納米顆粒及其接觸角對沸騰傳熱系數的影響

劉藏丹， 王東民， 全曉軍， 鄭 平

(上海交通大學 機械與動力工程學院， 工程熱物理研究所， 上海 200240)

近年來，電子產業迅猛發展。手機、電腦等智能硬件的電子芯片集成度也越來越高，而目前制約電子行業發展的一個最大因素就是芯片的散熱[1]。目前，電子芯片主要的散熱方式仍是傳統的風冷、對流散熱等。傳統的換熱工質主要以水、乙二醇等為主，但是這些工質的換熱效率均較低，無法滿足高熱流密度電子冷卻的需要[2]。此外，傳統方式極易產生大量的顆粒污垢，使得熱阻增大、換熱降低[3]。納米流體是一種以納米級顆粒為核心，將納米顆粒均勻分散到基液中形成的膠狀質混合物[4]。固體粒子形成的膠溶液的導熱率遠高于液體溶質, 由納米顆粒形成的納米流體具有高導熱率[5]。研究表明，在一定情況下部分納米流體能明顯提高換熱介質的導熱系數[6]。制備出高導熱率的納米流體有可能推進其在各個領域的發展[7]。納米顆粒在加熱面上經常以團聚的方式沉積[8]，會極大地影響加熱面的粗糙度。加熱面的粗糙度在一定程度上反映了汽化核心的大小和數目，是影響傳熱系數的主要因素。 懸浮粒子及其布朗運動通過改變工質的物理性能(導熱系數、流體黏度和表面張力等)也會影響沸騰換熱整體的換熱特性。此外，核態沸騰氣泡尺寸對沸騰換熱也有重要影響。氣泡的運動對沸騰換熱有重要作用，如果氣泡凝聚得太快，換熱效果會下降[9]。部分納米顆粒有穩定氣泡的能力，但親水或疏水的納米顆粒均會使氣泡不穩定，具有一定疏水性的納米顆粒可以抑制氣泡合并[10]，從而提高沸騰換熱性能。

通過對具有不同接觸角的納米流體進行沸騰實驗，可觀察沉積層的形態，并研究納米顆粒表面潤濕性在沸騰期間對加熱面上沉積層形態的影響。通過高速相機記錄沸騰過程中氣泡行為的照片，可清晰地看出納米顆粒表面潤濕性對氣泡大小的影響，進而觀察到氣泡尺寸和納米顆粒沉積層的形態，中等親水的納米顆粒可以增大加熱面的粗糙度，抑制氣泡合并，進而加強換熱。筆者主要研究納米顆粒接觸角對納米流體沸騰換熱的影響，按照接觸角的不同，針對納米流體對流換熱過程中的氣泡形狀、大小以及納米顆粒在加熱面的沉積進行可視化分析。

1 實驗裝置與方法

1.1 納米流體的選擇和制備

以SiO2納米流體為工質進行沸騰換熱實驗。通過兩步法合成得到不同潤濕性的SiO2納米顆粒。首先通過Stober法合成SiO2納米顆粒[11]。通過不同的硅烷對納米顆粒表面進行改造，得到具有不同潤濕性的納米顆粒。由磺基特性改性的納米顆粒為強親水，由具有聚乙二醇基團特性的磺基改性的納米顆粒為中等親水。硅烷與納米顆粒的質量比為1∶1。

選擇共混法[12-13]獲得分散均勻且穩定性高的納米流體。實驗中使用的納米流體質量分數為0.04%。在實驗準備階段將一定質量分數納米流體與去離子水混合，置入超聲波共振儀1 h，取出靜置0.5 h，使其保持穩定的狀態。

