表面活性剂对水过冷池沸腾特性影响实验研究

杨振，姚元鹏，2，李昀，吴慧英

（1上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240； 2诺丁汉大学工程学院，英国 诺丁汉NG7 2RD）

引 言

沸腾相变过程能够充分利用工质潜热、实现高效传热，因而被广泛应用于计算机芯片、高功率激光器及雷达等电子器件热管理领域[1-4]。针对日益增加的散热需求，复合工质例如存在链式沸腾强化模式的水包油型非共沸乳液，为在有限散热面积上进一步提升散热速率提供了可能。上述复合工质通常需依赖表面活性剂稳定分散相并使其均布于体相，以保证其最佳热物性。其中，Tween20（山梨醇酐单月桂酸酯聚氧乙烯）与Span20（山梨醇单月桂酸酯）均是配制传热强化复合工质的关键添加剂，且二者复配（Tween20-Span20）后能够进一步提升分散相的稳定性[5-6]，近年来在复合工质传热领域不断受到研究者关注。

对于Tween20，研究人员重点关注其对纯水工质饱和池沸腾传热特性或复合工质喷雾冷却沸腾相变传热特性影响。其中，Wu 等[7]开展了水平不锈钢管外Tween20-水溶液饱和池沸腾实验研究（热通量为300 kW·m-2），研究发现Tween20 可将水的传热系数提升18%。此外，Ravikumar 等[8]将Tween20 用作乙醇-水喷雾冷却实验中的工质添加剂，结果表明添加Tween20 后乙醇-水溶液的冷却速率提升了28%。他们将这一结果归因于Tween20 与乙醇并存大幅降低了表面张力，这使得工质在加热面上能够以更快的速度铺展。Bhatt等[9]研究了膜态沸腾状态下，Tween20 对乙醇-水溶液喷雾冷却相变过程的影响，并指出Tween20 对乙醇发泡能力的抑制是导致表面散热速率提升的原因。进一步，Ravikumar 等[10]在水-Al2O3纳米流体喷雾冷却实验中分别以Tween20 和钠十二烷基硫酸盐（SDS）作为稳定剂。研究发现，Tween20 能比SDS 更显著地降低基液表面张力和黏度，因而具有更好的传热强化效果。由以上分析可见，Tween20 能够强化纯水工质饱和沸腾传热与复合工质喷雾冷却沸腾相变，但鉴于水包油（油相沸点低于水）型乳液等复合工质过冷运行工况，仍亟需探索Tween20 对纯水工质过冷沸腾传热特性影响规律。

对于Span20，不同于Tween20 沸腾强化效果研究，目前研究重点在于分析其对基液单相传热特性的影响。如Dombek 等[11]测定了添加Span20 前后基液的热物性参数（包括热导率、密度、热膨胀系数和黏度），进而分析了两种工况下工质的导热与对流传热特性。结果表明，Span20 除了使基液黏度增加之外，对其余热物性参数没有显著影响，因此不会干扰工质的单相传热过程。此外，Lin等[12]通过复配表面活性剂（Span20、Span80、Tween20、Tween80）制备了高稳定性的油-Al2O3纳米流体，经测定发现复配表面活性剂的存在除使得纳米流体热导率轻微下降之外，并未影响其余热物性参数。但基于复合工质沸腾两相传热运行工况的考虑，有必要开展Span20 与Tween20-Span20 对纯水工质沸腾传热特性影响的实验研究。

综上所述，Tween20、Span20 与Tween20-Span20复配表面活性剂为配制传热强化复合工质（如水包油型非共沸乳液）的关键添加剂，但现有研究工作均未同时关注“纯水工质”和“过冷状态”来系统研究上述表面活性剂对池沸腾强化效果及传热机理。一方面，研究纯水工质本身添加上述表面活性剂，不仅能够为后续复合工质实验研究提供基准对照依据，同时也能为复合流体工质配制提供相应指导；另一方面，研究“过冷状态”是针对水包油（油相沸点低于水）型乳液等复合工质过冷运行工况的必要考虑。因此相关工作亟待开展。为填补上述研究缺口，本文将针对Tween20、Span20 以及二者复配表面活性剂（Tween20-Span20），开展将其分别添加纯水工质后的过冷池沸腾实验研究，以揭示过冷状态下上述单一表面活性剂与复配表面活性剂对水沸腾传热特性影响，为后续复合工质实验研究提供基准对照依据，并为强化传热复合流体工质配制提供相应指导。

1 实验介绍

1.1 溶液配制

为揭示采用Tween20、Span20单一表面活性剂与Tween20-Span20复配表面活性剂的三种工况下水过冷池沸腾传热特性（过冷度为50 K），本研究分别配制了1000 ml 不同体积浓度（0.05、0.5 与1 ml·L-1）的单一表面活性剂[Tween20 的临界胶束浓度（CMC）范围为0.48～0.6 ml·L-1[13]，Span20 的CMC 约为0.18 ml·L-1[14]]与复配表面活性剂溶液。其中，考虑复配表面活性剂成分配比对制备纳米乳液稳定性的影响，本研究所用Tween20 与Span20 复配体积比为1∶0.942[15]（复配表面活性剂浓度以所含Tween20浓度代表）。实验溶剂为去离子水，配制溶液前需将其煮沸2 h，从而去除溶解于水中的空气，防止不凝气干扰实验结果。脱气完成后用丙酮-去离子水依次清洗烧杯，随后将表面活性剂按所需体积取至烧杯中。进一步加入100 ml 去离子水，通过磁力搅拌器以500 r·min-1的转速搅拌30 min；维持搅拌过程，继续向烧杯中缓慢加入900 ml 去离子水，并于30 min 后结束搅拌，最终完成溶液配制。配制完成后，采用接触角测量仪（DSA100）分别以悬滴法与座滴法测试一系列不同体积浓度表面活性剂溶液在25℃环境温度下的表面张力与接触角，并记录表面张力与接触角随浓度的变化。

1.2 实验系统

为厘清表面活性剂对纯水工质过冷池沸腾传热特性影响，本文搭建了如图1 所示的池沸腾实验系统。该系统包括池沸腾腔体、温度控制部件、加热部件、数据采集单元及高速摄像系统。其中，池沸腾腔体由高透明PC 板及两端玻璃纤维G10 盖板构成，所构建的长方腔体容器内部长宽高尺寸分别为100、100 及240 mm。温度控制部件由半导体制冷片、冷凝盘管和辅助电加热器构成。其中，半导体制冷片贴附于上部紫铜板，用于冷凝沸腾产生的高温蒸汽，将池沸腾腔体内部压力维持在一个大气压；冷凝盘管配合辅助电加热器可将工质温度控制在50℃（工质温度由两根T 型铠装热电偶测定），控温精度为0.5℃。外部实验室环境温度则由室内空调控制在25℃。紫铜加热部件如图2 所示，其上端面即为沸腾传热表面（直径20 mm）。沸腾表面下方加工有四个直径为1.1 mm、深度为10 mm 的热电偶安装孔，其中最上部的热电偶孔距离沸腾表面3 mm，热电偶孔间距为4 mm。将直径为1 mm 的T 型铠装热电偶嵌入内壁涂抹导热硅脂（热导率为13.8 W·m-1·K-1）的热电偶安装孔内，热电偶所测温度自上至下分别为T1、T2、T3、T4，T1、T2、T3用于推算加热部件内部有效热通量及沸腾表面温度，T4则用于监控加热部件温度以防止温度过高烧毁实验夹具。高速摄像系统由Photron MiniAX200 高速摄像机（拍摄频率为4000 帧/秒，分辨率为1024×1024）、冷光源组成，所捕捉图像被存储于计算机中。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

图2 加热部件结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the heating part

1.3 实验过程

首先将配制完成的溶液缓慢倾倒至腔体内部，并开启半导体制冷片（冷凝工质蒸汽）以减少工质从池沸腾腔体向外部传递。启动恒温水槽与辅助电加热器，待工质温度稳定至50℃后，调节单相电调压器，设定输入功率，开始实验。若实验过程中监测到所有热电偶温度在3 min 内波动小于0.2℃，即可认为传热过程达到准稳态。随后通过数据采集单元（NI PXIe-1073）记录下该状态下温度值，进而以10～30 W步距增大输入功率按以上准则继续开展实验，获得一系列数据点。需注意，本实验输入功率控制范围为0～600 W，且需保证T4温度监测值低于200℃（防止烧蚀）。当监测到输入功率或T4温度达到阈值时，立即关停底部加热器，结束实验。

2 数据处理与不确定度分析

由于加热部件被低热导率的玻璃纤维G10 包覆，且紫铜的热导率非常高，故至稳态时可认为圆凸柱传热符合一维假设。因此，应用傅里叶导热定律可求得有效热通量q：

式中，TL为工质温度，由布置于容器不同位置的两根铠装热电偶所测温度求取平均值而得。

根据Moffat[17]提出的不确定度计算方法，本文在表1 中给出了热通量为34.4 与180.9 W·cm-2时，池沸腾实验中各导出量（热通量q、壁面温度Tw和传热系数h）的相对不确定度。可见，在实验热通量范围内，各参数不确定度均小于10%，处于可接受的误差范围内，故可保证实验结果可靠性。

表1 实验参数不确定度Table 1 Uncertainties of experimental parameters

3 结果与讨论

3.1 实验可靠性验证

为验证上述实验系统可靠性，测定了常压下去离子水的饱和池沸腾曲线。图3为饱和池沸腾条件下，测得实验数据与文献[18-22]报道的模型预测结果及实验数据对比。根据式（5）计算可得，本研究测得壁面温度与Rohsenow 模型预测结果[18]间平均相对偏差（MRD）为8.4%，与Liu 等[19]模型预测结果间平均相对偏差为2.4%。可见，本文实验数据与Liu等模型吻合较好，这是因为Liu等在Rohsenow 模型的基础上纳入了表面粗糙度的影响。此外，本文实验结果与文献报道热通量实验数据[20-22]也具有较好的一致性。

图3 水饱和池沸腾曲线与关联式[18-19]及文献报道实验数据[20-22]的对比Fig.3 Comparison of saturated pool boiling curves of water between correlations[18-19]and experimental data[20-22]reported in literatures

3.2 Tween20影响

图4 为Tween20 影响下的水过冷池沸腾特性曲线，从曲线整体趋势可见，过冷状态下添加Tween20 显著强化了水沸腾传热。为突出过冷状态下Tween20 对水沸腾传热特性的影响，本研究将Tween20 影响下的水过冷池沸腾曲线[图4(a)]与进一步实验所得Tween20 影响下的水饱和池沸腾曲线（图5）进行了比较。首先，发现不同于饱和沸腾情形，当过冷度为50 K 时，添加Tween20 显著降低了水的沸腾起始点（ONB）温度，并且ONB 随添加的Tween20 浓度增大而下降。表2 给出了不同Tween20 浓度影响下的过冷沸腾起始点温度。可以发现，添加Tween20 浓度为1 ml·L-1时，ONB 温度降低了3.7℃；但当添加浓度为0.05 ml·L-1时，Tween20 降低ONB 温度的能力减弱（降低了1.3℃）。

表2 Tween20对ONB的影响Table 2 Effects of Tween20 on ONB

图4 Tween20对水过冷池沸腾的影响Fig.4 Effects of Tween20 on subcooled pool boiling characteristics of water

图5 Tween20对水饱和池沸腾的影响Fig.5 Effects of Tween20 on saturated pool boiling characteristics of water

事实上，过冷池沸腾起始过程相较饱和池沸腾更依赖活化位点数量（过冷状态下的工质更难以汽化成核），而表面张力与壁面接触角均是影响活化位点数量的关键因素[23]，故本研究将从表面张力与壁面接触角两方面分析过冷状态下Tween20对沸腾起始点温度产生影响的原因。图6中给出了添加不同浓度Tween20 后水的表面张力与壁面接触角结果。如图6(a)所示，表面张力因Tween20的加入显著降低（活化位点数量随表面张力降低而增加）；当Tween20 浓度达到临界胶束浓度（CMC）后，溶液表面张力甚至可减少至纯水工质的50%（纯水工质表面张力为71.97 mN·m-1）。图6(b)则表明，壁面接触角随Tween20浓度的变化规律与上述表面张力的变化规律相反：添加Tween20 将使得壁面接触角增大（纯水工质接触角为38.9°），并且随Tween20 浓度增加，接触角逐渐增大（接触角增大有利于促进气泡形成与脱离过程的发生）。基于以上分析可见，由于Tween20的加入显著降低了水的表面张力，增大了壁面接触角，活化位点数量受Tween20影响显著增加，这引起了ONB 温度的降低；并且随添加的Tween20浓度增大，其降低ONB温度的效果变显著。

图6 Tween20对表面张力与壁面接触角的影响Fig.6 Effects of Tween20 on surface tension and contact angle

