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混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

蒸发与沸腾现象普遍地存在与自然界与日常生活中,并作为高效的相变传热形式被广泛地应用于石油化工、热电厂、核工业、水淡化和电子产品散热等系统中。因此,开发高效的相变传热技术对于解决高热流散热和降低能源消耗具有极其重要的意义。薄液膜蒸发是一种典型的发生在多孔毛细芯结构上的气液相变传热过程,其具有扩展的气液蒸发界面和降低的液膜热阻,被认为是最有前景的高效散热方式之一。然而,目前的毛细芯结构大多通过减薄液膜厚度来降低蒸发热阻,这种方法虽然可以实现高传热效率,但是也极大地影响了向蒸发区域的液体输送能力,从而限制了薄液膜蒸发的最高散热能力。因此,如何在不降低蒸发传热效率的前提下,进一步提高表面的最高传热通量来满足高热流系统散热的要求,成为了许多科研人员和工程师的长期挑战。最近,美国科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的杨荣贵教授课题组以商用的微孔铜网为原料,制备了具有低成本和易扩展的混合铜网毛细芯结构,通过在铜网上构建微孔结构来促进气泡核化,实现了高效的薄液膜沸腾传热,同时显著提高了相变传热效率和最高传热通量。通过机理分析发现,铜网毛细芯上微孔结构的引入,不仅可以增加毛细芯供液能力来提高表面的最高传热通量,而且可以作为有效的核化点大大降低核状沸腾所需的过热度,有助于提高表面的传热效率。该文章发表在国际顶级期刊NanoEnergy上(影响因子:13.12)。

为了突破毛细蒸发过程中液体流动和热量流动对表面结构的矛盾需求,本文提出了引入有效核化点来促进液膜沸腾传热,这既能通过增加液体流动通道提高液体供应,也利用气泡运动降低了液膜传递热阻。具体而言,如图1所示,多层铜网间的互连间隙为液体的毛细流动提供了大量的低流阻通道,铜网表面的微孔结构通过提高表面润湿性进一步增强了铜网毛细芯的供液能力。覆盖在毛细芯顶层铜网上的微孔结构大大地拓展了气液界面,增加了有效蒸发传热面积。更重要的是,覆盖在铜网上的微孔结构可以提供大量的有效核化点来促进毛细芯上的核状沸腾传热。核化生长的气泡不但进一步增加了气液界面面积有助于液体蒸发,而且可以有效地扰动液膜来减低液膜热阻。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热图1. 混合铜网毛细芯用于促进毛细驱动的液膜沸腾传热。(a) 多层铜网间的互连间隙为液体的毛细流动提供大量的低流阻通道,以防止被加热区域烧干。(b) 在被加热的情况下,处于顶层铜网上的液体发生蒸发,而铜网上的微孔结构可以通过扩展气液界面来提高有效蒸发面积 (c)。(d) 处于内部的铜网在被加热的情况下,表面发生液体沸腾,而覆盖在网线上的大量微孔可以提供大量的有效核化点来促进核化和液膜沸腾(e)。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

图2. 混合铜网毛细芯的制备与表征。(a)商用铜网。(b) 具有不同表面形貌的铜网毛细芯的制备流程。(c) 多层铜网毛细芯的SEM图像。(d-f) 具有不同表面形貌的铜线表面结构的SEM图像,包括光滑的铜线 (d)、纳米草覆盖的铜线 (e) 和微孔覆盖的铜线 (f)。

图2展示了混合铜网毛细芯结构的制备流程和表面结构形貌。本文利用商用铜网作为基本材料,采用热压法将多层铜网和铜片烧结在一起,形成毛细芯的基本骨架。利用简单的化学刻蚀方法在铜网上形成了一层氧化铜纳米草结构,进一步改善表面的毛细能力来提高铜网结构的液体输运能力。最后,利用化学清洗的方法将氧化铜纳米草去除,在铜网表面上形成了大量的微孔结构,有助于同时改善表面液体输运能力和提高表面有效核化点数量。本文采用的廉价铜网材料和简单制备方法为未来混合铜网毛细芯结构的规模化生产和应用提供了基础。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

图3. 不同铜网毛细芯结构的表面润湿性和液体输运能力。(a) 光滑铜网毛细芯结构上液滴的毛细距离随时间的变化关系。(b) 铜网层数对液体毛细速度和体积流率的影响。(c) 不同铜网表面形貌对液体毛细速度和体积流率的影响。(d) 液体在铜网毛细芯上的毛细流动示意图。(e-g) 液体在具有不同表面形貌铜网线上的润湿状态,包括光滑的铜线 (e)、纳米草覆盖的铜线 (f) 和微孔覆盖的铜线 (g)。

 

液体润湿实验结果表明,如图3所示,随着铜网层数增加,毛细芯结构的液体输运能力增加,表现为毛细速度和液体体积流率的提高。对于相同铜网层数的毛细芯,纳米草和微孔均可以强化表面的液体输运能力,这是由于铜线上的粗糙结构可以诱发沿着铜网线的毛细作用。在此基础上,与紧密的纳米草相比,微孔结构可以通过降低液体流动阻力来提高液体输运能力。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

图4. 光滑铜网毛细芯结构上的液膜蒸发/沸腾现象与传热性能。铜网层数对表面传热通量 (a) 和传热系数 (b) 的影响。(c) 随着传热通量增加,薄铜网毛细芯结构 (两层) 上的液体毛细蒸发传热现象及演化。(d) 随着传热通量增加,厚铜网毛细芯结构(四层) 上的液体毛细沸腾传热现象及演化。

