575245), the National Basic Research Program of China(2011CB710703) and the Jiangsu University Scientific Research Foundation for Advanced Talents (15JDG151).

Capillary performance of metal porous media for heat transfer enhancement

TU Wenbin1, WANG Yun1, TANG Yong2
(1School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;
2Key Laboratory of Surface Functional Structure Manufacturing of Guangdong Higher Education Institutes, School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Abstract:Metal porous media which enables the gas and liquid separation is adopted to enhance heat transfer. Due to the different mechanical behavior between gas and liquid in the porous wall, the gas-liquid two-phase can be separated along the porous media insert, where gas cannot enter the porous wall and the liquid is free to flow in the center. Thus, the gas can flow along the tube wall and the liquid flow in the center of the tube, leading to a high heat transfer performance. Capillary force of the porous media has an important influence on the enhancement performance. In this paper, a novel capillary force testing method is used to test the capillary force of the metal porous media inserts. It is found that the capillary force of the porous media is associated with the powder material, particle size and the filling of the porosity. The particle shape is the most important factor affecting the capillary force and then the particle size, while the porosity is the weakest one.

Key words:capillary force; sintering; porous media; heat transfer; infrared thermograph