黃瑞濤，春江，張崢，李啟凡，溫榮福，馬學(xué)虎

（遼寧省化工資源清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連理工大學(xué)化學(xué)工程研究所，遼寧大連116024）

引 言

沸騰傳熱作為高效的換熱方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中，如熱電站、沸水反應(yīng)堆、電子器件熱管理等[1-5]。由于相變吸收大量潛熱，沸騰具有傳熱系數(shù)高、換熱溫差小的優(yōu)點(diǎn)，是強(qiáng)化傳熱的重要手段。起沸過熱度（ONB）、臨界熱通量（CHF）和傳熱系數(shù)（HTC）是描述其傳熱能力的主要參數(shù)，當(dāng)熱通量高于CHF 時，氣泡發(fā)生劇烈聚并，在固體壁面與液相主體之間形成氣膜，這決定了熱量從固體壁面向液相主體傳遞能力的上限，被稱為沸騰臨界點(diǎn)[6-8]。HTC 體現(xiàn)了沸騰的傳熱效率，通常隨著熱通量的增加而上升，其大小等于熱通量與液相主體和壁面溫度差的比值。ONB 代表著系統(tǒng)由低效率的對流傳熱轉(zhuǎn)換為高效率的沸騰傳熱的臨界點(diǎn)。盡管關(guān)于沸騰傳熱的研究已較為深入，但仍面臨著工作溫度區(qū)間較窄，難以在大范圍的溫度變化條件下保持高效穩(wěn)定傳熱的問題。

在表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)可以提高表面液體供應(yīng)能力并提供有效核化位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)ONB 的降低和CHF的提高[9-19]。但單一水工質(zhì)沸騰起始溫度較高，為進(jìn)一步降低起沸溫度，可采用沸點(diǎn)較低的有機(jī)工質(zhì)作為沸騰工質(zhì)。Thiagarajan 等[20]在銅表面構(gòu)建了厚度為100～700 μm、孔隙率為55%～60%的多孔涂層，在低熱通量時，厚涂層由于較高的核化點(diǎn)密度而具有較高的HTC，在高熱通量時，薄涂層由于較低的工質(zhì)補(bǔ)充阻力而具有較高的CHF。Kiyomura 等[21]在沸騰表面構(gòu)建了方形微米柱陣列，該結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)毛細(xì)抽吸能力進(jìn)而提高HTC，并抑制了氣泡底部干斑的擴(kuò)張以強(qiáng)化CHF。盡管HFE-7100 等有機(jī)工質(zhì)可以在較低的溫度下進(jìn)行沸騰傳熱，但沸騰難以在較高的壁面溫度條件下進(jìn)行。

非共沸不互溶工質(zhì)與單一工質(zhì)相比具有較大的工作溫度區(qū)間，具體表現(xiàn)為：密度大、沸點(diǎn)低、與熱壁面直接接觸的重工質(zhì)層，以及密度小、沸點(diǎn)高、位于重工質(zhì)上方的輕工質(zhì)層，不同沸點(diǎn)的工質(zhì)隨溫度升高先后參與沸騰。同時由于兩種不互溶工質(zhì)的共存使得系統(tǒng)總蒸氣壓提高，其平衡溫度與單一工質(zhì)相比較低，系統(tǒng)在沸騰中始終保持較大的過冷度，可充分降低壁面溫度，低沸點(diǎn)重工質(zhì)使沸騰可在較低溫度下進(jìn)行，避免了起沸過程中壁面溫度的大幅度振蕩[22-23]。其中，重工質(zhì)液層高度對非共沸不互溶工質(zhì)的沸騰曲線有較大影響，Kobayashi 等[24]使用FC-72/水混合工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在總液位100 mm 條件下，當(dāng)重工質(zhì)FC-72 高度為5 mm 和10 mm 時，隨著熱通量的升高，壁面溫度出現(xiàn)幅度為20 K 的突增，隨后沸騰曲線斜率再次增大，這一現(xiàn)象被命名為“中間燒干”。Onishi 等[25]提出，在FC-72/水系統(tǒng)中，隨著熱通量的提高，初始厚度較薄的FC-72 難以對沸騰區(qū)域進(jìn)行有效補(bǔ)充導(dǎo)致“中間燒干”現(xiàn)象，氣泡合并后底部干斑區(qū)域擴(kuò)大，溫度迅速上升，同時由于Taylor 不穩(wěn)定波長的影響，水在穿過FC-72層與過熱壁面接觸后參與沸騰。當(dāng)重工質(zhì)液層厚度過大時，水難以穿過重工質(zhì)層參與沸騰，CHF 無法提高。為了深入探究這一過程，Kawanami 等[26]提出，重工質(zhì)的沸騰達(dá)到其CHF 后，輕工質(zhì)取代重工質(zhì)下沉接觸熱壁面開始沸騰，沸騰曲線斜率再次提高，該過程稱作BRT 過程，且只在重工質(zhì)液層高度低于某一臨界高度時才會發(fā)生。

