Nano Lett.: 薄膜沸腾——超高热流密度的全新相变传热模式

【基本信息】

1.作者信息：美国加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）机械与航天工程系陈仁坤教授（通讯作者）课题组博士生王清洋（第一作者）。

2.研究主题：传热 – 沸腾 – 纳米多孔膜

3.发表时间：2018年4月6日上线。

【研究背景】

• 沸腾是一种常见的液体汽化现象，经常被应用于发电、制冷、海水淡化、污水净化（蒸馏）、化学加工以及大功率电子器件的热管理。
• 在科学研究中，通常将沸腾分为池沸腾和流动沸腾。在池沸腾（大空间沸腾）中，热壁面（即提供热量的表面）沉浸在不流动的液体池中加热壁面附近的液体；在流动沸腾中，液体流过热壁面，在流动过程中被加热沸腾。
• 热流密度：单位时间内通过单位横截面积上的热量（单位：J/m²s或W/m²），反映了传热强度。沸腾传热的临界热流密度（Critical Heat Flux，缩写CHF）反映了沸腾表面在安全条件下的最大传热能力。
• 光滑表面池沸腾的CHF通常约为100 W/cm²。通过采用微纳米结构、亲疏水表面处理等措施可以有效提升池沸腾CHF，但已有研究成果仍普遍低于250 W/cm²。
• 对于微通道流动沸腾，按照投影面积计算的CHF接近1000 W/cm²。但是由于微通道具有较大的热表面面积，因此其基于实际沸腾传热面积（而非投影面积）的CHF仍远小于1000 W/cm²。此外，由于液体汽化发生在微通道中且同质量的气体体积远大于液体，微通道流动沸腾在高热流密度下易发生流动失稳。
• 如何提高平整表面沸腾传热的CHF值，如何通过实验得到高于1000 W/cm²的CHF值，甚至接近理论上的平整表面上液-气相变传热的最高CHF值（从70 °C的液相水汽化至20 °C的气相水，理论最大值约5000 W/cm²），一直是相变传热研究的重大挑战。

【文章亮点】

1. 提出了一种全新的沸腾模式：薄膜沸腾。相比池沸腾，薄膜沸腾的传热能力显著提升。相比微通道流动沸腾，通过纳米多孔膜所形成的薄膜沸腾不再有流动失稳情况的顾虑；

2. 使用了纳米多孔氧化铝膜作为加热表面，液体流过膜上的纳米孔后形成薄液膜并被加热汽化。这种沿多孔膜表面法向方向的供液方式消除了液体流动阻力对CHF的限制，可以应用于大面积高热流密度沸腾传热；

3. 首次通过实验得到了基于平整表面的高于1000 W/cm²的CHF值。在50 mm²和8.4 mm²的表面上CHF分别高达1230 W/cm²和1850 W/cm²。该结果是现有研究所达到的最高值，且已达到或超过理论最大值的1/4。

4.本研究有助于加深对于高热流密度液-气相变传热的科学认识，并为实际工程应用提供参考和依据。

【图片导读】

[注：图片由作者提供，亦可从文后的原文链接中找到]

图1 | 池沸腾与薄膜沸腾中气泡生长机制的对比

(a) 池沸腾；(b) 薄膜沸腾。红色部分表示温度较高的液体，蓝色表示温度较低的液体。

[解读]

在池沸腾中，液体池的温度接近饱和温度，而液体池底部的热边界层内存在较大的温度梯度。最靠近壁面的液体温度最高，在热边界层边缘处的液体温度接近液体池整体温度。

在池沸腾中，气泡产生后的生长过程可分为两个时期。早期气泡较小，整个气泡都在热边界层内部，其液-气界面具有较高温度，汽化较快，因而气泡生长较快。后期气泡长大，一部分液-气界面处于热边界层外，温度较低，汽化较慢，因此气泡生长较慢。在薄膜沸腾中，液体薄膜的厚度被人为控制使其小于相同温度下池沸腾中的热边界层厚度，此时整个液体薄膜具有较高的过热度，因此沸腾时气泡的生长全部处于早期，液-气界面始终处于热边界层内，传热更高效。

在池沸腾中，当气泡体积足够大时，气泡在浮升力作用下脱离热壁面，新一轮气泡成核-生长-脱离周期开始。在薄膜沸腾中，在气泡尺寸大于液膜厚度后，气泡将与大气接触，因此直接脱离热壁面，无需生长到较大尺寸。因此，相较于池沸腾，薄膜沸腾具有更高的气泡脱离频率。

此外，当气泡脱离后，液体需要传递到并补充原气泡占据的位置，从而进入下一个气泡周期。相比于池沸腾（横向的液体传递距离大约为气泡直径的一半，约1 mm），本文中纳米多孔膜提供了更高效的液体补充，液体需要横向传递的距离仅约为纳米孔的间距（约100 nm）。