除上述沸腾起始阶段外，Tween20 对水过冷池沸腾特性影响亦反映在核态沸腾阶段。值得注意的是，相比饱和沸腾情形，过冷状态下Tween20强化纯水工质沸腾传热效果更为显著（添加Tween20 后壁面过热度降低幅度更大）。如图4(a)所示，沸腾发生后各Tween20浓度影响下的过冷沸腾曲线差异明显。一方面，添加低浓度（0.05 ml·L-1）的Tween20对纯水工质沸腾曲线的影响并不明显。另一方面，当添加浓度大于等于CMC 时，Tween20 表现出了较好的强化效果，且其强化效果受热通量影响。如前所述，加入Tween20后水的表面张力显著降低，壁面接触角增大，活化位点数量显著增加。这些因素促使沸腾曲线大幅向左偏移（相同热通量下壁面过热度降低），且浓度为1 ml·L-1时沸腾强化效果最佳（可将纯水工况下的壁面过热度降低10.4℃）。但需注意，在高热通量下，1 ml·L-1Tween20 的沸腾强化效果劣于添加浓度为0.5 ml·L-1的工况。

为揭示1 ml·L-1浓度的Tween20沸腾强化效果变差的原因，本研究监测了高热通量下沸腾表面温度随时间的变化，结果在图7中给出。可以发现，当热通量增加至115.1 W·cm-2后，壁面温度开始出现周期性波动，并且波动幅度与周期均随热通量增加而增大。这表明1 ml·L-1的Tween20作用下的纯水工质相变所形成气泡脱离沸腾表面后，表面上出现了未能被及时润湿的干烧区域。事实上，加入Tween20引起的活化位点大幅增多及壁面接触角增大，并不利于沸腾表面再润湿过程的进行。因此在高热通量下，1 ml·L-1的Tween20沸腾强化效果减弱，0.5 ml·L-1的Tween20强化效果最佳（相较纯水工况可将壁面过热度降低9.3℃）。此外，如图4(b)所示，高热通量下添加浓度为0.5 ml·L-1的Tween20对水的过冷池沸腾传热系数提升效果优于其他浓度，可达13.4%。由以上分析可见，Tween20对水的过冷池沸腾传热过程具有强化作用，且其沸腾强化效果与其添加浓度及热通量有关。

图7 高热通量下沸腾表面温度波动现象Fig.7 Temperature fluctuations of boiling surface under high heat flux

3.3 Span20影响

图8给出了Span20对水过冷池沸腾的影响。由图可见，Span20 对水单相对流阶段与沸腾起始阶段传热特性影响均可忽略。进一步增大热通量后，沸腾曲线随Span20 浓度变化开始出现差异。当Span20 浓度为0.05 ml·L-1时，由于Span20 能够轻微降低水的表面张力且此浓度低于Span20 临界胶束浓度（0.18 ml·L-1[15]），其作用下的壁面过热度相较于纯水工况降低约3.4℃；并且在此浓度下，Span20提升了水的沸腾传热系数[图8(b)]。继续增加Span20浓度至0.5、1 ml·L-1后，沸腾传热效果逐渐恶化。并且Span20 浓度越高，壁面过热度增加越显著，沸腾传热系数越低（添加浓度为0.5 和1 ml·L-1的Span20 分别使得壁面温度相较纯水工况增加了7.9 和17.3℃，传热系数分别降低了8.7%和22.7%）。而现有研究[24-30]通常认为表面活性剂分子缔合引起的工质黏度增加，是表面活性剂浓度超过CMC 时不利于沸腾强化的原因。

图8 Span20对水过冷池沸腾的影响Fig.8 Effects of Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.4 Tween20-Span20影响

上述研究表明，Tween20与Span20在适当浓度条件下均能够强化沸腾传热过程。鉴于Tween20-Span20 复配表面活性剂可实现更好的分散相稳定性，有必要探究Tween20-Span20对水过冷池沸腾传热特性的影响。图9给出了Tween20-Span20复配表面活性剂作用下水的沸腾曲线与传热系数曲线。首先，在单相对流传热阶段与ONB点附近，图9(a)中各曲线相应部分重合在一起，这表明Tween20-Span20在此阶段对水的传热过程影响很小。继而增加热通量至沸腾发生，可以发现Tween20-Span20对水过冷池沸腾传热的影响不同于Tween20和Span20：相较纯水工况，Tween20-Span20使得壁面过热度大幅增加，且复配表面活性剂浓度越高，过热度升高越显著（添加1 ml·L-1浓度Tween20-Span20 后壁面过热度增加了13.7℃）。同时由图9(b)可知，Tween20-Span20 影响下的沸腾传热系数均低于纯水工况，当Tween20-Span20 浓度为1 ml·L-1时传热系数下降甚至可达16.4%，即在实验浓度范围内，复配表面活性剂均恶化了水的过冷池沸腾传热。需注意，浓度为1 ml·L-1的Tween20 能够将壁面过热度降低8.5℃，并将传热系数提升13.4%；1 ml·L-1Span20 则致使壁面过热度增加了17.3℃，传热系数降低了22.7%，这表明Tween20-Span20复配表面活性剂对纯水工质沸腾传热特性影响由Span20主导。

