疏水改性对泡沫金属表面池沸腾换热特性的影响

胡晨昱，赖展程，胡海涛，丁国良，韩维哲

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）

0 引言

泡沫金属具有超大比表面积[1]，能有效提高换热面积[2-3]、增加气泡成核点[4]，从而促进沸腾传热。但是泡沫金属在显著强化传热的同时，造成压降显著提高[5]，限制了泡沫金属用于提高换热器性能的潜力。疏水改性作为一种改变固液界面作用的手段，在强化沸腾传热[6-8]的同时，可以促进界面滑移[9]、降低流动阻力[10]，有望解决泡沫金属换热器压降过大的问题。池沸腾是沸腾换热的基本形式，为了将疏水改性泡沫金属应用于强化沸腾换热，需要明确疏水改性泡沫金属对池沸腾换热特性的影响。

关于泡沫金属中池沸腾换热的研究，主要集中在探究泡沫金属结构参数[11-17]的影响以及泡沫金属内含油制冷剂[18-19]的沸腾换热。研究结果表明，低孔隙率和高孔密度有利于强化泡沫金属内沸腾换热[14]；在高孔密度泡沫金属中，随着厚度减小，沸腾换热先恶化后增强[15]；制冷剂中的润滑油会恶化沸腾换热，换热系数最多降低90%[18]。目前还没有关于疏水改性泡沫金属内沸腾换热的研究报道。

本文针对疏水改性泡沫金属内池沸腾换热特性进行了实验研究，明确疏水改性泡沫金属对池沸腾换热特性的影响。

1 实验原理与误差分析

1.1 实验装置

图1给出了泡沫金属内池沸腾的的实验台结构。实验台由沸腾池、加热器、冷凝盘管、温度传感器和压力传感器组成，实验工质为纯净水。

图1 泡沫金属池沸腾实验台

沸腾池主体为不锈钢箱体，侧面安装有玻璃视窗，可用于照明并观测实验现象；沸腾池顶部和底部分别安装有充注阀和排液阀，用于充注、排出沸腾工质；顶部安装有冷凝盘管，内通冷却水用于冷凝沸腾工质，维持容器内压力；在沸腾池内悬挂有一支热电偶，用于测定实验工质的温度Tf；顶部安装一台压力传感器用于监测容器内压压力。加热器位于容器底部，包括一主加热器与一辅助加热器。主加热系统主体为一铜导热块，底部插入3 根电加热棒，连接至调 电源，加热功率可在0～500 W 范围内调节。导热块上部导热柱高度为400 mm，边长为25 mm，包裹在绝热性良好的特氟龙材材料中，热量在其中可视为一维传导。导热柱内插入入5 个热电偶，深度为12.5 mm，位置如图1所 示。泡沫金属样件通过锡焊方式安装在铜加热柱顶面上。辅助加热器用于将沸腾池内沸腾工质保持在在饱和状态。实验采集的数据包括导热铜柱内5 个测温点的温度T1～T5、工质温度Tf以及容器内的压力P。

1.2 实验样件

本实验样件为泡沫铜，，尺寸为 225 mm× 25 mm×4 mm，包括5 PPI 和10 PPI 两种孔密度，如图2所示。

疏水表面泡沫金属通过对泡沫铜进行碱辅助氧化与正十二硫醇分子基团自组装的方法制备，制得疏水样件如图3所示。

1.3 数据导出与误差分析

池沸腾换热系数h 按式(1)～式(2)计算：

式中：

q———热流密度度，W/m2；

Tw——导热块加热顶面温度，℃；

Tf——制冷剂饱和温度，℃℃；

λ———铜热导率，W/(m·K)；；

z———加热面法向坐标，m。。

T 和z 之间的关系由导热铜柱上测得温度T1～T5与其对应的z1～z5通过线性拟合得到：

图2 未改性泡沫金属样件

图3 疏水改性泡沫金属样件

并以此推算出Tw的值：

式中，zw为导热铜柱顶面高度0.04 mm。

根据MOFFAT 方法[20]可得到以下计算换热系数h的相对误差公式(5)[116]：

其中，热流密度与加热面温度计算误差在10%以内，热电偶的误差为0.1 ℃，换热系数的最大相对误差为13.8%。

2 结果讨论

2.1 表面改性对润湿性的的影响

已有研究测定了水在在未改性铜表面的润湿性[21]，结果显示水在在铜表面的前进接触角θA为89.2°，后退接触角θR为62.1°，呈现微弱的亲水特性，如图4(a)所示。对泡沫金属进行碱辅助氧化与正十二硫醇分子集团自组装处理后，得到疏水泡沫金属表面，分别测定它们与水的接触角，如图4(b)所所示。

图4 水在不同润湿性表面的接触角

2.2 疏水改性对泡沫金属池沸腾特性的的影响

图5给出了水在孔密度为5 PPI的两种表面润湿性泡沫金属加热面的池沸腾换热特性。由图5(a)可以看出，疏水改性使沸腾换热的起始过热度由4.26 ℃降低至2.95 ℃，降低了30.7%%。由图5(b)不同表面特性的泡沫金属加热面换热系数随热流密度的变化规律可以看出，在热流密度较低时，疏水改性与未改性的泡沫金属表面沸腾换热系数较接近，疏水泡沫金属比未改性泡沫金属高出大约5%～ 8%，随着热流密度升高，疏水改性对换热性能的增强幅度升高，疏水改性泡沫金属表面沸腾换热系数比未改性泡沫金属表面高大约15%～20%。疏水改性对于5 PPI 的泡沫金属池沸腾换热有明显的强化作用。

图5 疏水改性对5 PPI 泡沫金属池沸腾换热特性的影响

图6给出了水在孔密度为110 PPI 的两种表面润湿性泡沫金属加热面的池沸腾换热特性。由图6(a)可以看出，在沸腾起始与低热流密度区域，两种泡沫金属的沸腾曲线几乎重合。由图6(b)可知，在较高热流密度区域，疏水改性泡沫金属的池沸腾换热系数比未改性泡沫金属低大约33%～5%。对于10 PPI的泡沫金属，疏水改性使换热性能稍有恶化。

对于不同孔密度泡沫金属的的换热性能，疏水改性呈现不同的效果，原因在于，疏水改性能够增加金属表面气泡成核点，有利于气泡形成，增强沸腾换热，但是由于表面亲气疏水的的特性，形成的气泡更易在泡沫金属表面铺展，造成局部的膜态沸腾，恶化换热。当泡沫金属孔密度增大，比表面积增大时，这种影响更为显著。由于高孔密度的泡沫金属骨架结构更紧密，增大了气泡的逸出难度；因此，对于水工质换热器，为了强化泡沫金属换热器的性能，应采用低孔密度的疏水改性泡沫金属。

图6 疏水改性对10 PPI 泡沫金属池沸腾换热特性的影响

3 结论

1）在孔密度5 PPI 的泡沫金属中，疏水改性使沸腾起始过热度由4.26 ℃降低到2.95 ℃，换热系数增大5%～20%，换热性能得到强化。

2）对于孔密度10 PPI 的泡沫金属，随着热流密度增大，疏水改性增强沸腾换热。

3）在热流密度较低的制冷系统换热器中，宜采用低孔密度疏水改性泡沫金属增强换热。