基于楊氏理論的微型換熱器傳熱壁面表面特性分析*

周建陽 羅小平 馮振飛,2 鄧聰 吳迪

(1. 華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2. 廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

基于楊氏理論的微型換熱器傳熱壁面表面特性分析*

周建陽1羅小平1馮振飛1,2鄧聰1吳迪1

(1. 華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640; 2. 廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 廣西 南寧 530004)

微型換熱器換熱通道壁面的表面特性對流體流動沸騰特性有顯著的影響.固體表面能常被用來表征微型換熱器換熱通道壁面的表面特性,可為微細(xì)通道中流體流動沸騰特性的研究提供理論依據(jù);文中測量去離子水、乙二醇、甲酰胺在換熱通道內(nèi)側(cè)左右壁面及底表面所形成的接觸角,基于楊氏理論計算微型換熱器換熱壁面的表面能,并通過液滴的Wenzel模型分析微槽道內(nèi)、外表面接觸角差異形成的機理.研究結(jié)果表明:微型換熱器換熱通道內(nèi)側(cè)左、右壁面的表面能分別為5.2、5.6 MJ/m2,底表面的表面能為8.2 MJ/m2,微細(xì)通道內(nèi)表面特性差異是由表面粗糙度不同造成的.

微型換熱器;表面特性;表面能;楊氏理論;Wenzel液滴模型

換熱器換熱通道表面的材料屬性、粗糙度、濕潤性等表面特性對流體在微型換熱器內(nèi)的流動沸騰特性有極大的影響,有些學(xué)者通過改變換熱通道表面的特性來研究其對傳熱和壓降的影響[1-4].Bourdon等[5]在光滑的超疏水性、超親水表面用去離子水研究表面能對過冷沸騰起始點位置和沸騰傳熱的影響,發(fā)現(xiàn)換熱表面特性對其沸騰起始點的壁面過熱度起著重要的作用；Yang等[6]采用溶膠-凝膠方法使換熱器通道表面具有不同的表面能,水液滴在其表面分別形成150°、75°、5°接觸角,在這3種不同表面能微通道表面進(jìn)行流動沸騰傳熱實驗,發(fā)現(xiàn)表面能較高的壁面具有較高的臨界熱流密度；羅小平等[7]發(fā)現(xiàn)納米顆粒沉積會影響換熱通道表面能,從而影響換熱器的換熱特性.綜上所述,換熱器換熱壁面的表面能對流體在換熱器流動沸騰的起始點、壁面的臨界熱流密度等特性都有顯著的影響,因此,對換熱器換熱壁面表面特性的鑒定及表征,可為流體在換熱器中流動沸騰特性的研究提供理論依據(jù).

換熱通道表面綜合特性可用固體表面能來表征,表面能是創(chuàng)造物質(zhì)表面時對分子間化學(xué)鍵破壞的度量,也可以理解為產(chǎn)生單位面積新表面時所需做的功.Young[8]提出了著名的楊氏理論,在非真空條件下液體和固體表面相接觸時,兩相的界面之間將受到固體表面能γs、液體表面能γl和固—液界面能γsl的共同作用,呈現(xiàn)出一定的接觸角θ,它們之間的關(guān)系為γlcosθ=γs-γsl.目前還沒有直接測量固體表面能的有效方法,都是通過間接測量法計算出固體表面能,主要的計算方法有熔融外推法[9]、溶解熱法[10]、薄膜浮選法[11]及接觸角法[12].其中接觸角法是計算固體表面能最常見、應(yīng)用最為廣泛的方法,該方法操作簡單,故文中采用接觸角法來計算表面能.

在楊氏理論方程中,液體在固體表面所形成的接觸角和液體表面能γl是可以直接獲得的,但固—液間的表面能無法直接得出,需要建立固—液界面表面能γsl和固體表面能γs的關(guān)系,聯(lián)合求解.Van等[13-14]基于楊氏理論方程提出了LW-AB法,認(rèn)為表面能γ由Lewis酸-堿分量γAB和Lifshitz-vander Waals分量γLW構(gòu)成,而γAB又包括酸分量γ+和堿分量γ-,最后將楊氏理論方程推導(dǎo)為

為此,文中采用接觸角法分別測量乙二醇、甲酰胺、去離子水在換熱器通道所形成的液滴接觸角,基于楊氏理論方程對微型換熱器傳熱通道表面特性進(jìn)行表征,以期為流體在換熱器中流動沸騰特性研究提供理論依據(jù).