然而，目前非共沸不互溶工質(zhì)在微納結(jié)構(gòu)表面的沸騰研究較少，尤其在微納復(fù)合表面的氣泡運(yùn)動機(jī)理和沸騰特性研究較為不足。本文使用氣泡模板電沉積方法在銅基表面制備了包含納米顆粒枝束和微米孔洞的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合可視化實(shí)驗(yàn)和沸騰傳熱測試研究了在微納復(fù)合表面HFE-7100/水工質(zhì)的BRT特性和沸騰傳熱能力，為后續(xù)表面設(shè)計，強(qiáng)化非共沸不互溶工質(zhì)沸騰傳熱提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 微納復(fù)合表面的制備與表征

本實(shí)驗(yàn)樣品為邊長15 mm的正方形銅片。首先對表面進(jìn)行粗糙化處理，增大沉積附著面積，后依次使用去離子水、無水乙醇、丙酮對樣品進(jìn)行超聲清洗。沉積池內(nèi)陽極為純銅片，與樣品銅片間距保持2 cm，極板間電流為2.31 A。電解液組成為0.2 mol·L-1CuSO4和1 mol·L-1H2SO4，實(shí)驗(yàn)過程中組成穩(wěn)定，沉積時間為45 s。在沉積過程中，使用磁力攪拌器對沉積池內(nèi)的溶液充分?jǐn)嚢?，以保證溶液體系組成均勻。對于光滑銅表面，使用400#、800#、2000#的砂紙依次打磨，清洗過程同上。

用該方法制備的微納復(fù)合表面具有自適應(yīng)性，在電沉積過程中，直流電源向樣品穩(wěn)定輸入負(fù)電荷，作為結(jié)構(gòu)基本單元的銅納米顆粒在副產(chǎn)物H2氣泡外圍的電解液內(nèi)析出后，沿氣泡外側(cè)邊緣自組裝堆積生長，隨著H2氣泡不斷生長脫離，樣品表面形成較為規(guī)整的多孔結(jié)構(gòu)，見圖1(a)。沸騰過程所發(fā)生的氣泡核化脫離過程與電沉積相似，電沉積產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)不僅為沸騰過程中氣泡的核化脫離提供了核化位點(diǎn)，而且使工質(zhì)能夠在抽吸作用下沿銅納米顆粒堆積而成的多孔通道向核化區(qū)域快速補(bǔ)充，其方向與電沉積中銅納米顆粒沉積方向相同，隨后在毛細(xì)力二次潤濕的作用下輸送至氣泡底部的微液膜處進(jìn)行蒸發(fā)促進(jìn)氣泡生長，見圖1(b)。表面結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性促進(jìn)了工質(zhì)氣泡的核化、生長、脫離等過程，也最大限度地避免了氣泡的高頻率運(yùn)動對表面結(jié)構(gòu)的破壞。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡SEM（NOVA Nano SEM 450）分析光滑銅表面與微納復(fù)合表面的表面形貌。如圖1(c)～(e)所示，直徑約300 nm 的銅顆粒自組裝形成枝束狀結(jié)構(gòu)，枝束狀結(jié)構(gòu)聚集形成微米孔洞結(jié)構(gòu)，枝束狀結(jié)構(gòu)的尺寸為3～5 μm，間距1～2 μm，所形成的微米孔洞直徑約為(80±10) μm，且大孔洞內(nèi)部由小孔洞相互連通。使用接觸角測量儀（DATA Physics OCA 25）測量水和HFE-7100 在光滑銅表面和微納復(fù)合表面的接觸角[圖2(a)、(b)]，其中水在光滑銅表面的接觸角為74°,在微納復(fù)合表面的接觸角為0°；HFE-7100 在光滑銅表面的接觸角為15°,在微納復(fù)合表面的接觸角為0°。另外，測試了雙工質(zhì)環(huán)境下HFE-7100 和水對固體壁面的潤濕性[圖2(c)、(d)]，光滑銅表面水環(huán)境下HFE-7100 的接觸角為144°；微納復(fù)合表面水環(huán)境下HFE-7100 的接觸角為0°；光滑銅表面HFE-7100 環(huán)境下水的接觸角為147°；HFE-7100 環(huán)境下水對微納復(fù)合表面不發(fā)生潤濕過程?？梢?，對于微納復(fù)合表面，HFE-7100較水具有優(yōu)先潤濕性。

