超親水表面在淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱特性

李佳琦, 范利武, 俞自濤

(浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所,浙江 杭州 310027)

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超親水表面在淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱特性

李佳琦, 范利武, 俞自濤

(浙江大學(xué) 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所,浙江 杭州 310027)

為了研究超親水表面對(duì)于沸騰傳熱的強(qiáng)化效果,將氧化硅納米顆粒沉積在不銹鋼球表面上制備一種靜態(tài)接觸角接近于0°的超親水表面,利用瞬態(tài)淬火的方法研究該表面在淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超親水表面有效提高了淬火速率,冷卻時(shí)間較原始表面縮短了56.5%.該表面顯著提高了臨界熱流密度及其所對(duì)應(yīng)的表面過(guò)熱度,較之原始表面分別提高了72.8%和23.3%.超親水表面潤(rùn)濕性能的改善和汽化核心數(shù)的增加對(duì)過(guò)渡沸騰階段的傳熱機(jī)理產(chǎn)生了重要影響,可以顯著地觀察到過(guò)渡-膜態(tài)沸騰和過(guò)渡-核態(tài)沸騰2個(gè)不同的階段.

淬火冷卻；池沸騰；過(guò)渡沸騰；臨界熱流密度;超親水表面

淬火冷卻是指高溫固體壁面與周?chē)^低溫度的液體介質(zhì)接觸后的快速冷卻過(guò)程.作為解決高熱流密度冷卻問(wèn)題的一種手段,淬火冷卻常見(jiàn)于超導(dǎo)材料冷卻、食品快速冷凍保鮮、快速凝固成型以及核燃料堆芯安全等領(lǐng)域.在高溫淬火冷卻過(guò)程伊始,固體壁面的溫度遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)乩鋮s劑的飽和溫度,沸騰將首先進(jìn)入膜態(tài)沸騰階段.隨著表面溫度的降低,淬火冷卻過(guò)程依次進(jìn)入過(guò)渡沸騰和核態(tài)沸騰階段.臨界熱流密度(critical heat flux, CHF)q″CHF以及最低熱流密度所對(duì)應(yīng)的溫度(Leidenfrost溫度)θLFP是沸騰傳熱現(xiàn)象中的2個(gè)重要參數(shù),直接關(guān)系到淬火冷卻的效率.Chowdhury等[1]研究表明,沸騰表面的性質(zhì)(如粗糙度和浸潤(rùn)性)對(duì)沸騰過(guò)程中的臨界熱流密度和θLFP有重要影響.

表面浸潤(rùn)性反映了液體在固體材料表面的鋪展能力,通常由液滴在固-液-汽三相界面上接觸角的大小來(lái)度量.表面浸潤(rùn)性越好,材料就表現(xiàn)得越親水,接觸角越小.在沸騰傳熱過(guò)程中,表面浸潤(rùn)性越好,周?chē)后w對(duì)表面干燥區(qū)域的潤(rùn)濕性能越強(qiáng),能夠更好地抑制汽膜的形成,推遲臨界熱流密度的出現(xiàn)[2-6]并提高θLFP[4].

近年來(lái),仿生學(xué)和微納米加工技術(shù)的發(fā)展為制備具有特殊浸潤(rùn)性的微納結(jié)構(gòu)表面提供了參考.超親水表面(與水的接觸角接近于0°)作為一種典型的特殊浸潤(rùn)性表面,在毛細(xì)水輸運(yùn)、防霧以及自清潔等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用[7].同時(shí),由于超親水表面表現(xiàn)出的極強(qiáng)鋪展性和再潤(rùn)濕性能,使該表面在強(qiáng)化沸騰傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們的關(guān)注[8-16].實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,超親水表面所具有的超潤(rùn)濕性能及較強(qiáng)的芯吸性能夠顯著增加沸騰過(guò)程中液膜的厚度,較大幅度地強(qiáng)化核態(tài)沸騰傳熱和臨界熱流密度,提高θLFP[11-13].Fan等[14-15]采用淬火冷卻的方法,選取超親水、親水、疏水和超疏水4種典型浸潤(rùn)性表面研究了浸潤(rùn)性對(duì)沸騰傳熱的影響,進(jìn)一步證明了超親水表面能夠顯著提高臨界熱流密度.但該研究中表面的初始過(guò)熱度較低(300 ℃),無(wú)法對(duì)超親水表面在淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱行為進(jìn)行完整地刻畫(huà).

