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【6h】

润湿性对微通道表面池沸腾换热影响的实验研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 润湿性对换热影响

1.2.1 表面润湿性简介

1.2.2 表面润湿性制备方式

1.2.3 润湿性强化沸腾研究进展

1.3 表面结构对换热影响

1.4 本文研究主要内容与创新点

1.1.2 本文主要研究内容

1.4.2 本文主要创新点

第2章 均匀润湿性表面的制备与表征

2.1 超亲水性表面的制备

2.1.1 采用电刷镀方法制备超亲水性表面

2.1.2 采用高温氧化方法制备超亲水性表面

2.1.3 表面表征

2.2 超疏水性表面的制备

2.2.1 低表面能处理工艺

2.2.2 表面表征

2.3 粗糙度对润湿性的影响

2.4 本章小结

第3章 液滴在非均匀润湿性界面上的运动

3.1 非均匀润湿性表面

3.2 液滴运动状况

3.3 本章小结

第4章 池沸腾实验系统

4.1 实验装置

4.1.1 池沸腾试验台

4.1.2 沸腾池腔体

4.1.3 实验工件

4.1.4 温控系统

4.1.5 数据采集系统

4.2 实验步骤和方法

4.3 实验数据处理

4.4 实验误差分析

4.5 实验系统可靠性验证

4.6 本章小结

第5章 均匀润湿性表面强化沸腾换热

5.1 超亲水性表面强对沸腾换热的影响

5.1.1 实验表面

5.1.2 沸腾换热曲线与换热特性

5.1.3 气泡动力学状态

5.2 超疏水性表面对沸腾换热的影响

5.2.1 实验表面

5.2.2 沸腾换热曲线与换热特性

5.2.3 气泡动力学状态

5.3 换热机理分析

5.4 本章小结

第6章 非均匀润湿性表面强化沸腾换热

6.1 实验表面

6.2 沸腾换热曲线与换热特性

6.3 气泡动力学特性

6.4 本章小结

7.1 本文总结

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

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摘要

随着科学技术的推进,无论是对高耗能行业的节能需求,还是对新兴高科技领域内高热流电子器件的散热需求,都对强化换热技术提出了更高的要求。表面结构与表面润湿性对沸腾换热的影响一直是科技工作人员的主要研究对象,近年来电刷镀表面制备技术与非均匀润湿性理念的提出为提高沸腾换热系数与临界热流密度提供了重要途径。这在今后的工业应用中有着巨大的潜力,因此有必要对表面润湿性与表面结构强化传热机理进行研究。
  本文主要以实验方法为主,综合表面结构与润湿性两种强化技术,在大气压条件下,研究了表面结构、润湿性对微通道表面沸腾换热影响。主要研究工作内容与结论如下:
  (1)设计并搭建了电刷镀操作系统,结合电刷镀工艺和纳米Ag颗粒在紫铜表面上制备了亲水性的微米结构(表面接触角为13.4°)与超亲水性的微/纳米复合表面(表面接触角为6.1°)。类似的,采用高温氧化方法在紫铜表面制备了超亲水性的纳米结构表面(表面接触角8.6°),并采用表面改性技术对亲水性表面进行修饰,疏水性、超疏水性表面,表面接触角分别为133.0°,156.2°,148.6°;
  (2)采用扫描电镜观测到微米结构表面布满尺寸在10mm左右的Ni球,粗糙度为1.46μm,微/纳米复合结构表面上为纳米Ag颗粒附着在微米Ni球上,粗糙度为1.35μm,纳米表面上分布均匀的尺寸为100~150 nm的纳米Cu颗粒,粗糙度为1.15μm;
  (3)采用电刷镀与表面改性技术在紫铜上制备了亲水/超亲水、超亲水/超疏水的非均匀润湿性表面,通过液体在非均匀润湿性界面上的可视化研究发现非均匀润湿性界面两侧的接触角差异越大,液滴运动速度越快。在亲水/超亲水性表面上存在由于Rayleigh不稳定性导致了在液滴滑移的过程中有小液滴脱离并停留在了非均匀润湿性界面的亲水侧;
  (4)设计并搭建了池沸腾换热实验系统,采用Rohsenow经验式对实验系统进行了验证,证明了获得数据的合理性;
  (5)采用电火花切割工艺在紫铜表面制备微通道结构,并在微通道结构上制备超亲水性微/纳米复合结构与纳米结构换热表面,分别对两种超亲水换热表面进行池沸腾换热实验,超亲水微纳米复合结构与纳米结构换热表面的临界热烈密度分别较紫铜平表面增加110%与120%,换热系数较紫铜平表面增加了3倍与29倍,微/纳米复合表面沸腾起始点较紫铜平表面升高0.7℃,纳米结构表面较紫铜表面降低6.6℃;
  (6)采用低表面处理工艺对微通道表面的超亲水微/纳米复合结构与纳米结构换热表面进行表面修饰,使之润湿性降低,变为超疏水微/纳米复合结构与超疏水纳米结构换热表面。经过池沸腾换热实验,超疏水微/纳米复合结构的临界热烈密度较紫铜平表面增加60%,超疏水纳米结构换热表面的临界热烈密度较紫铜平表面降低了8%,换热系数较紫铜平表面增加了45%与115%,微/纳米复合表面的沸腾起始点低于3.5℃,纳米结构表面较紫铜表面降低2.0℃;
  (7)采用电火花切割工艺分别在超亲水性纳米结构表面(8.6°),光滑紫铜表面(88.6°)与疏水性纳米结构表面(148.6°)制备微通道结构,微通道结构内部为尺寸在8mm左右的烧灼空隙结构,表面接触角为113.2°。具有超亲水性顶部的微通道换热表面的临界最高,较紫铜平表面提高了61%,沸腾换热系数较平表面提高了232%。具有超疏水性顶部的微通道换热表面的临界热流密度较平表面增加35%,沸腾换热系数在本组表面中提升最大,较平表面提高了606%。

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