1.2 納米顆粒直徑和接觸角測量

采用莫爾文儀器(DLS)測量納米顆粒直徑，約為25 nm。納米顆粒的接觸角是直接描述納米顆粒潤濕性的參數[14]。由于對納米顆粒接觸角的測量復雜，一般通過測量干燥層膠體的接觸角或測量基體材料的接觸角來間接測量對應納米顆粒的接觸角[15-17]。將納米顆粒融入去離子水，利用超聲波共振均勻，再將納米流體噴灑到玻璃表面，噴涂的納米流體干燥后，玻璃表面會有納米顆粒膠體涂層，通過與玻璃表面水平放置的高速攝像儀捕獲固著在納米顆粒膠體涂層上靜置去離子水液滴的圖像。通過Image J軟件分析固著液滴的圖像來測量強親水和中等親水納米顆粒的接觸角。測量去離子水在該干燥層上的靜態接觸角，即近似為納米顆粒表面的接觸角[18]。為減少測量誤差，多次測量相同干燥層在不同位置的接觸角。如圖1所示，強親水和中等親水納米顆粒的平均接觸角分別約為22°和37°。

圖1 強親水與中等親水納米顆粒的接觸角Fig.1 Contact angles of hydrophilic and hydrophobic nanoparticles

1.3 實驗裝置

圖2為沸騰的實驗系統圖，整個裝置分為主腔體、加熱部分和信息采集部分。

1.3.1 主腔體部分

整個實驗系統的主體是由有機玻璃組成的半密封的可視化腔體。腔體內部尺寸的設計值為120 mm×120 mm×120 mm。使用高透光率和強耐溫性的有機玻璃制作側壁，壁厚為5 mm。為保證整個腔體的穩定性與密封性，主腔體側壁與底板間采用耐高溫硅膠進行黏合。此外，腔體上蓋板有多個排氣孔，主要目的是防止實驗后期沸騰情況太過劇烈，造成腔體損壞甚至爆腔，腔體下固定板中間有圓孔，用于安置主體加熱裝置。

1-強化型玻璃板； 2-冷凝銅管； 3-低溫恒溫槽； 4-耐溫高透玻璃； 5-LED光源； 6-高溫油浴恒溫； 7-紫銅棒； 8-聚四氟乙烯； 9-電加熱棒； 10-T型熱電偶； 11-數據處理電腦； 12-排氣孔； 13-加熱鋼管； 14-高速攝像儀(CCD)； 15-水平升降臺； 16-數據采集器； 17-K型熱電偶； 18-高壓交流電源

圖2 實驗系統示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

1.3.2 加熱部分

整個加熱裝置由輔助部分和主體構成，輔助部分主要是恒溫槽和油浴循環系統，整體的溫度通過恒溫循環油浴控制。輔助加熱部分的主要作用是保持整個換熱過程的環境接近飽和溫度，冷凝的循環使納米流體的濃度保持在恒定范圍，降低了液體不斷汽化對實驗的影響，使誤差減小。主體加熱部分為用于加熱的銅塊、電加熱棒以及能提供穩定電壓和電流的高壓電源。

1.3.3 數據采集部分

信息采集部分主要有Agilent 34970A數據采集器、9根T型熱電偶和2根K型熱電偶組成的溫度采集部分，以及LED燈和高速攝像儀組成的成像部分。其中K型熱電偶直徑為0.35 mm, T型熱電偶直徑為0.3 mm。

1.4 實驗過程

往主腔體加入實驗工質，分別為沸騰除氣后的去離子水和固定配比的不同接觸角的納米流體。打開Agilent數據采集器，記錄實時溫度。先打開高溫油浴，使溫度達到135 ℃左右，再打開水浴循環，水浴出口溫度保持在10 ℃左右，使整個腔體維持在飽和溫度范圍。打開加熱棒電源，從10 V開始加熱，直至整個水溫線和銅加熱棒的溫度趨于穩定，逐次增加電壓并記錄溫度，同時打開高速CCD記錄銅塊表面的氣泡狀況。保持電壓每次10 V的增量，一直到140 V左右。記錄每個點的溫度，尤其是轉折點處的變化狀況。

實驗過程每組為3次，分別是純凈的去離子水在光滑加熱面(裸銅表面)的沸騰實驗、納米流體在光滑加熱面的沸騰實驗以及去離子水在沉積了納米顆粒的加熱面的沸騰實驗。

1.5 數據處理

實驗材料選擇紫銅棒，在0～300 ℃范圍內導熱系數kCu為393～389 W/(m·K)。熱流密度為：

(1)

