基于納米結(jié)構(gòu)的氣液相變傳熱強(qiáng)化研究.pdf

1、沸騰和凝結(jié)廣泛用于工程中換熱設(shè)備，如熱泵、冷凝器、水冷核反應(yīng)堆等，強(qiáng)化沸騰和凝結(jié)傳熱有利于提高設(shè)備的換熱效率和使用壽命，增加沸騰和凝結(jié)表面的傳熱面積是一種非常有效的方法。近年來，納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)極大地增加了表面的比表面積，因此，本課題重點(diǎn)研究了納米結(jié)構(gòu)表面對(duì)于沸騰和凝結(jié)傳熱性能的強(qiáng)化作用。在流動(dòng)沸騰方面，利用MEMS工藝制作了集成加熱線和溫度測(cè)量電阻的硅微米通道，在微通道底面通過溶液刻蝕的方法制成納米線陣列，搭建了基于微通道的沸騰傳熱性能

2、和流型表征的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)表征了過冷度為64℃和34℃，質(zhì)量流密度在119 kg/m2s到571 kg/m2s條件下，納米線修飾微通道的流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)，同時(shí)利用高速攝像技術(shù)表征了該通道內(nèi)的流型變化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在質(zhì)量流密度高于238 kg/m2s條件下，納米結(jié)構(gòu)能提高硅微通道的總體傳熱系數(shù)，但在119kg/m2s條件下，納米結(jié)構(gòu)反而使得硅微通道的總體傳熱系數(shù)有所降低。⑵納米結(jié)構(gòu)隨著長度的增加會(huì)出現(xiàn)“倒伏”

3、現(xiàn)象，形成不同尺度的坑洞，有利于汽泡成核，使得沸騰開始點(diǎn)(ONB)發(fā)生在更小的熱流密度或壁面過熱度。⑶在高速攝像儀的觀察下，將微通道中沸騰發(fā)生后的二相流流型進(jìn)行周期性的分析并分為三個(gè)階段，即汽泡產(chǎn)生階段、汽泡填充階段以及上游汽泡涌現(xiàn)的階段，納米結(jié)構(gòu)的存在改變了通道內(nèi)彈狀流所占有的時(shí)間比例，從而揭示了在納米結(jié)構(gòu)在不同質(zhì)量流密度條件下，對(duì)微通道總體換熱性能的不同作用。⑷納米結(jié)構(gòu)能有效地延遲二相流不穩(wěn)定性的起始點(diǎn)(OFI)，同時(shí)抑制微通道壁面

4、溫度和出入口壓力差的波動(dòng)幅值。在珠狀凝結(jié)方面，在銅表面通過兩步法生長納米線陣列結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過自組裝單分子的疏水涂層處理，獲得超疏水表面，搭建了基于水平方向和豎直方向凝結(jié)面的傳熱性能測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)表征了在過冷度為0—60 K和壓力為60 kPa條件下納米結(jié)構(gòu)表面的凝結(jié)傳熱系數(shù)。
　　本研究表明：①在逐漸從過冷度△T=0 K增加過冷度條件下，納米結(jié)構(gòu)表面經(jīng)疏水涂層可形成穩(wěn)定的珠狀凝結(jié)，凝結(jié)換熱系數(shù)也得到提升。但進(jìn)一步增加壁面

5、過冷度，納米結(jié)構(gòu)表面的凝結(jié)換熱系數(shù)較平表面的增加的幅度有所減小，并逐漸趨于平緩。②在低的壁面過冷度下（△T＜～10 K），納米線修飾表面具有超疏水性，液滴形成后呈現(xiàn)出Cassie狀態(tài)，隨著液滴直徑的逐漸增大，出現(xiàn)和相鄰液滴合并后“飛離”凝結(jié)面的現(xiàn)象;在中等過冷度條件下(～10 K＜△T＜～15 K)，納米線修飾表面的接觸角減小，Wenzel狀態(tài)（或部分Wenzel狀態(tài)）的液滴出現(xiàn)并成主導(dǎo)的模式，液滴的脫離主要依靠重力進(jìn)行自上而下的掃掠;