基于杨氏理论的微型换热器传热壁面表面特性分析*

周建阳 罗小平 冯振飞,2 邓聪 吴迪

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640; 2. 广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004)

基于杨氏理论的微型换热器传热壁面表面特性分析*

周建阳1罗小平1冯振飞1,2邓聪1吴迪1

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640; 2. 广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004)

微型换热器换热通道壁面的表面特性对流体流动沸腾特性有显著的影响.固体表面能常被用来表征微型换热器换热通道壁面的表面特性,可为微细通道中流体流动沸腾特性的研究提供理论依据;文中测量去离子水、乙二醇、甲酰胺在换热通道内侧左右壁面及底表面所形成的接触角,基于杨氏理论计算微型换热器换热壁面的表面能,并通过液滴的Wenzel模型分析微槽道内、外表面接触角差异形成的机理.研究结果表明:微型换热器换热通道内侧左、右壁面的表面能分别为5.2、5.6 MJ/m2,底表面的表面能为8.2 MJ/m2,微细通道内表面特性差异是由表面粗糙度不同造成的.

微型换热器;表面特性;表面能;杨氏理论;Wenzel液滴模型

换热器换热通道表面的材料属性、粗糙度、湿润性等表面特性对流体在微型换热器内的流动沸腾特性有极大的影响,有些学者通过改变换热通道表面的特性来研究其对传热和压降的影响[1-4].Bourdon等[5]在光滑的超疏水性、超亲水表面用去离子水研究表面能对过冷沸腾起始点位置和沸腾传热的影响,发现换热表面特性对其沸腾起始点的壁面过热度起着重要的作用；Yang等[6]采用溶胶-凝胶方法使换热器通道表面具有不同的表面能,水液滴在其表面分别形成150°、75°、5°接触角,在这3种不同表面能微通道表面进行流动沸腾传热实验,发现表面能较高的壁面具有较高的临界热流密度；罗小平等[7]发现纳米颗粒沉积会影响换热通道表面能,从而影响换热器的换热特性.综上所述,换热器换热壁面的表面能对流体在换热器流动沸腾的起始点、壁面的临界热流密度等特性都有显著的影响,因此,对换热器换热壁面表面特性的鉴定及表征,可为流体在换热器中流动沸腾特性的研究提供理论依据.

换热通道表面综合特性可用固体表面能来表征,表面能是创造物质表面时对分子间化学键破坏的度量,也可以理解为产生单位面积新表面时所需做的功.Young[8]提出了著名的杨氏理论,在非真空条件下液体和固体表面相接触时,两相的界面之间将受到固体表面能γs、液体表面能γl和固—液界面能γsl的共同作用,呈现出一定的接触角θ,它们之间的关系为γlcosθ=γs-γsl.目前还没有直接测量固体表面能的有效方法,都是通过间接测量法计算出固体表面能,主要的计算方法有熔融外推法[9]、溶解热法[10]、薄膜浮选法[11]及接触角法[12].其中接触角法是计算固体表面能最常见、应用最为广泛的方法,该方法操作简单,故文中采用接触角法来计算表面能.

在杨氏理论方程中,液体在固体表面所形成的接触角和液体表面能γl是可以直接获得的,但固—液间的表面能无法直接得出,需要建立固—液界面表面能γsl和固体表面能γs的关系,联合求解.Van等[13-14]基于杨氏理论方程提出了LW-AB法,认为表面能γ由Lewis酸-碱分量γAB和Lifshitz-vander Waals分量γLW构成,而γAB又包括酸分量γ+和碱分量γ-,最后将杨氏理论方程推导为

为此,文中采用接触角法分别测量乙二醇、甲酰胺、去离子水在换热器通道所形成的液滴接触角,基于杨氏理论方程对微型换热器传热通道表面特性进行表征,以期为流体在换热器中流动沸腾特性研究提供理论依据.

1 实验部分

测量接触角的常见方法有质量测量法和角度测量法[15],本实验选用角度测量法测试液滴在微型换热器传热通道壁面所形成的接触角,通过计算其表面能来表征微型换热器的表面特性.实验测量所用的微型换热器结构如图1所示,长L为260mm,宽W为42mm,高H为10mm,包含18个1mm×2mm的矩形微细通道,肋片间距为1mm.微型换热器换热通道侧面及底面的三维(3D)形貌特征如图2所示.

图1 微型换热器的结构

1.1 实验方案

本实验采用承德鼎盛设备有限公司生产的JY-82A视频接触角测定仪,针头规格有10G-34G,由于微型换热器换热通道为1mm×2mm的矩形微细通道,为防止液滴过大而无法在通道壁面正常形成液滴,故本实验选用30G针头,外径为0.31mm,内径为0.13mm,针长为13mm,同时在实验前清洗、烘干处理被测的微细通道换热器,然后测量乙二醇、甲酰胺、去离子水液滴在换热通道壁面所形成的稳定的静态接触角.

图2 微细通道表面的3D形貌图

1.2 接触角测试原理

静态接触角实验装置如图3所示,液滴通过针头滴入微型换热器微细通道内的底面和左、右侧面.对于侧面液滴,通过针头倾斜滴入槽道侧面,在强光源下,微距镜头摄像仪将在微细通道中液滴成像,然后将液滴照片输送到计算机,通过JY-82A视频接触角测定仪测量3种试剂在通道表面所形成的接触角.

