CN109631651B - 一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于强化传热技术领域的一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法。具体为在换热基底微结构上设置电极膜，所述电极膜与金属电极连接至电源形成电场，换热介质中带电金属纳米颗粒在电场作用下间歇吸附于换热表面，实现换热表面浸润性的可控转换；本发明将表面浸润性主动可控转换引入沸腾过程，主动控制气泡的成核与脱离，使可控强化沸腾和自适应相变换热成为可能，具有深远的学术价值和应用价值。

Description

一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法。

背景技术

沸腾相变传热作为一种高效换热手段，广泛应用于高效换热器、火箭等需要强化传热和快速冷却的领域。基于对沸腾过程的基本物理认识，沸腾阶段可分为自然对流传热、核态沸腾、过渡沸腾和膜沸腾几个阶段。当壁面过热度较小时，加热面与换热流体主要以自然对流传热形式交换热量，此时热流密度较低，未产生沸腾气泡，称为自然对流阶段；当壁面过热度增大到一定程度，在壁面开始核化，产生气泡，气泡生长，脱离壁面，并在上升过程中与周围液体换热，逐渐进入稳定的核态沸腾阶段，在核态沸腾阶段，传热系数大，壁温较低，且传热系数随壁面过热度的增大而明显上升；当过热度达到临界值，壁面核化中心迅速增加，气泡大量产生，壁面上开始形成一层稳定的导热率低的汽膜，使传热系数降低，进入膜沸腾阶段；膜沸腾阶段由于汽膜存在，传热效率低，换热能力差，传热表面产生干烧现象，换热器面临烧毁的危险。因此，实际应用中核态沸腾是沸腾相变传热的主要形态。

强化沸腾相变换热过程必须建立在沸腾相变过程的复杂气泡动力学研究基础之上。由于过渡沸腾和膜沸腾中传热表面出现干烧，换热器存在烧毁的危险，同时传热效率显著降低；因此主动热控制中的沸腾动力学规律主要针对核态沸腾过程中的气泡核化、生长、合并、脱离以及更新等物理过程。如何精确调控核态沸腾阶段的沸腾形态，有效提高相变传热性能成为强化沸腾传热的重点。

综合考虑沸腾气泡的核化、气泡的脱离以及液体的更新及补充，对沸腾表面进行局部亲疏水处理，通过改变壁面的亲疏水性可直接加快或抑制气泡的脱离。疏水表面易促进气泡核化，但抑制气泡的脱离，降低气泡的脱离频率，而亲水表面的沸腾过程具有较高的气泡脱离频率，但是从理论上较难引起气泡的核化。越来越多的研究者耦合微结构如多孔丝网、烧结多孔、微坑、微柱阵列等同时对微结构表面进行局部亲疏水处理。一般微米以下的微结构直接影响壁面的亲疏水性，对其再进行局部亲疏水性的修饰，对沸腾性能影响不大。对于几十微米以上的微结构沸腾表面，受加工手段及浸润性处理方法的限制，一般微结构底部为亲水基体、顶部进行疏水处理；其优势是汽化核心增多，气泡容易上升至微结构顶部并长大；但缺点也显而易见，即气泡不容易脱离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法，具体技术方案如下：

一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法具体为：在换热基底微结构顶部设置电极膜，电极膜与金属电极连接至电源形成电场，换热工质中带电金属纳米颗粒在电场作用下间歇吸附于换热表面，实现换热表面浸润性的可控转换；

所述金属电极固定在换热基底外部；金属电极优选为铜电极、铝电极，形状优选为板状、网状或棒状。

所述换热基底材料为金属如紫铜或单晶硅、蓝宝石、石墨烯等非金属，可以理解的是，换热领域常用的换热材料均适用于本发明，优选导热性良好的基底材料。

换热基底形状为平板、圆管或异形，其中异形为换热领域常见换热器形状。

所述换热基底微结构为尺寸为纳米级或微米级的微柱、微坑或微槽道；可以理解的是，现有技术中，所有用于提高换热效率的微结构均适用于本发明，优选为纳米级或微米级的方形微柱、矩形微柱、半球形微坑或圆柱形微坑。