本文在文獻(xiàn)[14-15]的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高沸騰表面的初始過(guò)熱度(提高至650 ℃),對(duì)常壓下超親水表面在飽和水淬火冷卻過(guò)程中的過(guò)渡沸騰和臨界熱流密度等沸騰傳熱特性以及淬火冷卻過(guò)程中的汽膜演化過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原始的親水表面進(jìn)行對(duì)比分析.

1 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

1.1 超親水表面的制備和表征

Wenzel[16]提出表面浸潤(rùn)性由材料的表面能及表面的微納結(jié)構(gòu)共同決定,并定義了以下方程：

(1)

式中：γs、γsl和σ分別為固體材料表面能、固液界面自由能和液體的表面張力；r為粗糙因子,為實(shí)際表面積與幾何投影面積之比,由表面的微觀形貌決定；α′和α分別為液體在粗糙表面和光滑表面的接觸角.根據(jù)Wenzel理論,較高的表面能和粗糙因子能夠使表面的親水性更好.

因此,本文根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的物理沉積方法,通過(guò)在金屬表面上沉積一層高表面能的氧化硅納米顆粒使該金屬表面具備超親水的特性.本文選擇的研究對(duì)象為直徑10 mm的316L型不銹鋼球.超親水表面的制備過(guò)程如下.首先將不銹鋼球依次在丙酮、酒精和去離子水中超聲清洗10 min,去除表面油污和其他雜質(zhì),然后均勻噴涂超疏水溶劑(Glaco Mirror Coat “Zero”),該溶劑的主要成分為二氧化硅納米顆粒和酒精,并含有少量的疏水有機(jī)成分.待表面自然風(fēng)干后,放入300 ℃恒溫環(huán)境中固化半小時(shí).重復(fù)以上噴涂過(guò)程3次后將不銹鋼球進(jìn)行等離子清洗,去除表面的疏水有機(jī)層,即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的超親水表面.

圖1 水滴在表面的鋪展過(guò)程Fig.1 Spreading process of water droplet on surfaces

如圖1所示,以水滴與球表面接觸瞬間為零時(shí)刻,通過(guò)高速攝像機(jī)記錄的水滴在原始不銹鋼與超親水表面上的鋪展過(guò)程發(fā)現(xiàn),液滴在所制備的超親水表面上有很強(qiáng)的鋪展性能.從圖1中可以看出,與原始表面上的鋪展過(guò)程不同,水滴在與超親水表面接觸后迅速向外擴(kuò)展,并最終在表面上鋪展形成一層厚度較為均勻的液膜,整個(gè)過(guò)程僅持續(xù)約25 ms時(shí)間.

圖2 表面形貌的電子掃面顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron microscope images on surfaces

該表面表現(xiàn)出的極強(qiáng)鋪展性能與本身的微觀幾何形貌有關(guān),本文對(duì)原始表面和處理后的超親水表面的靜態(tài)接觸角和微觀形貌進(jìn)行了表征.首先,覆蓋在不銹鋼表面的這層二氧化硅納米顆粒在使表面能發(fā)生改變的同時(shí),也改變了表面粗糙度.如圖2所示,與原始的機(jī)械加工表面相比,二氧化硅納米顆粒經(jīng)過(guò)沉積后在不銹鋼表面形成了一層粗糙并具有超細(xì)微孔隙的納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2(b)).