圖1 微納復(fù)合表面自適應(yīng)性及不同放大倍數(shù)掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 Self-adaption and SEM images with different magnification of micro/nano structured hierarchical surfaces

圖2 接觸角Fig.2 Contact angle

1.2 沸騰傳熱測試

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3(a)所示，主要包括沸騰腔，制冷機(jī)（予華DFY-10L/25），彈狀加熱棒（Z200403 220 V 150 W），輔助加熱棒（48 V 100 W），直流電源，T 型熱電偶及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（KEYSIGHT 34970A），可視化系統(tǒng)包括高速攝像（Photron APX RS）、單反相機(jī)（佳能80D）、光源。將樣品焊接后，密封樣品與沸騰腔壁面間的空隙。在實(shí)驗(yàn)開始前，使用輔助加熱棒將沸騰腔內(nèi)的混合工質(zhì)沸騰1 h 以去除不凝氣。在沸騰實(shí)驗(yàn)開始后，加熱功率上升，當(dāng)溫度示數(shù)在5 min 內(nèi)變化幅度小于0.2 K 時視為穩(wěn)定，記錄溫度采集數(shù)據(jù)，熱通量由式(1)和式(2)計算，壁面溫度TW由式(3)計算。

式中，q"為導(dǎo)熱銅柱的熱通量；kCu為銅的熱導(dǎo)率，在本實(shí)驗(yàn)中kCu=401 W?m-1?K-1；Ti為測溫點(diǎn)溫度（i=1，2，3，4，5）；Δx為導(dǎo)熱銅柱內(nèi)熱電偶測溫點(diǎn)的間距（5 mm），x13=x24=x35=2Δx=10 mm[圖3(b)];q為正方形沸騰表面的熱通量;Sc為加熱銅柱的橫截面積（1.77 cm2）;Sr為正方形沸騰表面面積（2.25 cm2）;Δx0是最上端熱電偶到銅加熱棒頂部的距離（12 mm）;δ1是銅樣品厚度（3 mm）;δ2是焊錫厚度（0.2 mm）;ksolder為焊錫的熱導(dǎo)率，ksolder=50 W?m-1?K-1。

圖3 沸騰傳熱測試系統(tǒng)Fig.3 Tested system of boiling heat transfer performance

1.3 實(shí)驗(yàn)臺校驗(yàn)

通過水在光滑銅表面的沸騰傳熱，測試系統(tǒng)的可靠性，如圖4 所示。測試得到水的CHF 為114.7 W?cm-2，與Li 等[27]的測試結(jié)果116 W?cm-2、Zuber[28]的預(yù)測結(jié)果110 W?cm-2接近。本實(shí)驗(yàn)所使用的T型熱電偶誤差為0.05 K，使用均方根法計算誤差[29]，熱通量、壁面溫度最大誤差分別為5.7%、7.2%。

圖4 光滑銅表面水沸騰曲線及模型對比Fig.4 The boiling curve of water on smooth surface and comparison with the model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 BRT過程及現(xiàn)象分析

考慮到重工質(zhì)氣泡運(yùn)動易受工質(zhì)對流擾動和液-液相界面不穩(wěn)定性的影響，Kawanami 等[26]根據(jù)Kelvin-Helmholtz 不穩(wěn)定方程建立了BRT 過程重工質(zhì)液層臨界厚度預(yù)測模型：

其中，q為重工質(zhì)的CHF，由Zuber模型[28]計算得到，根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)條件及物性，計算得到HFE-7100/水體系的h1lim為3.24 mm，當(dāng)重工質(zhì)厚度低于3.24 mm 時，可發(fā)生BRT 過程。本實(shí)驗(yàn)在總液相高度保持40 mm 條件下，將重工質(zhì)HFE-7100 的液層高度覆蓋3.2 mm 取0.5、1、3、5 mm，分別命名為mixture-0.5mm、 mixture-1mm、 mixture-3mm、mixture-5mm，在微納復(fù)合表面上進(jìn)行沸騰傳熱測試。

圖5(a)為HFE-7100/水在光滑銅表面沸騰且發(fā)生BRT 過程時的沸騰曲線。根據(jù)沸騰工質(zhì)的不同，曲線可分為重工質(zhì)沸騰區(qū)、BRT 區(qū)、輕工質(zhì)沸騰區(qū)。以常壓下重工質(zhì)HFE-7100 的沸點(diǎn)為基準(zhǔn)（334 K），觀察光滑銅表面在mixture-3mm 下的氣泡生長過程可知，當(dāng)ΔT=14.3 K 時，HFE-7100 起始核化，隨著壁面溫度的提高，熱通量逐漸增加，處于重工質(zhì)HFE-7100 沸騰區(qū)，HFE-7100 氣泡在光滑銅表面上依次經(jīng)歷了核化、靠攏、聚并、脫離的過程，如圖6(a)所示；當(dāng)ΔT=48 K時，HFE-7100“中間燒干”形成氣膜，氣膜膨脹形成氣泡脫離，此時水穿過氣膜下沉與熱壁面接觸，系統(tǒng)處于BRT 區(qū)，如圖6(b)所示；當(dāng)ΔT=69 K 時，水對熱壁面實(shí)現(xiàn)完全潤濕，在液相主體過冷度的作用下，水劇烈沸騰形成大量小氣泡，系統(tǒng)處于輕工質(zhì)沸騰區(qū)，如圖6(c)所示[25]。圖5(b)為微納復(fù)合表面在mixture-3mm 條件下的沸騰曲線，此時BRT 過程發(fā)生，其趨勢與圖5(a)相似，當(dāng)ΔT=10.3 K時起始核化，系統(tǒng)處于重工質(zhì)沸騰區(qū)，HFE-7100 能夠?qū)ξ⒓{復(fù)合表面進(jìn)行潤濕，與光滑銅表面相似，其氣泡同樣經(jīng)歷了核化、靠攏、聚并、脫離的過程，如圖6(d)所示；當(dāng)ΔT=28.5 K時，重工質(zhì)“中間燒干”，輕工質(zhì)下沉替代重工質(zhì)與熱壁面接觸，系統(tǒng)進(jìn)入BRT 區(qū)，傳熱由重工質(zhì)沸騰和輕工質(zhì)的對流共同實(shí)現(xiàn)[26]，傳熱能力增幅較低，沸騰曲線斜率下降，重工質(zhì)對壁面的二次潤濕能力下降，此時部分微納復(fù)合表面已被HFE-7100 氣膜覆蓋（表面明亮區(qū)域），與光滑銅表面相似，氣膜體積增大后形成氣泡并脫離熱壁面，如圖6(e)所示；當(dāng)ΔT=70.3 K，BRT 過程結(jié)束，輕工質(zhì)的沸騰成為主要傳熱方式，沸騰曲線斜率再次升高，系統(tǒng)進(jìn)入輕工質(zhì)沸騰區(qū)，重工質(zhì)失去對壁面的二次潤濕能力，表面完全被重工質(zhì)氣膜覆蓋，水穿過氣膜與壁面接觸后形成氣泡并快速脫離，如圖6(f)所示。當(dāng)重工質(zhì)裝填厚度超過h1lim時，BRT 過程不發(fā)生，以微納復(fù)合表面mixture-5mm 為例，重工質(zhì)劇烈沸騰產(chǎn)生氣柱沖破輕工質(zhì)進(jìn)入氣相，如圖6(g)所示。

圖5 HFE-7100/水沸騰曲線Fig.5 Boiling curves of HFE-7100/water

圖6 HFE-7100/水沸騰氣泡生長過程Fig.6 Bubbles growth process during HFE-7100/water boiling

2.2 微納復(fù)合表面HFE-7100/水沸騰潤濕性競爭過程及氣泡行為

在微納復(fù)合表面的沸騰過程中，HFE-7100 與水對熱壁面的潤濕存在競爭關(guān)系，隨著ΔT的提高發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。圖7為mixture-0.5mm 條件下HFE-7100與水對熱壁面的潤濕隨ΔT的轉(zhuǎn)換情況，如圖7(a)所示，當(dāng)ΔT較低時，HFE-7100 對壁面具有更強(qiáng)的潤濕，可完全覆蓋熱壁面并發(fā)生核化產(chǎn)生氣泡，小氣泡聚并達(dá)到臨界直徑后穿透液-液相界面上浮脫離。隨著ΔT的升高和沸騰的加劇，HFE-7100 有限的液量難以對熱壁面實(shí)現(xiàn)完全覆蓋，因此僅部分區(qū)域被HFE-7100 覆蓋沸騰，氣泡脫離直徑較大；其他區(qū)域由水覆蓋沸騰，由于水覆蓋區(qū)域內(nèi)不存在液-液相界面的阻擋，且HFE-7100/水體系較低的平衡溫度使得水氣泡在脫離壁面之前被冷卻，因此氣泡直徑較小，更新頻率更快[25]，此時兩種工質(zhì)對壁面潤濕的競爭較為激烈，水、HFE-7100、固體壁面交界處存在液-液-固三相線，如圖7(b)虛線標(biāo)注，三相線隨著潤濕的競爭發(fā)生周期性移動。當(dāng)HFE-7100 氣泡生長時[圖7(b)]，三相線向水的沸騰區(qū)域移動；當(dāng)HFE-7100 氣泡即將脫離時（20 ms），三相線向HFE-7100 的沸騰區(qū)域移動；在HFE-7100 的大氣泡脫離的瞬間（40 ms），三相線向HFE-7100 的沸騰區(qū)域大幅度收縮，水對壁面的潤濕得到強(qiáng)化；在HFE-7100 氣泡完全脫離后（60 ms），隨著后續(xù)HFE-7100工質(zhì)的補(bǔ)充，HFE-7100 對壁面的潤濕再次增強(qiáng)。三相線的周期性移動隨著壁面溫度的提高逐漸向HFE-7100 的沸騰區(qū)域收縮，HFE-7100 對壁面的潤濕不斷下降，當(dāng)ΔT達(dá)到75.7 K 時，水對熱壁面實(shí)現(xiàn)完全潤濕，如圖7(c)所示，水發(fā)生劇烈沸騰并產(chǎn)生蘑菇云狀的大氣泡。

圖7 mixture-0.5mm沸騰HFE-7100與水的潤濕性競爭Fig.7 Wetting competition between HFE-7100 and water at mixture-0.5mm boiling

