单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

陈宏霞;孙源;宫逸飞;黄林滨

【摘要】针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理.由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109％、129％和140％.动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长.微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化.

【期刊名称】《化工学报》

【年(卷),期】2019(070)004

【总页数】9页(P1309-1317)

【关键词】微结构;池沸腾;气泡动力学;局部温度;高速红外

【作者】陈宏霞;孙源;宫逸飞;黄林滨

【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206

【正文语种】中文

【中图分类】TK121

引言

沸腾相变传热是一种高效传热手段，被广泛应用于高效换热器[1-3]、快速冷却[4]以及能源存储等领域。随着新材料技术如等离子蚀刻[5]、电化学沉积[6-7]、模板烧结[8-9]、激光加工[10]、光刻技术[11]等的不断发展，目前新型材料具有向着极限尺度（极大或极小尺度）发展的趋势。对于沸腾过程而言，其两大关键因素汽化核心和过热度均对小尺寸结构更敏感，具有复杂微纳尺度的结构表面[12-15]已然

成为沸腾研究的重点和热点。

Kim等[16]对不同微纳结构加热表面（25 mm×28 mm）的沸腾过程与其影响因

素进行了深入研究，认为微纳表面强化沸腾的影响因素主要有两点：一是微钠米多孔的存在增大了表面传热面积；二是微结构表面毛细力的存在促进了周围过冷液体向干斑区的回流。定量分析结果表明，有效传热面积提高对强化沸腾的影响在30%以下，而毛细作用的强化作用在70%以上。Dong等[17]和Honda等[18]通过观察不同微结构单晶硅的沸腾现象发现微米表面与纳米表面在强化沸腾时的机理并不相同：微米表面主要是通过增加有效传热面积实现强化沸腾；而纳米表面则是由于毛细力作用吸引周围液体再润湿干烧区快速降温阻止了液膜形成，从而降低过热度，延缓了沸腾的恶化。Hutter等[19]、Lie等[20]和Yu等[21]分别对微坑和微柱单

晶硅表面进行了沸腾实验，发现微坑的存在为沸腾气泡的生成提供了稳定核化点，有效地降低了起始沸腾过热度，但微坑的高度对气泡的脱离直径及脱离频率几乎没有影响，而微柱表面有效地减小了气泡脱离直径，提高了气泡脱离频率，且微柱尺寸越小，对沸腾的强化作用越明显。

Zhao等[22]通过观察制冷工质在光滑ITO玻璃表面的气泡动力学[23-24]，提出

了一个新的动态微液层模型用以预测核态沸腾的传热过程。Gerardi等[25-26]首

次利用红外测温及高速摄像同步采集设备观察了光滑蓝宝石表面在去离子水中沸腾时的气泡运动过程和传热表面局部温度变化规律，计算分析了固汽界面上微液层蒸发、气液界面上微对流换热及瞬态热传导过程在气泡整个生长周期中传热量的贡献比，结果表明瞬态热传导在整个气泡生成过程中总换热量的占比超过90%。Jung 等[27]观测FC-72在单晶硅加热表面上沸腾时的热通量和温度分布规律，认为在沸腾过程中液相区的传热量在整个沸腾过程中占主导地位，气泡通过扰动流场和互相合并等过程而增大液相面积。Dhillon等[28]采用红外和高速设备研究了沸腾过程中的气泡干斑区加热和再润湿现象，并提出了一个新的用以预测沸腾临界热通量的计算式。Jung等[27]和Golobic等[29]都分析了沸腾表面过程中表面局部过热度的不均匀性，认为相比平均过热度，在低热通量段，局部过热度对气泡的形成和长大影响更大。

可见沸腾相变换热具有极高的换热效率，但对沸腾过程中气泡动力学和局部换热机理还有待进一步研究。本文利用涂覆导电膜的单晶硅作为沸腾基底表面，设计搭建可同时观测沸腾动力学过程和温度演变过程的可视化池沸腾实验台；并通过对不同结构单晶硅表面的核态沸腾过程中气泡运动过程及气泡演变过程中局部温度变化规律的监测和分析，以获得壁面微结构影响气泡形成过程的数据，合理补充核态沸腾过程薄膜机理中表面微结构对沸腾的影响。

1 实验设备及实验方法

可视池沸腾实验平台由方形沸腾池、温控加热系统、高速摄像及红外热成像系统、数据采集系统四部分组成，如图1所示。

图1 池沸腾实验台Fig.1 Schematic diagram of pool boiling facility

沸腾池尺寸为130 mm×140 mm×140 mm，由四块无机石英玻璃胶合并与上下不锈钢板利用垫圈压紧密封构成；顶部固定冷却回流器、辅助加热器保证沸腾过程温度、压力及液位稳定；单晶硅加热表面封装于PEEK板上作为实验元件，通过O

形圈与底部不锈钢板密封；底部不锈钢板正对单晶硅实验区域预留通孔，便于红外检测单晶硅表面温度分布。

温控加热系统包括可控辅助加热器与沸腾表面的膜阻加热两部分。辅助加热器用于将水加热到饱和温度，并利用温控系统控制实验工质在整个实验过程中维持饱和温度，其温控精度为±1℃。通过离子溅射在单晶硅下表面（与工质接触的沸腾表面为上表面）加工工字形Ti膜作为加热膜，厚度为150 nm，其方阻为8 Ω；工字两侧顶部镀厚度为350 nm的Au膜作为加热膜电极，方阻为0.0686 Ω，结合几何尺寸计算的Ti膜常温下电阻为24 Ω，Au电极膜电阻为0.0457 Ω，故Au电极电阻相对可忽略，电加热功率全部用于中间Ti膜的加热。

实验考察试样分光滑、微坑、微柱、槽型微柱4种，其微结构布局如图2所示。微坑表面在沸腾表面区域均匀刻蚀三个直径D=300 μm、深度为50 μm的微坑，微柱表面均匀设计50 μm×50 μm×50 μm 间距为100 μm的方形微柱，槽型微柱表面是在均匀微柱表面间隔设计宽度为1 mm的不添加微柱的光滑区域。

图2 微结构表面Fig.2 Sketch of boiling surfaces

利用高速摄像从侧壁对沸腾过程气泡的运动规律进行监测，同时高速红外从底部通孔检测单晶硅下表面Ti膜温度。所使用的红外热成像仪为InterTec

system(IR5300)，红外分辨率为320×256，用于本实验台视窗大小测量最大响应频率为1000 Hz；高速摄像机选用国产“千眼狼2F04”，全幅分辨率可达2320×1720，本实验台测量最高频率为2000 Hz。工质水核态沸腾气泡直径在毫米级，气泡脱离周期为几个至几百毫秒范围，因此所用设备的分辨率及相应频率足以获得详实的沸腾特征数据。实验中工质温度、加热膜电压及电流均利用Agilent34970A进行数据采集，其响应频率为10-5s。

实验首先利用辅助加热器将沸腾槽内去离子水缓慢加热至饱和温度并保持至少1 h 左右以除气；然后单晶硅通电加热，缓慢调节直流电源电压至第一个气泡出现并以