总之，相比于池沸腾，薄膜沸腾的气泡生长速度更快，气泡脱离频率更高，液体补充更有效，因此具有更高效的传热性能。

图2 | 纳米多孔膜的形貌表征和传热测试装置

(a,b) 纳米多孔氧化铝膜的扫描电子显微镜图像：(a) 俯视图；(b) 截面图。比例尺：(a) 1 μm (插图200 nm)；(b) 50 μm (插图500 nm)；

(c) 实验装置结构示意图与样品实物图。

[解读]

纳米多孔氧化铝膜的孔隙率约为47%，平均孔径240 nm，直孔长度（等于膜的厚度）约为60 μm。实验中去离子水被加压，从多孔膜的底部穿过直孔到达顶部，在多孔膜上形成液膜，其所在的密封腔体充满压强为17.5 Torr（约等于2.33 kPa）的水蒸气（即20 °C水的饱和蒸气压）。多孔膜上沉积的Pt薄层用于施加热流，同时用于读取温度。

图3 | 不同液体压力下的沸腾曲线（热流密度vs.过热温度）

过热温度为加热表面温度与饱和气体温度之差。在液体压力为1398 Torr的实验条件下，得到的最大CHF值为1230 W/cm²。

[解读]

多孔膜两侧的压差决定了水的流量，因而在给定压差下，随着热流的变大，多孔膜顶部的液膜因为受热沸腾而逐渐变薄。在热流密度较小时，液膜较厚，沸腾现象类似于池沸腾，实测热流密度与池沸腾的Rohsenow关联式吻合。随着热流密度增大，液膜逐渐变薄，因此实验结果偏离池沸腾，传热效果开始增强（反映在同一过热温度下热流密度的显著提高）。当压差提供的液体流量全部汽化时，多孔膜顶部的液膜烧干，液体的流量不足以支撑更高的热流密度，该时刻下的热流密度达到临界热流密度（CHF）。

图4 | 高速摄像机拍摄的沸腾表面

液体压力：760 Torr（1大气压）；摄影帧速：200（a, b）或600（c-f）帧/秒。

热流密度：(a) 0 W/cm²；(b) 3.7 W/cm²；(c) 55.2 W/cm²；(d) 337.5 W/cm²；(e) 571 W/cm²；(f) 700 W/cm²。

[解读]

在未加热表面时（热流密度0 W/cm²），液体在纳米孔膜表面形成较厚的液膜，无气泡产生。在很小的热流密度（3.7 W/cm²）下，气泡成核现象开始显现，气泡脱离时的尺寸约为几毫米。随着热流密度逐渐增大，由于液膜逐渐变薄，气泡尺寸逐渐变小。最终在接近CHF的热流密度下（700 W/cm²），样品表面烧干。更大的热流密度将导致样品烧坏。

图5：实验测得的CHF与多孔膜两侧压差的关系

利用简单粘性流体模型计算得到的结果（红色点线）与实验结果（黑色实心方块）吻合。

[解读]

实验结果显示，CHF与压差呈线性关系。在本实验中，达到CHF时，多孔膜两侧压差驱动下的水的流量全部用于液-气相变，因而可大致认为CHF与水的流量成正比。根据粘性流体的哈根-泊肃叶公式，通过圆管的水的流量正比于圆管两端的压差；而多孔膜的直孔可近似于圆管，因此CHF与通过多孔膜的水的流量成正比。理论上讲，进一步提升多孔膜两侧的压差会得到更高的CHF值。但是由于实验所用的氧化铝膜多孔而且很薄，进一步提高压差将可能导致多孔膜破裂。所以作者们通过减小样品面积的方法以降低施加在多孔膜上的应力。本工作中利用面积为8.4 mm²的纳米多孔薄膜获得了1850 W/cm²的CHF值，且该结果仍与理论模型计算结果吻合。这是现有的沸腾传热相关研究所达到的最高值。

图6 | 薄膜传热过程的过热温度和热流随时间的动态变化

液体压力为1398 Torr的实验条件下，

(a) 过热温度随时间的变化；

(b) 热流密度随时间的变化。

[解读]

图6表明本实验中在每一稳态工况下（即一定时间内热流密度恒定，对应图中每一级阶梯），过热温度随时间变化很小。而在微通道流动沸腾中，由于通道内的两相流失稳，壁面温度随时间产生剧烈波动。这是由于本实验中使用的纳米多孔膜具有孔径为240纳米的直孔。这一孔径尺寸小于本实验条件下的临界气泡半径（约16微米），因此在孔中不会生成气泡，液–气相变仅发生在孔外区域，有利于新生成的气泡快速从热壁面脱附，提高传热效率。

【文献信息】

Qingyang Wang and Renkun Chen. “Ultrahigh Flux Thin Film Boiling Heat Transfer Through Nanoporous Membranes” Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00648.

供稿 | 美国加州大学圣地亚哥分校博士生王清洋

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿、编辑 | 刘田宇

主编 | 张哲旭