不同微结构在铜表面沸腾换热性能研究

发布日期：2021-07-16

研究背景

  散热器是一种常见的节能设备，其主要作用是能在不同温度的两种或两种以上的流体间实现物料之间热量传递，并将热量由温度较高（或较低）的流体传递至温度较低（或较高）的流体，使得流体温度达到流程规定的指标。散热器的使用范围非常广泛，在石油、电力、供暖设备、制冷空调等领域都有其应用。在实际的工程领域中，由于存在高负荷的原因，散热器的表面经常会发生热失效甚至烧毁现象，这极大的影响了其工作效率并增加了能源消耗。除散热器外，现代工业中许多设备也要面临高功率下的热负荷问题，如发动机缸盖、大功率照明用LED芯片、半导体激光器等，其在运行时会产生巨大的热量。由于高温会直接影响材料的力学性能从而直接影响零部件的使用寿命。因此，如何有效的对高热流密度的散热器进行散热成为推动了设备向高性能化的发展的关键技术

内容简介

  利用电火花线切割技术在紫铜表面制备了槽宽0.3~1.2mm、槽深0.6~1.5mm的T形沟槽表面，搭建一套壁面温度测量、气泡可视化和稳压稳流加热试验台，实现了去离子水在不同换热表面沸腾传热的试验观测，绘制了过热度、热流密度和换热系数等T形表面的沸腾曲线。探究了换热面积对换热性能影响，使用有限元数值计算软件模拟气泡生长过程。结合试验与模拟解释了尺寸对换热性能的影响，发现槽宽对换热效果的影响大于槽深，在沟槽宽度合理的情况下，沟槽深度越大，就越容易达到产生汽化芯体所需的温度。选择该尺寸范围内T形槽的最佳尺寸值，构造不同尺度的T形槽表面。研究了光滑表面和激光扫描表面等四种表面的沸腾传热性能。研究表明，多尺度T表面的传热性能总是最好的，是单尺度表面的1.31倍，是光滑表面的2.38倍，是激光扫描表面的2.83倍。通过钢丝切割和激光加工的微结构表面能够有效促进沸腾换热。

图文导读

图1 换热表面制备过程及实物图

图2 四种不同尺寸T形沟槽表面热流密度和换热系数对比

图3 四种不同加工方法表面热流密度与换热系数对比

图4 不同表面气泡生长过程可视化

(投稿：王丽莹   撰稿：王曼妃   审核：翟昌太)