所述换热基底微结构的排列方式为规则排列如阵列式、交错式排列，或为不规则排列。

所述电极膜通过电极引线引出，以将电极膜连通并连接至电源；换热基底、电极膜、电极引线的表面均绝缘。

所述表面绝缘可以通过在表面设置绝缘层实现，所述绝缘层厚度为百纳米级。其中，换热基底材料为单晶硅等非导电材料时，则无需设置绝缘层。

所述绝缘层材料为惰性金属、金属氧化物、陶瓷或硅胶；优选导热性优良的绝缘材料，可以通过掺杂导热性优良材料的方式来提高绝缘材料导热性。

所述电极膜、电极引线材料为导电材料；优选为金属，进一步优选为金、银、铜或铝。

所述电极膜厚度为百纳米级。

所述带电金属纳米颗粒具有均匀亲水性表面、均匀疏水性表面或双亲浸润性表面；亲水、疏水或双亲浸润性表面通过改性获得；带电金属纳米颗粒尺度为纳米级、微米级，形状规则或不规则，优选为球形或柱形。

所述带电金属纳米颗粒浸润性与换热基底的浸润性不同，用于改变换热表面浸润性。如换热基底表面为亲水(或疏水)，带电金属纳米颗粒表面为疏水(或亲水)，也可以具有双亲浸润性。

所述电源为直流电源或交流电源；其中直流电源通过通、断电实现电场可控；交流电源通过控制交流频率实现电场可控，交流频率根据沸腾气泡动力学周期调节。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过电场调控实现换热表面微结构局部位置浸润性的可控转换，在气泡成核、上升阶段，可利用疏水性促进气泡核化，加速核化中心的再生、活化；在气泡脱离阶段，可利用亲水性促进气泡脱离，进而实现整个气泡动力学过程(气泡成核、生长及脱离)的强化传热；

(2)本发明将电场调控浸润性技术引入沸腾换热过程，通过局部自适应可控浸润性耦合微结构，在增大沸腾表面核化密度的同时，主动调控气泡成核、合并和脱离，实现沸腾的全面强化，提高了换热效率，推动了主动控制沸腾技术的发展，为强化沸腾相变传热提供了一种新技术、新方法。

附图说明

附图1为微结构耦合局部电极换热表面示意图；

附图2为局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热示意图；

附图3为电场作用下带电金属颗粒间隙吸附，表面浸润性可控转换过程示意图；

标号说明：1-换热基底；2-电极膜；3-绝缘层；4-带电金属纳米颗粒；5-换热工质；6-金属电极；7-导线；8-电源；9-换热容器；10-气泡。

具体实施方式

本发明提供了一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

如附图1所示的微结构耦合局部电极换热表面，换热基底1表面绝缘且具有微结构表面，在微结构顶部设有电极膜2，电极膜2表面有一层高导热绝缘层3。

其中，换热基底1微结构形状、当量尺寸、间距等参数基于沸腾气泡成核密度、气泡爬升、汇聚等因素进行设计；换热基底1表面绝缘，绝缘材料选择导热性优良的材料；电极膜2因位于微结构表面而不连通，通过电极引线将微结构上的电极膜2连通并引出，以便连接至电源，保证所有电极膜均能形成电场。

如附图2所示的局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热，换热基底1微结构与其表面电极膜2耦合构成局部电极，通过电极引线与金属电极6经导线7连接至电源8，形成可控电场；换热容器9内换热工质5为纳米流体，换热工质5中含有带有表面浸润性的带电金属纳米颗粒4，带电金属纳米颗粒4受电场控制，在沸腾表面局部电极上进行吸附、脱附，基于带电金属纳米颗粒4与沸腾表面浸润性的不同实现沸腾表面浸润性的可控转换。

具体如附图3所示：在气泡成核、上升阶段，调控电源8，带电金属纳米颗粒4吸附在换热基底1微结构上的电极膜2表面形成疏水核化点，以增大气泡核化密度，促进气泡10核化、生长与合并；如附图3-a所示。在气泡10合并后的脱离阶段，调控电源8，使带电金属纳米颗粒4从换热基底1微结构上的电极膜2表面脱附，利用换热基底1表面的亲水性，促进气泡10快速脱离；如附图3-b所示。