式中：kCu為紫銅的導熱系數，取平均導熱系數為390 W/(m·K)[19]；T為紫銅棒不同位置處的溫度；q為熱流密度，W/cm2。

通過K型熱電偶測得紫銅棒不同位置處的溫度后,采用泰勒級數逼近得到溫度梯度。

(2)

式中：T1為加熱面下同一軸向的第1個K型熱電偶溫度；T2為加熱面下同一軸向的第2個K型熱電偶溫度；T3為加熱面下同一軸向的第3個K型熱電偶溫度；Δx為K型熱電偶間距，取為5 mm。

換熱表面的壁面溫度Tw為：

(3)

沸騰傳熱系數h為：

(4)

式中：h為沸騰傳熱系數，W/(m2·K);Tliquid為工質溫度。

2 結果與分析

2.1 懸浮的納米顆粒對氣泡尺寸的影響

首先進行去離子水在光滑加熱面上的沸騰實驗，然后進行強親水和中等親水納米流體在光滑加熱面上的沸騰實驗。圖3給出了在大致相同的熱通量下主體部分的氣泡照片。圖3(a)和圖3(d)為中等親水納米流體沸騰換熱的氣泡照片；圖3(b)和圖3(e)為去離子水沸騰換熱的氣泡照片；圖3(c)和圖3(f)為強親水納米流體沸騰時的氣泡照片。

如圖3所示，氣泡尺寸由氣泡脫離時的尺寸和上升過程中氣泡的合并共同決定。如果氣泡合并被抑制，氣泡的尺寸會更小。在中等親水納米流體中，氣泡的尺寸最小，且聚結成較大氣泡的概率最低。由于中等親水納米顆粒(具有適當的潤濕性)吸附在氣液界面處，所以氣泡合并被抑制。與中等親水納米流體相比，在去離子水或強親水納米流體中，氣泡具有更大的尺寸，并傾向于合并成更大的氣泡。與去離子水相比，強親水納米流體中氣泡合并沒有被抑制，這是因為強親水納米顆粒的接觸角太小，以致不會被吸附到氣液界面處，所以強親水納米顆粒對氣泡合并沒有影響。

(a) q=31.52 W/cm2(b) q=31.56 W/cm2

(c) q=27.75 W/cm2(d) q=58.29 W/cm2

(e) q=57.82 W/cm2(f) q=58.88 W/cm2

圖3 不同介質中的沸騰氣泡

Fig.3 Boiling bubbles in different media

2.2 納米顆粒在加熱面的沉積

為研究納米顆粒的潤濕性對加熱面粗糙度的影響，通過粗糙計測量出實驗后紫銅棒表面的粗糙度，并進行對比。由于納米顆粒的接觸角不同，不同種類的納米流體實驗后沉淀物的形態也有所差異。如圖4(a)所示，進行了強親水納米流體的沸騰實驗后，加熱面沉積了一層很厚的納米顆粒。如圖4(b)所示，中等親水納米流體沸騰后，加熱面的沉積層極其不均勻且分散，這主要是因為納米顆粒的接觸角不同；中等親水納米顆粒沉積層更容易從加熱面脫離，一些小塊的納米顆粒沉積層沸騰后被剝離，表明中等親水納米顆粒沉積層與光滑加熱面之間的吸附力比強親水納米顆粒弱得多。利用粗糙計進行測量，強親水納米流體沸騰實驗加熱面的粗糙度從160 nm略微增大至226 nm，中等親水納米流體沸騰實驗加熱面的粗糙度從160 nm增大至977 nm。

(a) 強親水納米流體

(b) 中等親水納米流體圖4 沸騰實驗后的樣品表面Fig.4 Morphology of the samples after boiling experiment