圖3 表面粗糙度表征Fig.3 Surface roughness profiles

如圖3所示,X為粗糙度測(cè)試儀探針在水平方向的位移,Z為探針在豎直方向上的位移.處理后表面粗糙度的算術(shù)平均偏差Ra由0.060 μm增長(zhǎng)至0.073 μm.處理前后表面的粗糙度雖稍有增加,但并不顯著.然而這層二氧化硅納米顆粒形成的納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)使得表面輪廓的波動(dòng)較大,表征表面輪廓最大高度的參數(shù)Rz由原來(lái)的0.291 μm增大至0.618 μm.從圖3中可以看出,這層團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的高度在50～700 nm之間.表面形貌波動(dòng)的變化使得粗糙因子r增大,根據(jù)式(1)給出的Wenzel方程,該表面的粗糙納米結(jié)構(gòu)降低了宏觀的接觸角.同時(shí)當(dāng)液滴與該表面接觸時(shí),會(huì)由于孔隙結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生較強(qiáng)的芯吸作用,進(jìn)一步增強(qiáng)了液體對(duì)表面的潤(rùn)濕性能.與原始表面約23°的靜態(tài)接觸角相比,該納米結(jié)構(gòu)表面的靜態(tài)接觸角減小到趨近于0°(如圖2所示),體現(xiàn)了超親水特征.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

本文采用文獻(xiàn)[14]中的淬火冷卻大容器沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究.該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括高溫管式爐、電動(dòng)執(zhí)行器、石英玻璃沸騰池、平板加熱器、溫度采集儀以及高速攝像機(jī).在每個(gè)不銹鋼球上加工形成直徑約1.5 mm的至球心的半通孔,并將K型鎧裝熱電偶采用過(guò)盈裝配插入球心,以采集球心處的溫度.為保證熱電偶測(cè)點(diǎn)與球心的良好接觸,減小接觸熱阻的影響,在球心處添加了少量石墨粉末.

所有實(shí)驗(yàn)均在常壓下進(jìn)行.首先將沸騰池中的去離子水加熱至飽和狀態(tài)并維持10 min,將水中溶解的氣體充分排出.不銹鋼球在高溫管式爐中加熱后,通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器迅速浸沒(méi)入下方的飽和去離子水中,觸發(fā)淬火冷卻過(guò)程.由于受所用鎧裝熱電偶的限制,初始加熱溫度設(shè)定為750 ℃.數(shù)據(jù)采集儀以10 Hz的頻率采集球心處的溫度,同時(shí)高速攝像機(jī)以每秒2 000幀的速率記錄沸騰的演化過(guò)程.

本文利用集總參數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即忽略不銹鋼球的導(dǎo)熱熱阻,假設(shè)內(nèi)部各點(diǎn)的溫度均趨于一致,近似用球心處的溫度表示表面的溫度.當(dāng)表征固體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與表面換熱熱阻之比的Bi數(shù)較小時(shí),上述集總參數(shù)法假設(shè)成立,Bi數(shù)定義為

(2)

式中：q″、h分別為淬火過(guò)程中的熱流密度和表面換熱系數(shù)；κs、D分別為不銹鋼球的導(dǎo)熱系數(shù)、直徑；θ為球心溫度,θsat為去離子水的飽和溫度.

由此可得淬火過(guò)程中表面熱流密度為

(3)

式中：ρ、cp、V和A分別為不銹鋼球的密度、定壓比熱容、體積和表面積,t為淬火時(shí)間,Δ(θ-θsat)和Δt分別為前后2次離散點(diǎn)間的表面過(guò)熱度之差和時(shí)間差.