為探究沸騰傳熱能力的差異，本文使用高速攝像記錄了微納復(fù)合表面在mixture-1 mm 和mixture-3 mm 下氣泡脫離頻率和脫離直徑隨壁面溫度的變化規(guī)律。由圖8(a)所示，對于mixture-1 mm 和mixture-3 mm，隨著壁面溫度的升高，與BRT過程的沸騰曲線趨勢相似，氣泡的脫離頻率經(jīng)歷了先上升，再保持恒定，后繼續(xù)增加的過程，且不同階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)的ΔT與沸騰曲線各階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)的ΔT一致，同時mixture-1mm 的氣泡脫離頻率始終高于mixture-3mm，這是因?yàn)檩^薄裝填厚度使得重工質(zhì)液層整體更接近于導(dǎo)熱邊界層，氣泡核化生長的過程處于慣性控制階段，其氣-液相界面發(fā)生整體蒸發(fā)相變，氣泡生長速度得到提高，而沸騰是通過氣泡的運(yùn)動將熱量帶離熱壁面，故沸騰傳熱能力得以強(qiáng)化[30]；對于mixture-0.5 mm，在壁面溫度較低時氣泡脫離頻率與mixture-1 mm 接近，隨著ΔT持續(xù)升高，重工質(zhì)液層難以在沸騰表面穩(wěn)定存在，因此脫離頻率大幅下降，隨著水發(fā)生沸騰再次提高。如圖8(b)所示，隨著壁面過熱的變化，mixture-1 mm 和mixture-3 mm 的氣泡脫離直徑始終保持一致，Greene 模型[31]提出，氣泡穿透液-液相界面的前提是向上的浮力與向下的界面張力達(dá)到平衡，計算得出HFE-7100/水相界面的氣泡穿透直徑6.7 mm，本文測試結(jié)果與之接近；對于mixture-0.5 mm，當(dāng)熱通量較低時，重工質(zhì)液層穩(wěn)定存在，氣泡穿透液-液相界面過程符合Greene模型描述，故脫離直徑與mixture-1 mm，mixture-3 mm 接近，當(dāng)熱通量較高時，水與壁面接觸參與沸騰產(chǎn)生體積較大的蘑菇云，氣泡脫離直徑大幅增加。

圖8 氣泡動力學(xué)對比Fig.8 Comparison of the bubbles dynamic

2.3 微納復(fù)合表面HFE-7100/水沸騰特性

如圖9所示，可以根據(jù)沸騰曲線斜率變化得出，mixture-0.5 mm、mixture-1 mm、mixture-3 mm 發(fā)生了BRT 過程，mixture-5mm 未發(fā)生BRT 過程，符合Kawanami 模型的預(yù)測結(jié)果。對于微納復(fù)合表面，HFE-7100 單一工質(zhì)在ΔT為7.6 K 時開始沸騰，在ΔT為21 K 時達(dá)到沸騰臨界點(diǎn)，CHF 為38.2 W?cm-2；單一工質(zhì)水在ΔT超過40 K 后開始沸騰，在ΔT約為90 K 時達(dá)到沸騰臨界點(diǎn)，CHF 為136.3 W?cm-2。與單一工質(zhì)相比，HFE-7100/水體系可在單一工質(zhì)無法覆蓋的ΔT=20～40 K 區(qū)間內(nèi)進(jìn)行高效的沸騰傳熱。mixture-5mm 未發(fā)生BRT 過程，其沸騰曲線與HFE-7100 單一工質(zhì)的沸騰曲線接近，且傳熱效率高于HFE-7100單一工質(zhì)，這是由于mixture-5mm的重工質(zhì)液量較大，體系與單一工質(zhì)接近，同時非共沸不互溶工質(zhì)體系較低的平衡溫度可促使沸騰壁面溫度降低。當(dāng)重工質(zhì)裝填為mixture-0.5mm、mixture-1mm 和mixture-3mm 時，BRT 過程可發(fā)生，沸騰可在ΔT=10～90 K 內(nèi)高效進(jìn)行，其起始核化溫度與mixture-5mm 和HFE-7100 單一工質(zhì)接近。mixture-1mm 和mixture-3mm 的重工質(zhì)可在ΔT低于30 K 條件下充分沸騰，熱通量提高較快，當(dāng)BRT 過程發(fā)生時，出現(xiàn)了30～40 K 的溫度激增，隨后水穿過HFE-7100 氣膜與熱壁面接觸參與沸騰，熱通量再次提高，另外mixture-1mm 的重工質(zhì)氣泡生長脫離較快，故mixture-1mm 的沸騰傳熱能力整體強(qiáng)于mixture-3mm。對于mixture-0.5mm，由于HFE-7100液量較少，無法在起始核化后維持高效的沸騰傳熱，故當(dāng)ΔT低于43.7 K 時，其熱通量低于mixture-1mm 和mixture-3mm，當(dāng)ΔT達(dá)到43.7 K 后，較少的HFE-7100 的液量使得氣膜難以穩(wěn)定存在，水更容易下沉與熱壁面接觸潤濕，故沸騰劇烈進(jìn)行，傳熱能力迅速提升，最終CHF 達(dá)到73.5 W?cm-2，遠(yuǎn)高于mixture-1mm 的20.4 W?cm-2和mixture-3mm 的8.2 W?cm-2。