1 實驗部分

測量接觸角的常見方法有質(zhì)量測量法和角度測量法[15],本實驗選用角度測量法測試液滴在微型換熱器傳熱通道壁面所形成的接觸角,通過計算其表面能來表征微型換熱器的表面特性.實驗測量所用的微型換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示,長L為260mm,寬W為42mm,高H為10mm,包含18個1mm×2mm的矩形微細(xì)通道,肋片間距為1mm.微型換熱器換熱通道側(cè)面及底面的三維(3D)形貌特征如圖2所示.

圖1 微型換熱器的結(jié)構(gòu)

1.1 實驗方案

本實驗采用承德鼎盛設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JY-82A視頻接觸角測定儀,針頭規(guī)格有10G-34G,由于微型換熱器換熱通道為1mm×2mm的矩形微細(xì)通道,為防止液滴過大而無法在通道壁面正常形成液滴,故本實驗選用30G針頭,外徑為0.31mm,內(nèi)徑為0.13mm,針長為13mm,同時在實驗前清洗、烘干處理被測的微細(xì)通道換熱器,然后測量乙二醇、甲酰胺、去離子水液滴在換熱通道壁面所形成的穩(wěn)定的靜態(tài)接觸角.

圖2 微細(xì)通道表面的3D形貌圖

1.2 接觸角測試原理

靜態(tài)接觸角實驗裝置如圖3所示,液滴通過針頭滴入微型換熱器微細(xì)通道內(nèi)的底面和左、右側(cè)面.對于側(cè)面液滴,通過針頭傾斜滴入槽道側(cè)面,在強光源下,微距鏡頭攝像儀將在微細(xì)通道中液滴成像,然后將液滴照片輸送到計算機,通過JY-82A視頻接觸角測定儀測量3種試劑在通道表面所形成的接觸角.

圖3 接觸角實驗裝置

2 數(shù)學(xué)計算模型及誤差分析

2.1 數(shù)學(xué)計算模型

在測量內(nèi)表面接觸角時,由于液滴重力的存在,液滴在槽道壁面所形成的上、下接觸角度略有不同,現(xiàn)以圖4所示的豎直壁面上、下接觸角示意圖為例，推導(dǎo)所測得的側(cè)壁面上、下接觸角(θ1、θ2)與水平接觸角θ之間的關(guān)系,忽略液滴直徑對接觸角的影響.

圖4 豎直壁面接觸角

根據(jù)三相交界點θ1處的受力平衡分析[13-14],可得

Flgcosθ1+Fsl+f=Fsg

(1)

式中, f為由重力等作用引起的液滴與壁面間具有摩擦性質(zhì)的綜合等效力,Flg為液—氣界面張力,Fsl為固—液界面張力,Fsg為固—氣界面張力.

同理,對于上接觸角θ2,有

Flgcosθ2+Fsl=Fsg+f

(2)

由式(1)、(2)可得

Flg(cosθ1+cosθ2)=2(Fsg-Fsl)

(3)

所以接觸角滿足

(4)

因此可得微細(xì)通道蒸發(fā)器內(nèi)表面豎直側(cè)面的接觸角

(5)

固體和液體的表面能可分別表示為

(6)

(7)

固—液界面間相互作用的表面自由能與固體、液體的表面能之間的關(guān)系為

(8)

將式(6)-(8)代入楊氏方程,可得

(9)

2.2 誤差分析

如果物理量y由多個測量物理量(x1,x2,…,xn)組成,根據(jù)最大誤差傳遞原理,物理量y的最大相對誤差為

(11)

3 實驗及結(jié)果分析

去離子水、乙二醇、甲酰胺在微型換熱器換熱通道表面液滴形成的靜態(tài)接觸角如圖5所示.采用JY-82A視頻接觸角測定儀測量液滴接觸角,并根據(jù)式(5)計算,可得換熱通道內(nèi)側(cè)壁面及底面的接觸角,如表1所示.

左表面右表面左表面底表面底表面底表面右表面乙表面右表面(a)去離子水(b)乙二醇(c)甲酰胺

圖5 不同測試液滴在槽道內(nèi)表面的接觸角

Fig.5 Surface contact angle of different test liquids in channel inner surface

表1 3種測試液在槽道內(nèi)表面的接觸角

Table 1 Surface contact angles of three test liquids in channel inner surface

位置接觸角/(°)去離子水乙二醇甲酰胺內(nèi)表左側(cè)面858078內(nèi)表右側(cè)面968178內(nèi)表底面988580

本實驗用于微通道表面接觸角測量的3種標(biāo)準(zhǔn)液(去離子水、乙二醇、甲酰胺)的表面能參數(shù)值見表2.