從式(2)、(3)中可知,不銹鋼球直徑和球心溫度的測(cè)量誤差是表面熱流密度q″計(jì)算誤差的主要來(lái)源.不銹鋼球直徑的測(cè)量誤差為± 0.03 mm,所用的K型鎧裝熱電偶的測(cè)量誤差為± 2.0 ℃,整個(gè)淬火冷卻過(guò)程中溫度的相對(duì)測(cè)量誤差小于2.0%.因此,若忽略集總參數(shù)法假設(shè)引入的偏差,在淬火冷卻過(guò)程中q″的相對(duì)誤差約為3.0%.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 淬火冷卻曲線

本文對(duì)原始表面和超親水表面在飽和去離子水淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱特性進(jìn)行對(duì)比研究.如圖4所示為實(shí)驗(yàn)所得淬火冷卻曲線即球心溫度隨時(shí)間的變化曲線.為保證實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性,2種表面均重復(fù)進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn).從圖4中可以看出,同種表面的3條淬火冷卻曲線幾乎重合,體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好的可重復(fù)性.

如圖4所示,與原始表面相比,超親水表面的淬火冷卻曲線明顯向左偏移.若將不銹鋼球心的溫度從750 ℃冷卻到100 ℃(飽和去離子水溫度)所用時(shí)間記為淬火冷卻時(shí)間,則原始表面的淬火冷卻時(shí)間平均為62 s,而超親水表面的淬火冷卻時(shí)間平均為27 s,縮短了35 s.

為了對(duì)淬火冷卻曲線的變化趨勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步分析,對(duì)式(3)兩側(cè)同時(shí)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并整理后得到

(4)

圖4 淬火冷卻曲線的比較Fig.4 Comparison of quenching curves

在淬火冷卻過(guò)程中,表面溫度逐漸降低,式(4)中表面過(guò)熱度隨時(shí)間的變化率d(θ-θsat)/dt恒為負(fù)值.因此在淬火冷卻過(guò)程中q″隨表面過(guò)熱度的變化與淬火冷卻曲線的曲率d2θ/dt2呈正相關(guān)的關(guān)系.從圖(4)中可以看出,原始表面淬火冷卻曲線的起始階段為下凹曲線(AB階段),即曲率為負(fù)值,熱流密度隨表面過(guò)熱度的降低而逐漸減小,此時(shí)對(duì)應(yīng)為膜態(tài)沸騰階段.隨著淬火冷卻過(guò)程的繼續(xù),曲率逐漸增大,直至為正值(BC階段),此時(shí)進(jìn)入過(guò)渡沸騰階段.C點(diǎn)之后,曲率再次變?yōu)樨?fù)值,熱流密度隨著表面過(guò)熱度的降低逐漸減小,進(jìn)入核態(tài)沸騰階段.整個(gè)淬火冷卻曲線上出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)(即B和C點(diǎn)),分別表示沸騰過(guò)程中維持穩(wěn)定汽膜所需的最低溫度點(diǎn)(即θLFP)和冷卻速率最大值點(diǎn)(即臨界熱流密度點(diǎn)).

與原始表面不同,超親水表面淬火冷卻曲線的起始階段即為上凸曲線,即曲率為正值,熱流密度隨表面過(guò)熱度的降低而逐漸增大,淬火起始時(shí)即處于過(guò)渡沸騰階段(A′C′階段).這說(shuō)明對(duì)于所制備的超親水表面而言,θLFP還要高于750 ℃,即650 ℃的過(guò)熱度尚不足以在該表面維持穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰狀態(tài).如圖4所示,臨界熱流密度點(diǎn)(C′點(diǎn))的溫度由原始表面的193 ℃提升至超親水表面的238 ℃,提升45 ℃.這對(duì)于提高淬火冷卻效率具有重要的意義.顯然,超親水表面在淬火冷卻過(guò)程中膜態(tài)沸騰階段的缺失以及過(guò)渡沸騰階段的延長(zhǎng)是冷卻時(shí)間顯著縮短的主要原因.