或者，对带电金属纳米颗粒4表面进行亲水处理，在气泡成核、上升阶段，调控电源8，利用换热基底表面疏水性，增大气泡核化密度，促进气泡10核化、生长与合并；在气泡10合并后的脱离阶段，调控电源8，使带电金属纳米颗粒4吸附在微结构上的电极膜2表面，利用带电金属纳米颗粒4表面的亲水性，促进气泡10快速脱离。

即本发明通过电场控制带有表面浸润性的带电金属纳米颗粒4间歇吸附在换热表面上，实现换热表面局部浸润性的主动可控转换，进而促进气泡的成核、合并和脱离，实现沸腾相变过程的全程强化；同时耦合换热基底微结构，增大沸腾表面核化密度，实现沸腾的全面强化；以从根本上强化沸腾换热。

实施例1

选用单晶硅为换热基底材料，平板状，尺寸30mm×10mm×2mm；表面设计有微柱阵列，微柱尺寸150μm×150μm×150μm，间距200μm；换热基底表面为导热性能优良的金属氧化物绝缘层，厚度100nm。

在微柱顶端设有厚度为100nm的导电金膜作为电极膜，并以厚度为100nm的导电金膜为电极引线将分布在微柱顶端的各个电极膜连通并引出，其中电极膜、电极引线表面均有厚度100nm的导热性能优良的金属氧化物绝缘层。

选用粒径30nm的金属铜纳米颗粒，对其进行阴阳离子表面活性剂带电处理和疏水处理，并配置成纳米流体作为换热工质。将表面进行绝缘处理的铜板30mm×10mm×2mm作为金属电极连接至250V直流电源，与电极膜形成电场；通过控制电源通断，控制金属铜纳米颗粒在微柱顶端的间歇吸附。

气泡成核阶段，电源通电，在电场的作用下，带电金属铜纳米颗粒吸附在微柱顶端，沸腾表面疏水核化点密度增大1～2倍。气泡生长合并后，关闭电源，促进了带电金属铜纳米颗粒从换热表面脱附，重新分散于纳米流体中；重新裸露出的单晶硅基体具有亲水性，气泡很快脱离。电源再次通电，带电金属铜纳米颗粒再次吸附在微柱顶端，沸腾表面再次核化。即通过控制电源通断，以实现沸腾表面浸润性的主动可控转换，进而达到强化沸腾换热的目的。

与相同形状、相同尺寸、表面同样设有微柱结构但未设置电极膜的单晶硅材质换热表面相比，实施例1换热表面的换热性能提高1-2倍。

以上实施例和附图仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；经简单变换或对本领域技术人员来说显而易见的改进也均属于本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种局部自适应可控浸润性耦合微结构强化沸腾换热方法，其特征在于，在换热基底微结构顶部设置电极膜，所述电极膜与金属电极连接至电源形成电场，换热工质中带电金属纳米颗粒在电场作用下间歇吸附于换热表面，实现换热表面浸润性的可控转换；所述金属电极固定在换热基底外部；

所述带电金属纳米颗粒具有均匀亲水性表面、均匀疏水性表面或双亲浸润性表面，所述带电金属纳米颗粒浸润性与换热基底的浸润性不同；

在气泡成核、上升阶段，利用疏水性促进气泡核化，加速核化中心的再生、活化；在气泡脱离阶段，利用亲水性促进气泡脱离，实现整个气泡动力学过程的强化传热。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换热基底材料为金属或单晶硅、蓝宝石、石墨烯，换热基底形状为平板、圆管或异形。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换热基底微结构为尺寸为纳米级或微米级的微柱、微坑或微槽道。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电极膜通过电极引线引出；换热基底、电极膜、电极引线的表面均绝缘。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述绝缘通过在表面设置绝缘层实现，所述绝缘层材料为惰性金属、金属氧化物、陶瓷或硅胶。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电极膜、电极引线材料为导电材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电源为直流电源或交流电源。

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