圖9 微納復(fù)合表面不同裝填厚度下的HFE-7100/水沸騰曲線對比Fig.9 Comparison of boiling curves of HFE-7100/water on micro/nanostructured hierarchical surface

3 結(jié) 論

（1）對于微納復(fù)合表面上HFE-7100/水混合工質(zhì)沸騰，當(dāng)BRT 過程發(fā)生時，HFE-7100 對表面的二次潤濕能力隨著ΔT的升高逐漸下降，表現(xiàn)為壁面逐漸被氣膜覆蓋，系統(tǒng)先后經(jīng)歷了重工質(zhì)沸騰過程、BRT 過程、輕工質(zhì)沸騰過程，且氣泡形成過程先后經(jīng)歷了重工質(zhì)核化、聚并、脫離形成，氣膜膨脹形成，輕工質(zhì)穿過氣膜與壁面接觸核化形成三個過程。

（2）HFE-7100 氣泡穿過液-液相界面是浮力與液-液界面張力的平衡，較薄的重工質(zhì)液層更接近于導(dǎo)熱邊界層，有利于氣泡內(nèi)氣-液相界面蒸發(fā)，導(dǎo)致mixture-1mm 氣泡脫離頻率和傳熱能力高于mixture-3mm；對于mixture-0.5mm，當(dāng)BRT過程發(fā)生時HFE-7100 與水在熱壁面處存在潤濕競爭，隨著ΔT升高HFE-7100 的潤濕能力逐漸下降，水穿過HFE-7100 氣膜后對熱壁面潤濕，劇烈沸騰產(chǎn)生尺寸較大的氣泡。

（3）當(dāng)重工質(zhì)厚度過大不發(fā)生BRT 過程時，HFE-7100/水的沸騰曲線與單一HFE-7100 趨勢相近；當(dāng)BRT 過程發(fā)生時，HFE-7100/水沸騰具有較寬的工作溫度區(qū)間，可對單一工質(zhì)HFE-7100 和水的沸騰溫度區(qū)間,以及ΔT≈20～40 K 的空白區(qū)間實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。對于mixture-0.5mm，當(dāng)熱通量較低時，較少的裝填厚度使得重工質(zhì)液層難以在熱壁面上穩(wěn)定存在，沸騰傳熱性能較差；當(dāng)熱通量較高時，較少的HFE-7100 液量難以維持氣膜穩(wěn)定存在，水容易穿過HFE-7100 氣膜接觸熱壁面參與沸騰，故CHF較高，可達(dá)到73.5 W?cm-2。

符 號 說 明

A——沸騰傳熱面積，m2

g——重力加速度，m?s-2

hlg——重工質(zhì)汽化潛熱，J?kg-1

h1,h1lim——分別為重工質(zhì)液層高度、BRT 重工質(zhì)液層臨界高度，mm

kCu,ksolder——分別為銅和焊錫的熱導(dǎo)率，W?m-1?K-1

q",q——分別為導(dǎo)熱銅柱的熱通量和正方形沸騰表面的熱通量，W?cm-2

Sc,Sr——分別為加熱銅柱的橫截面積和正方形沸騰表面的面積，cm2

Ti,TW,ΔT——分別為測溫點(diǎn)溫度，沸騰壁面溫度和壁面過熱，K

Δx,Δx0——分別為測溫點(diǎn)間距和上端熱電偶到銅加熱棒頂部距離，mm

δ1,δ2——分別為銅樣品厚度和焊錫厚度，mm

ρ1,ρ2——分別為重工質(zhì)和輕工質(zhì)的密度，kg?m-3

σ1——重工質(zhì)表面張力，N?m-1