2.2 沸騰傳熱曲線

如圖5所示,根據(jù)淬火過(guò)程中采集到的球心溫度并利用式(3)計(jì)算出了熱流密度隨著表面過(guò)熱度的變化.與原始表面相比,超親水表面沸騰傳熱曲線上的過(guò)渡沸騰階段的熱流密度和臨界熱流密度均得到了顯著提升.原始表面的臨界熱流密度約為563 kW/m2,而超親水表面的臨界熱流密度約為973 kW/m2,提高了72.8 %.超親水表面在淬火冷卻過(guò)程中各重要參數(shù)的增長(zhǎng)幅度均較為顯著.

圖5 沸騰傳熱曲線的比較Fig.5 Comparison of boiling curves

從圖5中可以看出,由于膜態(tài)沸騰階段熱流密度較低,從而導(dǎo)致Bi較小(約為0.1),集總參數(shù)假設(shè)能夠近似成立.但在過(guò)渡和核態(tài)沸騰階段由于熱流密度較大,應(yīng)用集總參數(shù)法假設(shè)處理數(shù)據(jù)會(huì)存在較大的偏差.通?？刹捎们蠼鈱?dǎo)熱反問(wèn)題的方法通過(guò)球心溫度計(jì)算出球表面的溫度.但導(dǎo)熱反問(wèn)題求解所得的依然是球表面的平均溫度,無(wú)法表征過(guò)渡和核態(tài)沸騰階段顯著的表面不均勻溫度分布.考慮到本文的重點(diǎn)在于研究和對(duì)比分析2種表面浸潤(rùn)性對(duì)沸騰傳熱特性的影響,故仍采用簡(jiǎn)便易行的集總參數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.值得指出的是,由此得到的臨界熱流密度以及過(guò)渡和核態(tài)沸騰熱流密度僅能作為參考值,無(wú)法與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)方法所得到的相應(yīng)值進(jìn)行直接對(duì)比.

根據(jù)高速攝像機(jī)所記錄的氣液相界面演化特征可以對(duì)沸騰傳熱過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的分析.如圖6所示,原始表面在淬火冷卻的起始階段表面過(guò)熱度較大,產(chǎn)生蒸汽量較多,汽液界面擾動(dòng)較強(qiáng),汽膜波動(dòng)劇烈；隨著表面溫度的降低,產(chǎn)生的蒸汽量逐漸減少,汽液界面的擾動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱,汽膜趨于穩(wěn)定；當(dāng)表面溫度持續(xù)降低至維持穩(wěn)定汽膜所需的最低溫度(θ-θsat=173 ℃)以下時(shí),汽膜開(kāi)始瓦解,周?chē)柡腿ルx子水與固體壁面直接接觸,傳熱特性增強(qiáng),熱流密度急劇增大至臨界熱流密度.然而超親水表面在淬火冷卻起始即處于過(guò)渡沸騰階段,存在固液界面的接觸,且隨著表面過(guò)熱度的降低,固液界面的接觸頻率逐漸增高、接觸面積逐漸增大,汽液界面的擾動(dòng)也隨之增強(qiáng).

圖6 汽膜隨表面過(guò)熱度的演化過(guò)程Fig.6 Dynamic vapor film evolution with wall superheat on surfaces

從圖6中可以看出,在臨界熱流密度點(diǎn)附近,超親水表面上所產(chǎn)生的蒸汽量遠(yuǎn)大于原始表面.這主要是由2個(gè)方面的原因決定：1)超親水表面提高了臨界熱流密度所對(duì)應(yīng)的表面溫度,使得該階段的表面過(guò)熱度大于原始表面,因而汽化更劇烈,產(chǎn)生的蒸汽量也更多；2)由于超親水表面所具有的極端親水性,使該表面與水接觸時(shí),能夠較大程度地得到潤(rùn)濕,增加了固液界面的接觸面積,從而產(chǎn)生了更多的蒸汽.

