材料交錯分布型傳熱板表面異態干涉沸騰傳熱特性研究

孟璐璐，謝添璽，陳志豪，2，宇高義郎，2

（1 天津大學機械工程學院，天津 300350；2 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300350）

引言

核態沸騰能夠在較小的溫差下傳輸較大的熱通量，因此經常被應用于工業領域熱能耗散系統的冷卻。例如，隨著超級計算機/服務器的計算能力提升及小型化趨勢，在設備變小的同時單位體積發熱量急劇上升。高熱通量冷卻技術成為必然需求，從而需要在狹窄受限空間內利用相變傳熱進行高效熱管理。然而，核態沸騰的熱通量存在一個臨界值，即臨界熱通量（critical heat flux,CHF）。當熱通量超過CHF 時，傳熱機理由核態沸騰轉化為膜態沸騰，傳熱表面被氣膜所覆蓋，傳熱惡化導致溫度急劇上升，甚至會燒壞傳熱設備。因此，如何提升沸騰傳熱的臨界熱通量是目前沸騰傳熱領域的研究熱點。

目前，提升池沸騰傳熱CHF 主要是通過傳熱面表面處理，包括加工結構化表面[1-5]、多孔涂層表面[6-10]和親疏水分布表面[11-14]等。為了探究傳熱面的表面特性對沸騰傳熱CHF 的影響，國內外學者做了大量研究。Ho等[15]研究了微孔和微翅片表面上核態沸騰的性能。研究表明：與普通表面相比，微孔表面和微翅片表面的沸騰CHF 分別提高了42.5%和76%。魏進家等[16-17]研究了機械振蕩下的順排和交錯排列柱狀微結構表面的沸騰換熱的性能。Kuo 等[18]探究了帶有微腔的矩形微通道的流動傳熱的性能，結果表明：柱狀微結構表面顯著降低了核態沸騰起始點的過熱度，并且減緩了氣泡快速生長導致的不穩定性，提升了CHF。Kandlikar 等[19]探究了帶有微圓形針肋矩形通道內流動傳熱的性能。結果表明：與普通微通道相比，微圓形針肋微通道的流動沸騰性能得到明顯增強。左少華等[20]對鋁基Al2O3納米多孔薄膜傳熱表面的沸騰傳熱特性進行了實驗研究。結果表明：與光滑表面相比，Al2O3納米多孔表面由于汽化核心增多，產生氣泡直徑變小且頻率升高，可以顯著提高液體向沸騰傳熱面供給的能力，進而使得CHF 得到極大的提升。Webb[21]研究了顆粒直徑、涂層厚度對多孔涂層表面沸騰傳熱性能的影響。實驗結果顯示：當涂層厚度為顆粒直徑的3～4 倍時沸騰傳熱的性能最佳。Li 等[22]通過將絲網燒結到加熱器表面開發了一種新型傳熱表面，探究了絲網厚度對池沸騰性能的影響。研究結果表明：在壁面過熱度為63°C時CHF達到347 W/cm2。

上述表面改性技術揭示了增加傳熱面積和增強液體供應能力可以提升沸騰CHF。為了進一步提升沸騰傳熱性能，交錯翅片、非均勻多孔表面以及雙導熱性表面被報道用于增強傳熱表面的液體供應能力。Gouda 等[23]對分段翅片微通道結構表面和均勻截面微通道結構表面的池沸騰換熱特性進行了實驗研究。與其他兩種表面相比，分段翅片微通道結構具有更多的有效汽化核心、更好的再潤濕現象和良好的氣泡生長與釋放機制，展現了更好的傳熱性能。Chen 等[24]采用線切割的方法在純銅表面制備微槽網格，池沸騰實驗被執行在不同網格間距的結構化表面。研究結果表明：當網格間距為0.5 mm 時，CHF 可達236 W/cm2，與光滑表面相比，CHF 提升了110%。Deng 等[25]研究帶有凹腔的多孔涂層表面的池沸騰傳熱性能，研究表明：與具有相同凹腔的固體結構相比，帶有凹腔的多孔涂層表面在沸騰過程中液體回流到傳熱面的能力顯著增強，CHF 得到極大的提升。Jaikumar 等[26]探究帶有凹槽的傳熱面不同區域選擇性添加涂層對沸騰傳熱性能的影響。研究結果表明：與光滑面相比，整個表面燒結多孔涂層的微通道傳熱面的CHF 提升了2.4 倍，達到了313 W/cm2。Rahman 等[27]開發了一種雙熱導率表面，在紫銅傳熱表面機械加工凹槽并嵌入環氧樹脂。實驗研究發現，氣泡成核僅發生在銅表面區域，傳熱表面形成了一條有效的氣泡脫離和液體供給的路徑，CHF 提升接近100%。Najafpour 等[28]進一步在納米多孔表面加工凹槽并嵌入低熱導率的環氧樹脂從而形成了雙熱導率表面，進行了去離子水的池沸騰實驗，結果顯示最大的CHF 為144 W/cm2，對應的提升比例為53.2%。

