沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响_谢鸿玺.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：基金项目：国家重点研发计划项目（，）；安徽省自然科学基金青年项目（）作者简介：谢鸿玺（），男，硕士，高级工程师，主要从事高效传热和节能研究，电话：，：。节能减排沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响谢鸿玺，王炳忠，谢宝刚，付 炜，周 坤（合肥通用机械研究院有限公司 合肥通用机电产品检测院有限公司，安徽 合肥；海军航空大学青岛校区，山东 青岛）摘要：多孔表面是提高沸腾传热性能的有效表面改性技术。为探究多孔表面的制备参数对沸腾传热性能的影响，应用电化学沉积法在不同的沉积时间和电流下制备了多孔表面，并在常压下对去离子水进行了池沸腾实验。与普通表面相比，多孔表面显著提高了沸腾传热性能。最大临界热流密度（）和最高传热系数（）分别达到 和 （），比光滑表面分别提升了 和。和 对多孔表面的增强归因于气化核心数量增加、传热面积的增加和毛细芯吸力的增强。关键词：相变；传热；表面；沉积时间；沉积电流中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，（）（）（），：；核态沸腾能够在较小的温差下传输较大的热流密度，因此经常被应用于工业领域热能耗散系统的冷却。然而，核态沸腾的热流密度存在一个临界值，即临界热流密度（）。当热流密度超过 时，传热机理由核态沸腾转化为膜态沸腾，传热表面被气膜所覆盖，传热恶化导致温度急剧上升，甚至会烧坏传热设备。因此，如何提升沸腾传热的临界热流密度是目前沸腾传热领域的研究热点。为了提升沸腾传热的，许多表面改性技术被开发，包括结构化表面、多孔表面、亲疏水表面、纳米流体等。在多种表面改性技术中，多孔表面是最有效的表面改性技术之一。目前，不同制备多空表面的技术被报道，包括化学气相沉积、喷涂涂层、粘合剂基、高温烧结和阳极氧化。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：等研究了化学气相沉积法制备的碳纳米管涂层表面的沸腾传热性能，实验结果表明 增加了。和 通过在加热器表面喷涂金属粉末颗粒、粘合剂和载体的混合物，制备增强表面。实验结果表明，多孔表面的 比普通表面提高了约。等研究了带有 形槽的金属泡沫表面的沸腾传热。金属泡沫焊接在加热器的上表面。与光滑表面相比，沟槽金属泡沫的 延迟。等对烧结铜微孔涂层进行了池沸腾实验。在粒径和涂层厚度的最佳组合下，的最高值约为 。电化学沉积法具有操作简便、工艺成本低、在室温下可操作等优点，因此常被应用制作多孔表面。等在电化学沉积表面上进行了 的池沸腾实验，提高。等研究了微孔表面的沸腾特性。实验结果表明，电沉积多孔表面的最高 为 ，与光滑表面相比提高。和 研究了 在铜微孔表面层上的沸腾性能。（）比光 滑 表 面（）高。等研究了两步电沉积技术对沸腾特性的影响，最大热流密度为 。基于上述研究发现，运用电化学沉积法制备的多孔表面能够有效提升沸腾传热。在本研究中，通过电化学沉积在 个不同沉积时间和 个不同沉积电流下形成多孔表面。实验研究了沉积时间和沉积电流对沸腾传热特性的影响，进而解释 的提升机理。实验装置 实验装置图 为实验装置。图 实验装置原理图 沸腾容器是圆柱形的玻璃容器，其高度为，内径为 。本研究以蒸馏水为工质，高出传热表面 。沸腾过程中产生的蒸汽通过冷凝器，被冷凝回流到容器内。沸腾容器内设置功率 的辅助加热器，用于在实验过程中保证测试液体处于饱和状态。型热电偶浸入到液体内测量饱和温度。为了保持容器内工质体积恒定，沸腾容器的顶部设置有冷凝器，其内通过的冷却水温度为 。