2.3 過(guò)渡-膜態(tài)沸騰和過(guò)渡-核態(tài)沸騰

在淬火冷卻過(guò)程中,當(dāng)?shù)陀讦萀FP時(shí),包裹在球表面的穩(wěn)定汽膜開(kāi)始瓦解,從膜態(tài)沸騰進(jìn)入過(guò)渡沸騰階段.如圖6(a)所示,在原始球表面上,固液界面首先在某一點(diǎn)接觸后迅速漫延至整個(gè)原始球表面.在過(guò)渡沸騰階段中,固液界面的接觸面積直接決定了熱流密度的強(qiáng)弱,而接觸面積的擴(kuò)展速度,即液體對(duì)沸騰表面的潤(rùn)濕能力則決定了熱流密度的增長(zhǎng)速度.

從圖6(b)中可以看出,整個(gè)超親水球表面在進(jìn)入過(guò)渡沸騰階段之后仍被一層極不穩(wěn)定的汽膜所包裹,存在一定頻率的固液界面“點(diǎn)接觸”現(xiàn)象.此時(shí),周?chē)后w與固體表面在極小面積上局部接觸以后迅速汽化,產(chǎn)生的大量蒸汽阻止了液體對(duì)固體表面的進(jìn)一步潤(rùn)濕.這種接觸但未完全潤(rùn)濕的現(xiàn)象使得該階段的熱流密度與穩(wěn)定膜態(tài)沸騰相比得到了顯著強(qiáng)化.隨著表面過(guò)熱度的減小,汽膜減薄,“點(diǎn)接觸”的頻率和范圍逐漸增大,汽液界面的擾動(dòng)逐漸增強(qiáng),熱流密度也隨之逐漸增加.當(dāng)表面過(guò)熱度降低到一定程度時(shí)(Δθsat=240 ℃,如圖5所示的E′點(diǎn)),“點(diǎn)接觸”產(chǎn)生的蒸汽量不足以阻止周?chē)后w對(duì)固體的進(jìn)一步潤(rùn)濕時(shí),固液界面出現(xiàn)“面接觸”,傳熱能力急劇增強(qiáng),熱流密度隨著表面過(guò)熱度的減小而迅速增加至臨界熱流密度.

根據(jù)“點(diǎn)接觸”和“面接觸”狀態(tài)的不同,本文所觀察到的過(guò)渡沸騰階段可以分為過(guò)渡-膜態(tài)沸騰和過(guò)渡-核態(tài)沸騰階段.過(guò)渡-膜態(tài)沸騰階段是膜態(tài)沸騰的延伸,此時(shí)沸騰表面仍被一層較為完整的汽膜所包裹,但固液界面會(huì)有一定頻率的“點(diǎn)接觸”出現(xiàn),并未潤(rùn)濕整個(gè)沸騰表面.隨著表面溫度的降低,固液界面的“點(diǎn)接觸”逐漸發(fā)展為“面接觸”,沸騰進(jìn)入過(guò)渡-核態(tài)沸騰階段階段,此時(shí)較大面積的沸騰表面被潤(rùn)濕,并伴隨著汽泡的生成與脫落,傳熱能力迅速增強(qiáng),熱流密度隨之急劇增加.

如圖5所示,沸騰曲線上這2個(gè)階段的分隔點(diǎn)可以由過(guò)渡沸騰階段的斜率變化點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分(即E和E′點(diǎn)).顯然,原始表面在淬火冷卻過(guò)程中的過(guò)渡-膜態(tài)沸騰階段(EB段)較短,幾乎可以忽略；而超親水表面則從一開(kāi)始就處于過(guò)渡-膜態(tài)沸騰階段,跨度超過(guò)400 ℃.從曲線的趨勢(shì)判斷,如果進(jìn)一步提高初始表面溫度,超親水表面的這一階段(即E′A′段)還能夠進(jìn)一步延伸直至出現(xiàn)θLFP.