表面改性技術雖然能夠提升沸騰傳熱CHF，但提升效果受到結構強度和經久劣化的影響；同時Rahman 等[27]和Najafpour 等[28]開發的傳熱表面在環氧樹脂比例為50%時，CHF 的提升比例分別為-23%和3%。為了克服表面特性下降對沸騰傳熱效果的影響，在作者過去的研究中[29-30]，一種不依靠傳熱板表面特性的方法，即異態干涉沸騰被應用于提升微小間隙內沸騰傳熱CHF。該方法是在傳熱板內部交替配置導熱性不同的薄層，沸騰過程中傳熱面呈現不同的沸騰模式，不同沸騰模式之間的相互干涉實現CHF 提升。在低熱導率材料比例為50%時，最大的CHF提升比例達61%。

PTFE 平行分布型傳熱面能夠較好地提升微小間隙內沸騰傳熱CHF。鑒于交錯分布型傳熱板單位面積內具有更大的不同材料交界面的總長度，即不同材料交界面密度，能夠增強不同沸騰模式之間的相互干涉，實現更高幅度的CHF 提升。故本文設計了一種高低熱導率材料交錯分布的傳熱板，針對微小間隙內池沸騰傳熱性能開展了實驗研究，并特別研究了不同的低熱導率材料寬度和間隙尺寸對CHF的影響。

1 實驗裝置與方法

1.1 沸騰傳熱表面的特性

圖1(a)為PTFE 等間隔交替分布傳熱板的結構示意圖。該傳熱板是利用電火花放電技術，在距離紫銅[λ=387 W/(m·K)]傳熱塊表面δs=0.3 mm，等間隔穿出深度為δ=0.5 mm 且寬度不同的矩形孔，并將聚四氟乙烯（PTFE）[λ=0.3 W/(m·K)]板放置在矩形孔中制成。因此，具有不同熱導率的PTFE 和紫銅，其寬度分別為WL和WH，交替布置在傳熱板內（非均勻傳熱板）。圖1(b)為PTFE 交錯分布傳熱板示意圖。該傳熱板通過以下方法制作：首先利用線切割技術在矩形紫銅傳熱板表面交錯加工深度為δ=0.5 mm 且寬度不同的凹槽；然后利用分子擴散焊接技術在其上表面焊接厚度為δs=0.3 mm 傳熱板；最后在凹槽內嵌入PTFE，形成熱導率非均勻分布傳熱板。具體結構參數如表1所示。

表1 傳熱板結構參數Table 1 Specification of heat transfer plates

圖1 導熱性交替分布傳熱塊示意圖Fig.1 The structure of the nonuniform heating plate

1.2 實驗裝置介紹

為了研究異態干涉沸騰對非均勻傳熱板沸騰特性的影響，本文采用了與文獻[29]中相同的實驗系統開展研究，其原理圖如圖2所示。實驗系統包括：蒸汽發生系統、電壓調節系統和數據采集系統三個部分。

沸騰容器如圖2(a)所示，其是一個內徑為180 mm，高度為150 mm的不銹鋼容器，容器的四個方向均設有玻璃觀測窗以便對實驗過程進行觀測或拍攝。沸騰容器內設置有功率為1.5 kW 的輔助加熱器，用于在實驗過程中保證測試液體處于飽和狀態。沸騰過程中產生的蒸汽通過設置于容器頂部的冷凝器冷凝回流到容器內。兩根K型熱電偶浸入液體內測量飽和溫度。加熱器由7 根超高溫加熱棒組成，它被放置在梯形傳熱塊底部用來加熱。在實驗過程中，通過調節加熱器的供電電壓獲得不同的加熱功率。此外，為了減小傳熱塊向周圍及環境之間的散熱，在其底部設置了陶瓷隔熱板，并在四周填充了玻璃纖維。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Schematic of the experimental system

傳熱塊由非均勻傳熱板和紫銅底座組成。實驗中為了獲得較高的熱通量，使用了底面積較大的梯形紫銅底座，同時利用紫銅的高熱導率使溫度場更均勻。傳熱板和梯形底座通過錫焊技術焊接在一起。為了測量通過傳熱塊的熱通量，利用電火花放電技術在傳熱塊上制作直徑為0.5 mm、間距為2.0 mm 的5個連續測溫孔。最上方的測溫孔與傳熱塊上表面的距離δ1=6.0 mm。測溫孔中插入型號相同的K 型熱電偶來測量傳熱塊上的溫度分布，進而計算其熱通量。傳熱塊與容器底部之間放置PEEK隔熱套來減少熱量的傳遞。

微小間隙結構如圖2(b)所示，在PEEK隔熱套上的凹槽內放入定位圈，通過調節使PEEK、定位圈和傳熱塊的上表面處于同一水平高度。順次放入墊片、石英玻璃、蓋板，并固定在容器底部。間隙尺寸通過墊片的厚度來調節，本文中所用墊片的厚度分別為0.54、1.04、2.01 和4.97 mm。間隙尺寸就是傳熱塊上表面與石英玻璃之間的距離。

數據采集器被用于采集K型熱電偶所獲得的溫度，實驗過程中的記錄頻率為1 Hz。更多詳細的實驗裝置介紹請參考文獻[29]。

1.3 實驗方法及數據處理

實驗之前，傳熱面用砂紙進行打磨并用清水清洗。開始實驗后，打開輔助加熱器把去離子水加熱到飽和沸騰狀態后，改變輔助加熱功率使水溫在實驗過程中始終維持在飽和溫度。將加熱器的加熱功率調節到40 W，當傳熱塊上的溫度達到穩態后（2 min 內溫度變化小于0.2 K），記錄實驗數據。繼續增加加熱器的功率，當熱通量遠小于預測的CHF時，熱通量每次增加60 kW/m2；當熱通量接近CHF時，熱通量每次增加20 kW/m2。所有數據都是在穩態下記錄的。CHF 被定義為傳熱塊溫度急劇上升之前穩態條件下的最高熱通量。所有的實驗都重復操作兩次，以確定再現性。

由于熱導率的非均勻分布，傳熱板表面產生了不均勻溫度分布，導致平均壁面溫度Ts的確定十分困難。由前期研究[29]可知，非均勻傳熱板表面的不均勻溫度分布在豎直方向上會逐漸減小，直至消失。為了忽略熱導率的非均勻分布和不均勻溫度分布的影響，運用數值計算方法獲得傳熱板頂部到不均勻溫度分布消失處的距離δc以及該區域的表觀熱導率c，詳細的計算方法和不確定性分析見文獻[29]。