图9 Tween20-Span20对水过冷池沸腾的影响Fig.9 Effects of Tween20-Span20 on subcooled pool boiling characteristics of water

3.5 气泡演变过程可视化结果分析

为进一步理解前述Tween20、Span20 与复配表面活性剂对纯水工质传热特性影响，图10给出了受单一表面活性剂和复配表面活性剂影响的气泡形貌图像。由图10可见，在q=69 W·cm-2工况下，纯水工质在沸腾表面上相变产生了孤立的气泡；Tween20（0.5 ml·L-1）的加入不仅大幅增加了成核密度，使得沸腾表面上铺满一层细密的气泡（气泡直径相较纯水工况时更小），而且提高了气泡脱离频率，因此表现出优异的沸腾传热强化能力。另外，纯水工质中加入Span20（0.5 ml·L-1）后，在沸腾表面生成了直径较大的气泡，甚至在局部产生了蒸汽膜[图10(c)]，蒸汽膜的存在极大地增加了传热热阻，进而导致传热过程急剧恶化。相比单一Span20 的影响，尽管复配表面活性剂同样会导致大尺寸气泡的生成，但Tween20的存在减小了附着气泡的尺寸，因此复配表面活性剂对纯水传热效果的恶化程度更弱。此外，Span20 与复配表面活性剂作用下的气泡生命周期同样差异显著（图11）。由图11(a)可见，Span20 的加入使得气泡生命周期延长至226.5 ms，这表明Span20 引起的气泡脱离频率下降也是其导致传热恶化的关键。另外，图11(b)的结果表明，将Tween20与Span20组合形成复配表面活性剂有助于缓解Span20 导致的气泡脱离频率大幅下降，但复配表面活性剂作用下的气泡生命周期仍达99.5 ms，故复配表面活性剂同样会引起传热恶化。综上所述，Span20 导致局部产生难以脱离的蒸汽膜是其恶化传热的根源。此外，尽管Tween20 具有优异的沸腾传热强化能力，但按比例将其与Span20 复配并不足以弥补Span20 带来的传热恶化效果，也即复配表面活性剂对纯水工质传热特性影响主要由Span20决定。

图10 表面活性剂作用下的气泡形貌（q=69 W·cm-2）Fig.10 Images of bubble morphology affected by surfactants(q=69 W·cm-2)

图11 Span20和Tween20-Span20作用下的气泡演化过程（q=69 W·cm-2）Fig.11 Evolutions of bubbles affected by Span20 and Tween20-Span20(q=69 W·cm-2)

4 结 论

本文针对过冷状态实验研究了常用于稳定复合工质分散相的Tween20、Span20 单一表面活性剂及两者复配表面活性剂（Tween20-Span20）对纯水工质池沸腾传热特性的影响，所得结论如下。

（1）不同于饱和沸腾情形，当过冷度为50 K时，添加Tween20 能够降低沸腾起始点温度，且Tween20浓度越高，其降低ONB温度效果越显著。

（2）相比饱和池沸腾工况，过冷状态下Tween20强化沸腾传热效果更佳，其作用下的壁面过热度大幅下降；但需注意，随热通量增加，1 ml·L-1Tween20传热强化效果将逐渐减弱，也即表明Tween20 的强化沸腾特性与热通量有关。

（3）Span20 对水过冷池沸腾的影响取决于浓度：低于临界胶束浓度时，Span20 能够强化传热过程；但对于高于临界胶束浓度的Span20，随浓度增加沸腾传热过程将逐步恶化。

（4）尽管Tween20-Span20 复配表面活性剂能够更好地稳定分散相，但其不利于沸腾传热（复配表面活性剂对纯水工质沸腾传热特性影响由所含Span20 主导），且所用复配表面活性剂浓度越高，传热恶化现象越严重。

上述研究结果可为传热强化复合工质过冷池沸腾传热特性分析提供基准对照依据，并为其配制提供相应指导。