沸腾表面为直径 的圆形向上多孔表面，其采用电化学法制备，种不同的沉积电流 ，和 种沉积时间 ，被应用。一个设有 根棒状加热棒的紫铜传热块置于下部。利用锡焊技术多孔表面被焊接到紫铜传热块的顶部。如图 右侧放大示意图所示，紫铜传热块上部为直径 的圆柱体，中心轴上有 个间距为 热电偶（、和），测温点位置与其温度之间的关系即可确定表面温度和通过表面的热流密度。此外，为了减少传热块的热量损失，传热块的侧面和底部都覆盖了陶瓷纤维。实验过程中，数据采集的频率为 。实验步骤和数据处理实验在大气压条件下进行，使用饱和状态的蒸馏水。实验前，打开辅助加热器，使液体沸腾，以尽可能多地排出不凝性气体。在实验过程中，加热功率逐渐增加，加热功率保持恒定至少，直到达到准稳态。达到 后立即关闭加热器，以防止加热器和热电偶损坏。被定义为传热块温度急剧上升之前稳态条件下的最高热流密度。本研究中，运用最小二乘法，通过确定测温点位置与其温度之间的关系来获得传热板的温度梯度，进而计算得到传热流密度 （）式中：为紫铜的导热系数。平均传热系数 通过式（）计算得到，（）（）式中：为平均壁面温度；为水的饱和温度。结果与讨论在本研究中，池沸腾实验在电化学沉积制备的不同多孔表面被执行。沉积时间和沉积电流对沸腾特性的影响被研究，基于以下测量结果解释相应的沸腾传热提升机理。谢鸿玺等 沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响 投稿平台：沉积时间的影响图 显示了在不同沉积时间测量的核沸腾区域内多孔表面的沸腾特性。图（）、（）和（）分别表示沉积电流 ，的沸腾特性。均匀紫铜传热板的沸腾曲线作为对照也被展现在图中。结果表明，与光滑表面相比，多孔表面的沸腾传热性能（和）显著提高。图 多孔表面的沸腾特性 在低热流密度区，多孔表面发生核沸腾所需的壁面过热度较小。多孔表面核态沸腾起始点的壁面过热度 ，光滑表面对应的壁面过热度 。这是因为多孔表面沉积铜颗粒之间形成了大量微孔，气泡成核和生长所需的能量降低，从而促进了核态沸腾现象的开始。在高热流密度区，多孔表面的 显著增强。对于光滑表面，在重力作用下液供向传热面供给。然而，多孔表面分布的微孔可以增加传热面积，并产生额外的毛细芯吸力增强液体向传热面的供给。此外，值随着沉积时间的增加而增加。以沉积电流 的多孔表面为例，在沉积时间 ，时，多孔表面的 值分别为.，。这是因为在电化学沉积过程中，沉积层厚度随着沉积时间的增加而增加。沉积层中形成大量的微孔和纳米结构使得传热面积增大。图 为传热系数 随壁面过热度 的变化。图 传热系数随壁面过热度的变化 从图 中可以看出，在整个核沸腾区域所有多化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：孔表面的沸腾传热系数明显高于光滑表面。这主要归因于较高的成核点密度、增加的传热面积和毛细芯吸力。在低热流密度区域，由于多孔涂层表面含有大量不同尺寸的空腔，部分尺寸空腔在较低壁面过热度下发生核态沸腾，进而多孔表面的传热系数高于光滑表面。在高热流密度区域，由于附加毛细芯吸力的作用，液体容易向传热表面体供给保持良好的湿润状态，从而延迟干涸状态的发生，获得良好的传热性能。此外，在不同的沉积电流 下，最高传热系数对应的壁面过热度随着沉积时间的增加而增加。由于多孔结构中的空隙，多孔结构的热导率通常低于致密结构。在低热流密度区域，多孔涂层热阻引起的温差较小。随着热流密度的增加，多孔涂层的热阻效应变得越来越重要。因此，较厚的多孔涂层会增加最高传热系数对应的壁面过热度。沉积电流 的影响图 显示了沉积电流对沸腾特性的影响。图（）、（）、（）和（）分别为沉积时间 ，的沸腾特性。与光滑表面相比，多孔表面的沸腾曲线均急剧上移，表明不同沉积电流（，）下制备的多孔表面的传热性能（和）明显增强。图 沉积电流对沸腾特性的影响 沉积电流对多孔表面的 产生明显影响。以图（）为例，在沉积电流 ，时，分别为 ，与光滑表面相比 分别增加了、和。这主要归因于增大的传热面积和增强的毛细芯吸力。随着沉积电流的增加，沉积层厚度增加，空腔相互连接，从而增加传热面积，增强毛细芯吸力。表面形貌和传热面积变化的综合效应将影响增强核态沸腾传热和增加 的潜力。图（）、（）也呈现出类似的趋势。此外，随着沉积时间 的增加，沉积电流 对 的影响有不同的趋势。沉积时间 ，种不同电流的 值略有差异。随着沉积时间 的增加，沉积电流 ，时 值接近，但在沉积电流 时获得更高的。在沉积时间 时，种不同沉积电流的 值存在明显差异。这主要是由于传热面积和毛细芯吸力的综合作用。图 显示了不同沉积时间 下传热系数随壁面过热度的变化。从图 中可以看出，传热系数 谢鸿玺等 沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响 投稿平台：受沉积电流 的影响，沉积电流 的多孔表面显示出最高的。以图（）为例，沉积电流 、和 时，传热系数分别为，（）。多孔表面的 受成核点数量和多孔涂层热阻的共同影响。对于较薄的多孔表面，它包含较少的活性空腔，且具有较低的热阻。然而，较厚的多孔表面包含更多的活性空腔，并且具有更高的热阻。因此，沉积电流 的多孔表面具有相对较高数量的活性成核位点以及中等厚度的多孔涂层，展现了较大的。类似的趋势如图（）、（）和（）所示。图 沉积电流对 的影响 此外，沉积电流对 的影响随沉积时间而变化。沉积时间 ，时沉积电流对 的影响大于 ，。这主要是因为在 ，种不同沉积电流的多孔表面上沉积的铜颗粒较少，因此多孔表面的表面特征和涂层厚度略有差异。相反，在 ，种不同沉积电流的多孔表面上沉积的铜颗粒更多，增加了微孔和毛细芯吸的数量。因此，沉积电流对 的影响相对较小。的变化图 显示了在 种不同沉积电流 下所有表面的 随沉积时间 的变化。在定量分析中，以光滑表面的（）作为参考值，多孔表面的 高于光滑表面的。此外，沉积时间 对 有显著影响，在相同的沉积电流 下，随 的增加而增加。以沉积电流 为例，多孔表面的 显著增强，时，对应的 分别为，与光滑平面相比 提升了。图 随沉积时间的变化 此外，对于相同的沉积时间，随着沉积电流 的增加 呈上升趋势。在沉积电流 和沉积时间 时，最大的 可达 ，与光滑平面相比提升。化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：结论（）与光滑表面相比，多孔表面显著提高了沸腾传热性能。和最高分别提升了 和。（）随着沉积时间和沉积电流的增加，呈现上升趋势，这归因于传热面积的增加和毛细芯吸力的增强。本研究中最大 为 。（）沉积层的热阻和微孔数两对 有一定的影响。在沉积电流 和沉积时间 时，最高的 为 （）。参考文献：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：谢鸿玺，谢宝刚，付炜，等 多孔表面沸腾临界热流密度提升的试验研究 化学工程，（）：，：广告索引华陆工程科技有限责任公司封面华陆工程科技有限责任公司封二、前插 化学工程移动办公上线前插 评石油加工生产技术前插 评英汉化工设计施工图解词汇前插 评化工行业循环经济前插 评化学教育实践研究前插 评运动生物化学前插 评音乐教育的意义与价值探秘 雷默文选与反思前插 评新编化学化工专业英语前插 评化学化工类课程思政精选案例前插 评音乐文化的多维度分析前插 评化工英语前插 天津市新天进科技开发有限公司前插 化工专业学生思政教育创新策略后插 高分子材料的物理性质分析后插 苏州安特威工业智能科技股份有限公司封三华陆工程科技有限责任公司封底