運用最小二乘法，通過確定測溫點位置與其溫度之間的關系來獲得傳熱板的溫度梯度gradT，進而計算得到熱通量q。

式中，λ為紫銅的熱導率。

根據傅里葉導熱定律，通過式(2)和式(3)可獲得平均壁面溫度Ts。

式中，Tc為δc處的溫度；T1為測溫點1處的溫度；δ1為測溫點1與傳熱表面之間的距離；δc為不均勻溫度分布消失處與傳熱表面之間的距離。

傳熱表面的平均壁面過熱度ΔT通過式（4）計算得到。

式中，Tsat為水的飽和溫度。

2 實驗結果與討論

2.1 PTFE布置方式的影響

圖3(a)～(d)顯示了不同PTFE 分布方式非均勻傳熱板表面的核態沸騰傳熱特性，間隙尺寸h分別為0.54、1.04、2.01和4.97 mm。均勻紫銅傳熱板的沸騰曲線作為對照也被展現在圖中，圖中的黑色箭頭表示CHF 發生點。從圖中可以看出，與均勻紫銅傳熱板相比，熱導率非均勻分布傳熱板表面的沸騰特性得到明顯提升。這主要歸因于非均勻傳熱板表面的異態干涉沸騰改善了傳熱面的潤濕狀態，進而獲得良好的傳熱特性。

圖3 PTFE布置方式對沸騰特性的影響Fig.3 Effect of PTFE arrangement on the boiling characteristic

此外，PTFE交錯分布傳熱板的沸騰傳熱特性明顯好于PTFE 平行分布傳熱板的沸騰傳熱特性。PTFE交錯分布傳熱板展現了更高的CHF，且在相同熱通量下展現更低的壁面過熱度。以圖3(c)間隙尺寸h=2.01 mm 為例說明，PTFE 交錯分布傳熱板的CHF為735 kW/m2，此時壁面過熱度為17 K，PTFE平行分布傳熱板的CHF 為676 kW/m2，對應的壁面過熱度為20 K，與均勻紫銅傳熱板的CHF(524 kW/m2)相比，CHF 分別提升了38%和29%。根據實驗結果推斷，這主要歸因于以下兩方面因素：其一是回流液體從傳熱板周圍向中心的供給。對于本文中的微小間隙內沸騰現象，回流液體從四周向傳熱面供給。對于PTFE 平行分布傳熱板，由于不同沸騰模式呈條狀分布，故在垂直和平行于PTFE 分布方向液體回流阻力不同，不均勻的阻力分布阻礙液體向傳熱面中心的供給。對于PTFE 交錯分布傳熱板，其沸騰模式在平行和垂直PTFE 方向呈對稱分布，液體從四周回流到傳熱面中心的阻力相同，故容易向傳熱面中心供給。其二是異態干涉沸騰。不同沸騰模式之間的相互干涉，特別是潤濕區域與干涸區域交界面的不規則移動，會促使潤濕區域的液體向干涸區域供給，進而提升傳熱性能。與PTFE 平行分布傳熱板相比，PTFE交錯分布傳熱板增加了汽液交界面的往復移動的維度和不同材料交界面的密度，因此增強了不同沸騰模式之間的相互干涉，提高了傳熱表面潤濕能力。綜上，在相同條件下在PTFE交錯分布的非均勻傳熱板可獲得較大的CHF。

2.2 材料寬度的影響

圖4 顯示了不同低熱導率材料寬度下，PTFE交錯分布非均勻傳熱板的核態沸騰傳熱特性。圖4(a)～(d)分別顯示了間隙尺寸h=0.54、1.04、2.01和4.97 mm 的沸騰曲線。從圖中可以看出，與均勻分布傳熱板相比，所有非均勻傳熱板的沸騰傳熱特性得到明顯提升。

圖4 材料寬度對沸騰特性的影響Fig.4 Effect of the material width on boiling characteristic

在低熱通量區域，不同種類的傳熱板之間的沸騰傳熱特性沒有明顯的差異。該區域內沸騰傳熱特性主要由傳熱板的汽化核心的數量決定，本文中所有的傳熱板表面特性幾乎相同，因此不同傳熱板表面沸騰傳熱特性沒有明顯的差異。隨著熱通量的增加，均勻傳熱板和非均勻傳熱板的沸騰傳熱特性的差異逐漸明顯。非均勻傳熱板由于存在不同導熱性材料的交替分布，沸騰過程中熱流集中在傳熱板的高熱導率區域，該區域優先進入充分發展核態沸騰區域，展現了良好的傳熱特性。同時由于熱通量的增加，傳熱板的低熱導率區域表面溫度升高，核態沸騰也在該區域發生。與均勻傳熱板相比，在相同的熱通量下非均勻傳熱板展現了較低的壁面過熱度。對于高熱通量區域，非均勻傳熱板的傳熱特性明顯好于均勻傳熱板，展現出一個明顯的CHF 提升。高熱導率區域越來越多的氣泡成核并且合并成一個大氣泡，與之相鄰的低熱導率區域僅有少量氣泡產生。非均勻傳熱板相鄰區域內不同的沸騰模式之間的相互作用，促進潤濕區域的液體向干涸區域的液體供給，增加了傳熱表面的潤濕特性。