表2 3種測試液的表面能參數(shù)

將表1和2中參數(shù)值分別代入式(6)、(9)中,內(nèi)表左側(cè)面、內(nèi)表右側(cè)面、內(nèi)表底面的表面能分別為5.2、5.6、8.2 MJ/m2.

由此可知,微細(xì)通道換熱器的表面能平均值為6.3 MJ/m2,均在100 MJ/m2以內(nèi),屬于低表面能范疇,有利于強化傳熱[16],微型換熱器換熱通道各表面的表面能存在一定的差異,左、右內(nèi)側(cè)表面比較接近,通道底面比左、右側(cè)面的表面能大,內(nèi)側(cè)表面的表面能比槽道底面的表面能低36.6%、31.7%.這是由于微細(xì)通道側(cè)壁面和底面的毛細(xì)結(jié)構(gòu)不一樣,由圖2兩種表面的3D形貌可以看出,兩者表面凸凹程度不一樣.采用JB-1C粗糙度測量儀測試微細(xì)通道蒸發(fā)器內(nèi)側(cè)左、右表面及槽道底表面的粗糙度情況,結(jié)果如圖6所示.

圖6 微槽道內(nèi)表面輪廓的測量曲線

Fig.6 Measurement curves of microchannel inner surface contour

考慮到固體表面的粗糙度對濕潤性的影響時,由Wenzel 理論模型[18](如圖7所示)分析,文中將楊氏理論修正為cosθ=Rfcosθ0,其中粗糙度Rf定義為固體真實表面積和其投影面積之比.由此可知,當(dāng)通道表面的材質(zhì)一樣時,內(nèi)側(cè)表面接觸角差異是因為其表面粗糙度的不同而造成內(nèi)外表面能的差異,這些納米級均勻粗糙表面結(jié)構(gòu)對表面疏水性的產(chǎn)生起了關(guān)鍵的作用,通道底表面相對左右側(cè)表面而言,形成了比較均勻的納米級、高低相間的凹坑粗糙表面結(jié)構(gòu),從而形成不同的表面接觸角.

圖7 液滴的Wenzel模型

4 結(jié)論

實驗測量了去離子水、乙二醇、甲酰胺在微型換熱器換熱通道表面所形成的接觸角,基于楊氏理論計算通道表面的表面能,用于表征微型換熱器換熱通道的表面特性,并采用Wenzel液滴狀態(tài)模型分析了微槽道底表面及左、右側(cè)表面接觸角差異形成的機理,得出如下結(jié)論：

(1)換熱器換熱通道左、右側(cè)表面的表面能分別為5.2、5.6 MJ/m2,底表面的表面能為8.2 MJ/m2,微細(xì)通道換熱器的平均表面能為6.3 MJ/m2,均在100 MJ/m2以內(nèi),屬于低表面能范疇;

(2)換熱通道各表面的表面能存在一定的差異,左、右內(nèi)側(cè)表面的表面能比較接近,內(nèi)側(cè)表面的表面能比槽道底面的表面能低36.6%、31.7%;

(3)換熱通道內(nèi)側(cè)表面的固體表面能存在一定的差異,測試液在內(nèi)側(cè)表面接觸角的差異是由其表面粗糙度不同造成的.

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Analysis of Heat Transfer Channel Surface Characteristic of Micro Heat Exchanger Based on Young’s Theory

ZHOUJian-yang1LUOXiao-ping1FENGZhen-fei1,2DENGCong1WUDi1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

The surface characteristic of the heat transfer channel of micro heat exchangers has a significant effect on the flow boiling performance of fluid. Solid surface energy is often used to describe the surface characteristics of the heat transfer channel, which can provide a theoretical basis for the research of the flow boiling performance of the fluid in micro-channels. In the investigation, the contact angles of deionized water, ethylene glycol and formamide with the left, right and bottom surfaces of the heat transfer channel were measured respectively, and the solid surface energy of the heat transfer channel was calculated on the basis of Young’s theory. Then, the forming mechanism of the contact angle difference between the inside and outside surfaces of the micro-channels was analyzed through the Wenzel model of droplet. The results show that the solid surface energy of the left, right and bottom surfaces of the heat transfer channel are respectively 5.2, 5.6 and 8.2 MJ/m2, and the surface roughness difference causes the inside surface features to be different.

micro heat exchanger; surface characteristic; surface energy; Young’s theory; Wenzel droplet model

1000-565X(2017)01- 0123- 06

2016- 01- 18

國家自然科學(xué)基金資助項目(21276090)

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(21276090)

周建陽(1986-),男,博士生,講師,主要從事微尺度相變傳熱研究.E-mail:369398611@qq.com

TK 172

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.01.018