疏水表面改性对微通道换热和压降性能的影响

周正龙，舒碧芬，江景祥，黄 妍，喻祖康，崔高峻

(中山大学广东省光伏技术重点实验室，广州 510006)

0 引 言

为了解决现代电子产品如手机和电脑的高密度换热难题，微通道换热技术应运而生。微通道强化换热技术具备换热速率高、结构尺寸微小等优点[1-2]，微通道强化传热手段一般分为有源强化和无源强化两种方法。无源强化又称为“被动型”方法，一般指改变换热表面的表面特性来达到强化传热目的。微通道与常规尺寸的通道中流体的流动相比，表面张力的作用远大于惯性力，通道的尺寸效应对气泡的形状影响明显，正因此微通道内流动沸腾换热过程中的两相流体流动稳定性与传热速率问题更加复杂。

改变换热壁面粗糙度和润湿性都能对微通道流动沸腾带来显著影响，主要体现在压降特性、换热速率两个方面，整个系统的稳定性与微通道压降特性有直接关系，而换热速率是系统最重要的性能指标。文中通过改变微通道壁面的润湿性，即使微通道内壁呈静态接触角为140°的疏水性表面，研究其对微通道换热和压降的影响。

1 实验系统

实验系统如图1由四部分组成：流动循环系统、电加热系统、数据测试采集系统、和微通道实验段。流动循环系统包括储液罐、过滤器、动力泵、冷凝器和微量节流阀。电加热系统包括直流电源、预热器以及实验段处的加热电阻丝。通过预热器控制进入实验段工质的干度，以及通过实验段电阻丝来控制实验段热流。数据测试采集系统包括数据采集仪、高速摄像仪、压差变送器、热电偶、压力传感器、流量计。微通道实验段包含0.55 mm*0.55 mm的微通道以及加热电阻丝。

图1 实验系统原理

文中通过搭建循环回路的微通道试验台，研究疏水表面对微通道换热和压降性能的影响。

2 压降分析

通过改变微量节流阀控制工质的质量流量，改变预热器功率控制实验段进口干度。同时拍摄下不同干度下的工质流体的流型图。实验得到其热流密度为q=6 060 W/m2下压降随进口干度的变化的数据。如图2-3所示。

图2 普通表面微通道压降

图3 疏水表面微通道压降

普通表面微通道和疏水表面微通道的压降均随实验段进口干度的增大而增大。但是，疏水表面微通道的压降明显大于普通表面微通道的压降。这是由于疏水表面具有较大的表面张力，使通道内的汽泡脱离频率低且脱离直径较大[3]，疏水表面拉伸和扰动液相中的汽泡，使其压降明显大于普通表面微通道的压降。

3 换热速率分析

制冷剂从储液罐中流出为饱和状态，由于储液罐到泵出口初始压力测量处的传热和压降均较小，因此可认为制冷剂流至初始压力测量处仍为饱和液体状态。在换热稳定后，忽略实验段与周围空气换热损失，实验段电阻丝对微通道的加热量与微通道内工质与制冷剂对流换热带走的热量相等。将微通道换热看做等截面直肋导热，则微通道换热系数htp可由以下公式算出：

(1)

实验得到普通表面微通道与疏水表面微通道传热系数随实验段进口干度变化。

图4 普通表面微通道传热系数

图5 疏水表面微通道传热系数

微通道的换热速率在干度为0-0.3区间内增大，疏水表面微通道的换热系数平均值较普通表面微通道换热系数平均值高约11.8%。值得注意的是疏水表面微通道换热速率在干度为0.07附近出现极值，这是由于在此干度附近，疏水表面微通道内工质流型为泡状流向环状流剧烈转变的中间过度状态，导致其换热系数出现一极值点。

微通道的换热速率在干度为0-0.3区间内增大，疏水表面微通道的换热系数平均值较普通表面微通道换热系数平均值高约11.8%。值得注意的是疏水表面微通道换热速率在干度为0.07附近出现极值，这是由于在此干度附近，疏水表面微通道内工质流型为泡状流向环状流剧烈转变的中间过度状态，导致其换热系数出现一极值点。

4 结束语

结合实验数据分析，疏水改性对微通道系统性能影响得出以下结论：

(1)相比普通表面微通道，疏水表面微通道的压降有较大增大，其流型也相应的更快的由泡状流转变为环状流。

(2)疏水表面微通道的平均换热系数比普通表面微通道的换热系数高11.8%，具有更好的换热效果，因为其流型由泡状流向环状流的剧烈转变，其换热速率在干度为0.07附近出现一极值点。