此外，從圖4中還可以看出，最優的低熱導率材料寬度WL隨間隙尺寸變化發生變化。在間隙尺寸h=0.54～2.01 mm 時，最優的WL=0.6 mm，而間隙尺寸h=4.97 mm時，最優的材料寬度WL=0.3 mm。該趨勢與PTFE 平行等間隔分布的趨勢類似。這主要歸因于再潤濕液體回流阻力和異態干涉沸騰的相互作用。對于異態干涉沸騰，非均勻傳熱板表面潤濕區域的良好液體供給是實現良好沸騰傳熱特性的前提。對于較小的間隙尺寸，再潤濕液體向微小間隙供應困難，較大的低熱導率材料寬度WL有助于潤濕液體向微小間隙供應，進而獲得良好的異態干涉沸騰性能。對于較大的間隙尺寸，再潤濕液體容易向微小間隙供應，較小的低熱導率材料寬度WL提供了更大的不同材料交界面密度，增強不同沸騰模式之間的相互作用。特別地，在h=4.97 mm 和WL=0.3 mm時CHF高達1140 kW/m2。

2.3 間隙尺寸的影響

圖5是不同間隙尺寸下的沸騰曲線。圖5(a)～(c)分別顯示了低熱導率材料寬度WL=0.3、0.6和1.2 mm的沸騰曲線。從圖中可以看出，間隙尺寸對核態沸騰傳熱特性產生明顯的影響。

圖5 間隙尺寸對沸騰特性的影響Fig.5 Effect of the gap size on boiling characteristic

核態沸騰初始階段，較小的間隙尺寸能夠獲得良好的沸騰傳熱特性。隨著間隙尺寸的增加，相同熱通量下的壁面過熱度逐漸增加。這是因為對于微小間隙內沸騰換熱，微液膜的蒸發是主要的傳熱機制。對于較小間隙尺寸內的沸騰傳熱現象，沸騰過程中氣泡和傳熱面之間形成的微液膜的厚度較薄，微液膜能夠在較低的熱通量下快速蒸發，隨著間隙尺寸的增加，微液膜的厚度逐漸增加，微液膜蒸發所需的能量也在不斷提升，因此在低熱通量區域壁面過熱度隨著間隙尺寸的增加而增加。隨著熱通量的增加，沸騰曲線顯示了不同的變化趨勢。對于間隙尺寸h=0.54 和1.04 mm，熱通量隨壁面過熱度的變化趨勢為先快速增加后緩慢增加直至達到CHF；然而對于間隙尺寸h=2.01 和4.97 mm，熱通量隨壁面過熱度的變化趨勢為先緩慢增加后快速增加直至達到CHF。這主要取決于間隙尺寸對沸騰過程中液體回流阻力的影響。對于較小的間隙尺寸，沸騰過程中形成的微液膜厚度較薄但液體回流阻力較大。隨著熱通量的增加，快速生長的氣泡覆蓋整個傳熱面，較大的液體回流阻力阻礙周圍液體向傳熱面回流，導致傳熱性能發生惡化。對于較大間隙尺寸內的沸騰傳熱現象，微液膜的厚度大但液體回流阻力較小。隨著熱通量的增加，較厚的微液膜快速蒸發，同時周圍液體及時補充到傳熱表面，此時獲得良好的傳熱特性。進一步，CHF 隨著間隙尺寸的增加呈現上升的趨勢。這是因為隨著間隙尺寸的增加，潤濕液體回流到沸騰傳熱面的阻力減小，使得液體及時補充到傳熱面，進而傳熱面保持了潤濕狀態，CHF得以增加。

