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微小通道内不同润湿性表面流动冷凝研究

袁金斗  
【摘要】:冷凝过程大多是在表面上完成的。在强化冷凝传热的过程中对于表面润湿性的需求存在着一定的矛盾,在冷凝初期即液滴成核阶段,亲水表面更容易产生活化穴,液滴核化的速率和密度更高;而随着冷凝的进行,亲水表面液膜难以去除,此时疏水表面更具优势。这种矛盾促使了人们对混合润湿性表面的研究,这种表面有效结合了亲水、疏水两种表面各自的优势,而且在表面上产生了一个表面能梯度,这个梯度给液滴提供了动力,使其自发由疏水区域向亲水区域移动,大大加快了表面滴状冷凝更新的速率,因而其综合换热效果比单一润湿性的表面更有优势。本实验采用了丝网扩散焊及聚四氟乙烯溶液滴蘸法来制备亲疏水混合表面,其中丝网作为掩膜,当丝网达到软化温度后,在重物的压力作用下,铜表面会与丝网节点烧结到一起,将烧结后的样品滴蘸聚四氟乙烯溶液并进行高温坚膜,那么与丝网烧结在一起的铜表面不受疏水涂层的影响,揭下丝网后形成亲水点阵列,亲水点周围的表面则被涂层覆盖变为疏水,这种高分子聚合物涂层在高温高压的环境中有较好的耐久性,能持续引发滴状冷凝。本实验的改性表面主要是应用到微小通道中,微通道换热器是解决现在高热流电子器件散热的一个极具潜力的构想。可以想象,当液滴在长长的通道中被蒸汽驱动时,它们滑过表面的疏水结构,很容易对表面造成破坏。因而,如果对小通道进行润湿性改造,耐久性更强的疏水膜更具优势。本文制备了水力直径为1.5 mm的微小通道,对通道的下表面(换热面)进行修饰,得到完全亲水,完全疏水以及亲疏水混合三种性质的表面,通道其它三个表面是绝热的,探究了三种不同性质表面的换热效果和通道阻力。实验中将流动蒸汽的质量流速控制在10-60kg/m2s,干度控制在0.3-1,实验结果显示,亲疏水混合表面的换热系数最高可以达到完全亲水表面的5.54倍,达到完全疏水表面的1.89倍。两相流压降结果显示,疏水和亲疏水混合表面蒸汽流动阻力相近,而比亲水表面略有升高。通过高速摄影的可视化研究,可以发现一系列表面上气液两相的运动行为,得到亲疏水混合表面强化传热的机理主要有:1)亲水表面表现出明显的厚液膜流动,而疏水表面和亲疏水混合表面上为滴状冷凝,发生滴状冷凝的表面传热效果更好。2)对于同样是发生滴状冷凝的表面,亲疏水混合表面的亲水点区域提供了液滴优先成核的位点,使得整个混合表面的冷凝核化速率与完全疏水表面相比大幅提高。3)在表面能梯度的作用下,亲水点作为吸引周围液滴的中心,使四氟膜上的液滴向亲水点汇聚,加快了混合表面上疏水区域滴状冷凝的更新速率。4)亲水点吸引液滴后使液滴产生形变,接触角降低到90°附近,减小了混合表面冷凝传热热阻。5)统计规律显示,混合表面上液滴被蒸汽冲刷去除的频率更高。本研究为未来微小通道冷凝器的设计提供了一种全新的改进思路,可应用于印刷电路换热器,微热管,微通道换热器等微型设备之中。


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