 

图4展示了铜网层数对蒸发/沸腾传热过程的影响。对于薄的毛细芯结构(层数 < 2),只有毛细蒸发发生在表面,直到加热区域被烧干。对于较厚的毛细芯结构(层数 > 3),随着表面过热度的增加,核状沸腾可以导致过热度的突然减低,从而提高蒸发/沸腾传热效率。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

图5. 混合铜网毛细芯结构强化液膜蒸发/沸腾传热性能。铜网表面形貌和层数对表面传热通量(a) 和传热系数(b) 的影响。

 

图5展示了不同铜网毛细芯上表面形貌对传热性能的影响。最高传热通量和传热系数均出现在了被微孔覆盖的铜网毛细芯上,这一方面是由于改善的液体输运能力,另一方面大量的微孔可以促进核状沸腾,从而降低核化沸腾发生所需的过热度。图6表明铜网上的微孔可以作为有效核化点提高传热效率,这不同于紧密排列的纳米草。可视化结果也支持该机理分析。

混合铜网毛细芯结构用于高效的液膜沸腾传热

图6. 混合铜网毛细芯结构强化液膜沸腾传热性能的机理分析。(a) 铜网上覆盖的微孔可以提供有效核化点来降低发生核状沸腾的最小过热度,而纳米草不能成为有效的核化点。(b) 随着表面过热度的提高,不同铜网表面形貌对气泡行为的影响。

 

【总结与展望】

本文提出了一种混合铜网毛细芯来促进高效的液膜沸腾传热。该混合铜网毛细芯是利用低成本和可规模化的商用铜网,通过简单的制备方法形成的。表面的最高临界传热通量达到了198.6W/cm2, 最大传热系数为138.7kW/m^2 K。这些混合铜网毛细芯可以被广泛地应用到各种工业系统中,包括化工、热电厂、水淡化和电子元件散热等。

Rongfu Wen, Shanshan Xu, Yung-Cheng Lee, Ronggui Yang, Capillary-driven liquid film boiling heat transfer on hybid meshwicking structures, Nano Energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.06.063

团队介绍

杨荣贵,科罗拉多大学机械工程系终身正教授,于1996年获得西安交通大学电厂热能工程学士学位,1999年获得清华大学工程热物理硕士学位后赴美留学,2001年获得加州大学洛杉矶分校微机电系统工程硕士学位后转学麻省理工学院机械工程系,师从陈刚教授和Mildred S. Dresselhaus教授,于2006年2月获得工学博士学位,2006年1月起任职于科罗拉多大学博尔德分校,2011年提前两年晋升副教授(终身教席),于2016年晋升正教授。杨荣贵博士的研究成果已获得许多国际奖项,包括2004年美国国家航空和宇宙航行局技术创新奖、2005年国际热电学会戈德史密斯奖、2008年美国国防部高等研究局青年教师奖、2008年麻省理工学院出版的《科技评论》中35岁以下的35位“世界顶级青年创造者榜”(TR35)、2009年美国国家科学基金会的教授职业奖、2010年美国机械工程师学会的传热学青年研究奖、2014年国际热电学会青年研究奖、2015 年美国机械工程师学会士。已发表成果包括1篇《科学》、3篇《自然-材料》、多篇《先进材料》在内的170多篇期刊论文,并参与约100个特邀讲座。他的论文SCI引用6387次(H指数36),谷歌学术搜索引用9663次(H指数46)。他拥有15项已审批和待批发明专利,也是两个科技新创公司(Kelvin Thermal Technologies Inc和Radi-Cool Inc)的共同创始人。他还兼任美国机械工程师学会能源和可持续发展纳米技术指导委员会主席(2014-2016年)和美国机械工程师学会传热部纳米传热学委员会主席(2015-2017年)。

 

本团队近期在相变传热领域的相关工作

1. Rongfu Wen, Qian Li, Wei Wang, Benoit Latour, Calvin H Li, Chen Li, Yung-Cheng Lee, and Ronggui Yang, Enhanced bubble nucleation and liquid rewetting for highly efficient boiling heat transfer on two-level hierarchical surfaces with patterned copper nanowire arrays, Nano Energy, 2017, 38: 59-65.

2. Rongfu Wen, Shanshan Xu, Xuehu Ma, Yung-Cheng Lee, and Ronggui Yang, Three-dimensional superhydrophobic nanowire networks for enhancing condensation heat transfer, Joule, 2018, 2: 269-279.

3. Rongfu Wen, Zhong Lan, Benli Peng, Wei Xu, Ronggui Yang, and Xuehu Ma, Wetting transitionof condensed droplets on nanostructured superhydrophobic surfaces: Coordinationof surface properties and condensing conditions, ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9: 13770-13777.

4. Rongfu Wen, Qian Li, Jiafeng Wu, Gensheng Wu, Wei Wang, Yunfei Chen, Xuehu Ma, Dongliang Zhao, and Ronggui Yang, Hydrophobic copper nanowires for enhancing condensation heat transfer, Nano Energy, 2017, 33:177-183.

5. Rongfu Wen, Shanshan Xu, Dongliang Zhao, Yung-Cheng Lee, Xuehu Ma, and Ronggui Yang, Hierarchical superhydrophobic surfaces with micropatterned nanowire arrays for high-efficiency jumping droplet condensation, ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9: 44911-44921.

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