2.4 CHF的變化及提升比例

圖6 顯示了CHF 隨間隙尺寸h的變化。對于所有相同的低熱導率材料寬度WL，CHF 隨著間隙尺寸h的增加而呈現上升趨勢，且最大CHF 在h=4.97 mm 處獲得。因為隨著間隙尺寸的增加，再潤濕液體向傳熱面中心供給的阻力減小，液體容易向傳熱面供給，干涸狀態發生被延遲。對于相同的間隙尺寸h，PTFE 交錯分布傳熱板的CHF 明顯高于均勻傳熱板和PTFE 平行分布傳熱板的CHF。這主要歸因于PTFE 交錯分布傳熱面提供了更大的不同材料交界面密度，不同沸騰模式之間的相互作用得以增強。此外，隨著間隙尺寸的增加，最優的WL發生變化。在間隙尺寸為0.54～2.01 mm 時，最大的CHF 在WL=0.6 mm 處獲得，在間隙尺寸為4.97 mm 時，最大CHF 在WL=0.3 mm 處獲得。這主要歸因于回流液體和異態干涉沸騰的共同作用。

圖6 CHF隨間隙尺寸的變化Fig.6 Variation of CHF with the gap size

圖7 顯示了在不同的低熱導率材料寬度下，非均勻傳熱板沸騰CHF 提升比例隨間隙尺寸h的變化。其中，CHF 提升比例是指：相同條件下，與均勻傳熱板的沸騰CHF相比，非均勻傳熱板沸騰CHF的增加量與均勻傳熱板CHF 的比值。從圖中可以看出，對于所有傳熱板，最大的CHF 提升比例在h=0.54 mm處獲得。微小間隙內的沸騰現象，再潤濕液體向傳熱表面干涸區域的及時補充，能夠獲得更大的CHF。對于較小的間隙尺寸內均勻傳熱板表面的沸騰現象，再潤濕液體向微小間隙回流的阻力較大，周圍液體向傳熱面中心處供給困難，導致CHF很低。然而非均勻傳熱表面的異態干涉沸騰，通過不同沸騰模式之間的相互作用促進了潤濕區域的液體向干涸區域供給，進而CHF 得到極大提升。對于較大的間隙尺寸，周圍液體容易向微小間隙內供應，因此異態干涉沸騰的作用相對減弱，進而CHF 的提升比例較小。對于WL=0.3、0.6和1.2 mm，CHF的提升比例分別為52%～71%、47%～84%和38%～60%。

圖7 CHF提升隨間隙尺寸的變化Fig.7 Variation of CHF enhancement with gap size

3 結論

本文通過實驗方法探究了PTFE 交錯分布型傳熱板上異態干涉沸騰對微小間隙內沸騰傳熱特性的影響，特別地，分析了低熱導率材料寬度和間隙尺寸的影響，得到如下結論。

（1）與均勻傳熱板和PTFE 平行分布傳熱板相比，PTFE 交錯分布型傳熱板沸騰CHF 顯著提升。這是由于交錯分布型傳熱板更有利于再潤濕液體向傳熱板中心供給，更大的不同材料交界面密度增強了異態干涉沸騰。對于WL=0.3、0.6 和1.2 mm，CHF 的提升比例分別為52%～71%、47%～84%和38%～60%。

（2）沸騰CHF 隨間隙尺寸h的增加呈現上升的趨勢，且最大CHF在h=4.97 mm獲得。上述現象主要歸因于隨著h的增大，再潤濕液體容易向微小間隙回流，傳熱面潤濕狀態的提升延遲了CHF 的發生。對于傳熱面尺寸WL=0.3、0.6 和1.2 mm，最大CHF分別為1140、1043和1011 kW/m2。

（3）最大CHF 處的WL隨著間隙尺寸發生變化，h=0.54～2.01 mm 時，最優的WL=0.6 mm；h=4.97 mm 時，最優的WL=0.3 mm。這主要是因為再潤濕液體回流阻力和異態干涉沸騰的共同作用。