2.3 納米流體與去離子水的沸騰曲線和沸騰傳熱系數

利用去離子水在不同種類納米流體沸騰后的加熱面上進行沸騰實驗，并得到沸騰曲線。為探究納米顆粒接觸角對沸騰的換熱作用，圖5給出了強親水和中等親水納米流體在光滑加熱面上的沸騰曲線和去離子水在2種納米流體沸騰后加熱面上的沸騰曲線。由圖5可知，2條中等親水納米流體的沸騰曲線均移動至光滑加熱面上去離子水沸騰曲線的左側，且其沸騰傳熱系數均大于去離子水的沸騰傳熱系數，表明在沸騰狀態下中等親水納米流體的換熱顯著增強，臨界熱通量急劇增大。當熱流密度為20～140 W/cm2時，中等親水納米流體處于充分沸騰階段。由于中等親水納米流體能有效地增強沸騰換熱，隨著熱流密度的增大，加熱面的過熱度增加幅度很小。且由于隨著熱流密度的增大和沸騰劇烈程度的增強，加熱面的溫度波動也隨之加劇，因此在充分發展階段加熱面的過熱度波動相較其他情況也更為明顯。2條強親水納米流體的沸騰曲線均偏移至光滑加熱面上去離子水沸騰曲線的右側，且其沸騰傳熱系數均低于去離子水在光滑加熱面的沸騰傳熱系數。

由圖5(a)可知，去離子水在中等親水納米顆粒沉積表面上的沸騰曲線已經移動到光滑加熱面上去離子水沸騰曲線的左側， 而去離子水在強親水納米顆粒沉積表面的沸騰曲線移動到去離子水在光滑加熱面上沸騰曲線的右側。由圖5(b)可知，去離子水在中等親水納米顆粒沉積表面上的沸騰傳熱系數大于在光滑加熱面上去離子水的沸騰傳熱系數,而去離子水在強親水納米顆粒沉積表面的沸騰傳熱系數小于去離子水在光滑加熱面上的沸騰傳熱系數。中等親水納米顆粒沉積表面不規則，比光滑加熱面更粗糙，粗糙表面將提供更多活性成核位點。由于納米顆粒的導熱系數比銅低得多，且光滑的強親水納米顆粒沉積表面沒有提供更多的活性成核位點，因此去離子水在強親水納米顆粒沉積表面上的沸騰傳熱系數小于其在光滑加熱面上的沸騰傳熱系數。

(a) 沸騰曲線

(b) 沸騰傳熱系數圖5 沸騰曲線和沸騰傳熱系數的變化

Fig.5 Boiling curves and boiling heat transfer coefficients under different conditions

由圖5可知，納米顆粒接觸角對沸騰換熱的作用主要可歸因于2個因素，包括納米顆粒接觸角對沸騰中氣泡尺寸和加熱面上納米顆粒沉積層形態的影響。中等親水納米流體的沸騰換熱得到增強主要有2個因素：一方面是中等親水納米顆粒被吸附在氣液界面，抑制了氣泡合并，因此氣泡尺寸較小，且延遲了加熱面向膜態沸騰的轉變，臨界熱通量急劇增大；另一方面是吸附在氣液界面處的中等親水納米顆粒不規則地沉積在加熱面，并導致表面粗糙度增大。對于強親水納米流體，沸騰換熱量減少，這是因為強親水納米顆粒不會吸附到氣液界面，對氣泡間的合并沒有影響，且強親水納米顆粒在加熱面上形成厚且平滑的納米顆粒沉積層，增大了壁面處的熱阻。

3 結 論

(1) 納米顆粒的接觸角對沸騰過程中氣泡的尺寸和加熱面上的沉積形態有一定的影響。中等親水納米顆粒吸附到氣液界面,抑制氣泡合并，且納米顆粒的沉積形態為粗糙不平。強親水納米顆粒不易吸附在氣液界面，不能抑制氣泡合并，沉積形態為平滑厚實。

(2) 納米顆粒及其接觸角對沸騰換熱具有很大的影響。如果納米顆粒為中等親水并且能吸附在氣泡的氣液界面，沸騰傳熱系數會增大。另一方面，在加熱面上沉積的中等親水納米顆粒會增大加熱面的粗糙度，產生更多的汽化核心，使沸騰傳熱系數增大。如果納米顆粒為強親水，納米顆粒將不能吸附到氣泡的氣液界面，納米顆粒不僅對氣泡穩定沒有影響，而且更容易導致加熱面上的熱阻增大，使沸騰傳熱系數減小。