图3 接触角实验装置

2 数学计算模型及误差分析

2.1 数学计算模型

在测量内表面接触角时,由于液滴重力的存在,液滴在槽道壁面所形成的上、下接触角度略有不同,现以图4所示的竖直壁面上、下接触角示意图为例，推导所测得的侧壁面上、下接触角(θ1、θ2)与水平接触角θ之间的关系,忽略液滴直径对接触角的影响.

图4 竖直壁面接触角

根据三相交界点θ1处的受力平衡分析[13-14],可得

Flgcosθ1+Fsl+f=Fsg

(1)

式中, f为由重力等作用引起的液滴与壁面间具有摩擦性质的综合等效力,Flg为液—气界面张力,Fsl为固—液界面张力,Fsg为固—气界面张力.

同理,对于上接触角θ2,有

Flgcosθ2+Fsl=Fsg+f

(2)

由式(1)、(2)可得

Flg(cosθ1+cosθ2)=2(Fsg-Fsl)

(3)

所以接触角满足

(4)

因此可得微细通道蒸发器内表面竖直侧面的接触角

(5)

固体和液体的表面能可分别表示为

(6)

(7)

固—液界面间相互作用的表面自由能与固体、液体的表面能之间的关系为

(8)

将式(6)-(8)代入杨氏方程,可得

(9)

2.2 误差分析

如果物理量y由多个测量物理量(x1,x2,…,xn)组成,根据最大误差传递原理,物理量y的最大相对误差为

(11)

3 实验及结果分析

去离子水、乙二醇、甲酰胺在微型换热器换热通道表面液滴形成的静态接触角如图5所示.采用JY-82A视频接触角测定仪测量液滴接触角,并根据式(5)计算,可得换热通道内侧壁面及底面的接触角,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)去离子水(b)乙二醇(c)甲酰胺

图5 不同测试液滴在槽道内表面的接触角

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

表1 3种测试液在槽道内表面的接触角

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

位置接触角/(°)去离子水乙二醇甲酰胺内表左侧面858078内表右侧面968178内表底面988580

本实验用于微通道表面接触角测量的3种标准液(去离子水、乙二醇、甲酰胺)的表面能参数值见表2.

表2 3种测试液的表面能参数

将表1和2中参数值分别代入式(6)、(9)中,内表左侧面、内表右侧面、内表底面的表面能分别为5.2、5.6、8.2 MJ/m2.

由此可知,微细通道换热器的表面能平均值为6.3 MJ/m2,均在100 MJ/m2以内,属于低表面能范畴,有利于强化传热[16],微型换热器换热通道各表面的表面能存在一定的差异,左、右内侧表面比较接近,通道底面比左、右侧面的表面能大,内侧表面的表面能比槽道底面的表面能低36.6%、31.7%.这是由于微细通道侧壁面和底面的毛细结构不一样,由图2两种表面的3D形貌可以看出,两者表面凸凹程度不一样.采用JB-1C粗糙度测量仪测试微细通道蒸发器内侧左、右表面及槽道底表面的粗糙度情况,结果如图6所示.

图6 微槽道内表面轮廓的测量曲线

Fig.6 Measurement curves of microchannel inner surface contour

考虑到固体表面的粗糙度对湿润性的影响时,由Wenzel 理论模型[18](如图7所示)分析,文中将杨氏理论修正为cosθ=Rfcosθ0,其中粗糙度Rf定义为固体真实表面积和其投影面积之比.由此可知,当通道表面的材质一样时,内侧表面接触角差异是因为其表面粗糙度的不同而造成内外表面能的差异,这些纳米级均匀粗糙表面结构对表面疏水性的产生起了关键的作用,通道底表面相对左右侧表面而言,形成了比较均匀的纳米级、高低相间的凹坑粗糙表面结构,从而形成不同的表面接触角.

图7 液滴的Wenzel模型

4 结论

实验测量了去离子水、乙二醇、甲酰胺在微型换热器换热通道表面所形成的接触角,基于杨氏理论计算通道表面的表面能,用于表征微型换热器换热通道的表面特性,并采用Wenzel液滴状态模型分析了微槽道底表面及左、右侧表面接触角差异形成的机理,得出如下结论：

(1)换热器换热通道左、右侧表面的表面能分别为5.2、5.6 MJ/m2,底表面的表面能为8.2 MJ/m2,微细通道换热器的平均表面能为6.3 MJ/m2,均在100 MJ/m2以内,属于低表面能范畴;

(2)换热通道各表面的表面能存在一定的差异,左、右内侧表面的表面能比较接近,内侧表面的表面能比槽道底面的表面能低36.6%、31.7%;

(3)换热通道内侧表面的固体表面能存在一定的差异,测试液在内侧表面接触角的差异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

国家自然科学基金资助项目(21276090)

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

周建阳(1986-),男,博士生,讲师,主要从事微尺度相变传热研究.E-mail:369398611@qq.com

TK 172

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