圖7 固液接觸過(guò)程Fig.7 Liquid-solid contact process on the surfaces

如圖7所示,高速攝像機(jī)記錄了沸騰表面上發(fā)生固液接觸之后的一段瞬態(tài)發(fā)展過(guò)程.值得注意的是,圖中不同表面的時(shí)間坐標(biāo)原點(diǎn)并不一致.從圖7(a)中可以看出,原始表面上發(fā)生固液界面“點(diǎn)接觸”時(shí),汽膜的波動(dòng)幅度較小.與之相反,當(dāng)超親水表面上出現(xiàn)固液界面“點(diǎn)接觸”時(shí),蒸汽產(chǎn)生量迅速增加,從而引起較為劇烈的汽膜波動(dòng)(見(jiàn)圖7(b)).造成以上差別的原因除了發(fā)生“點(diǎn)接觸”時(shí)的過(guò)熱度不同之外(超親水表面過(guò)熱度較高),還可能是由于超親水表面上具有一定孔隙的納米顆粒團(tuán)簇所提供的更多汽化核心所致.

3 結(jié) 論

本文通過(guò)物理沉積的方法制備了一種超親水納米結(jié)構(gòu)表面,并對(duì)該表面在淬火冷卻過(guò)程中的沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)論如下：

(1) 在實(shí)驗(yàn)所觀察的初始表面過(guò)熱度范圍內(nèi),超親水表面不存在膜態(tài)沸騰階段,過(guò)渡沸騰階段也顯著延長(zhǎng),從而提高了沸騰傳熱性能,明顯縮短了淬火冷卻時(shí)間.

(2) 由于固液接觸方式的區(qū)別,淬火冷卻過(guò)程中的過(guò)渡沸騰階段可分為過(guò)渡-膜態(tài)沸騰和過(guò)渡-核態(tài)沸騰階段.超親水表面汽化核心數(shù)量的增多可能是過(guò)渡-膜態(tài)沸騰階段延長(zhǎng)的主要原因.

(3) 超親水表面因極端的親水性所導(dǎo)致的重新潤(rùn)濕效應(yīng),顯著提高了沸騰傳熱的臨界熱流密度及所對(duì)應(yīng)的表面過(guò)熱度.

(4) 在后續(xù)工作中擬采用可控的微納尺度加工手段制備超親水表面,并對(duì)表面自由能等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的定量分析.

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Boiling heat transfer characteristics during quench cooling on superhydrophilic surface

LI Jia-qi, FAN Li-wu, YU Zi-tao

(InstituteofThermalScienceandPowerSystems,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Superhydrophilic surfaces with a static contact angle of nearly 0° were prepared by depositing SiO2nanoparticles on stainless steel spheres in order to study the enhancement effect of superhydrophilic surface on pool boiling heat transfer. The boiling heat transfer characteristics during quench cooling on such superhydrophilic surfaces were investigated via the transient quchching method. The experimental results showed that the quenching rate was improved remarkably with the cool-down time duration being shortened by 56.5% as compared to the original surfaces. The critical heat flux and its corresponding wall superheat were both increased in the presence of the superhydrophilic surfaces, and the relative enhancements were 72.8% and 23.3%, respectively. Due to the improvement in wettability and the increased availability of nucleation sites, the heat transfer mechanisms in transition boiling regime were found to be significantly modified by the superhydrophilic surfaces. Two distinct sub-regimes were clearly identified as the transition-film boiling and transition-nucleation boiling regimes.

quench cooling; pool boiling; transition boiling; critical heat flux; superhydrophilic surface

2015-12-05.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51206142).

李佳琦(1990—)，男，博士生，從事沸騰與兩相流傳熱研究. ORCID：0000-0002-3218-5930 E-mail: lijiaqi0217@zju.edu.cn

范利武，男，研究員. ORCID：0000-0001-8845-5058 E-mail: liwufan@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.010

TK 124

A

1008-973X(2016)08-1493-06

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng