Nano Lett.：薄膜沸騰——超高熱流密度的全新相變傳熱模式

【基本信息】

1.作者信息：美國加州大學聖地亞哥分校（University of California, San Diego）機械與航天工程系陳仁坤教授（通訊作者）課題組博士生王清洋（第一作者）。

2.研究主題：傳熱 – 沸騰 – 納米多孔膜

3.發表時間：2018年4月6日上線。

【研究背景】

沸騰是一種常見的液體汽化現象，經常被應用於發電、製冷、海水淡化、污水凈化（蒸餾）、化學加工以及大功率電子器件的熱管理。

在科學研究中，通常將沸騰分為池沸騰和流動沸騰。在池沸騰（大空間沸騰）中，熱壁面（即提供熱量的表面）沉浸在不流動的液體池中加熱壁面附近的液體；在流動沸騰中，液體流過熱壁面，在流動過程中被加熱沸騰。

熱流密度：單位時間內通過單位橫截面積上的熱量（單位：J/m2s或W/m2），反映了傳熱強度。沸騰傳熱的臨界熱流密度（Critical Heat Flux，縮寫CHF）反映了沸騰表面在安全條件下的最大傳熱能力。

光滑表面池沸騰的CHF通常約為100 W/cm2。通過採用微納米結構、親疏水表面處理等措施可以有效提升池沸騰CHF，但已有研究成果仍普遍低於250 W/cm2。

對於微通道流動沸騰，按照投影面積計算的CHF接近1000 W/cm2。但是由於微通道具有較大的熱表面面積，因此其基於實際沸騰傳熱面積（而非投影面積）的CHF仍遠小於1000 W/cm2。此外，由於液體汽化發生在微通道中且同質量的氣體體積遠大於液體，微通道流動沸騰在高熱流密度下易發生流動失穩。

如何提高平整表面沸騰傳熱的CHF值，如何通過實驗得到高於1000 W/cm2的CHF值，甚至接近理論上的平整表面上液-氣相變傳熱的最高CHF值（從70 °C的液相水汽化至20 °C的氣相水，理論最大值約5000 W/cm2），一直是相變傳熱研究的重大挑戰。

【文章亮點】

1.提出了一種全新的沸騰模式：薄膜沸騰。相比池沸騰，薄膜沸騰的傳熱能力顯著提升。相比微通道流動沸騰，通過納米多孔膜所形成的薄膜沸騰不再有流動失穩情況的顧慮；

2. 使用了納米多孔氧化鋁膜作為加熱表面，液體流過膜上的納米孔後形成薄液膜並被加熱汽化。這種沿多孔膜表面法向方向的供液方式消除了液體流動阻力對CHF的限制，可以應用於大面積高熱流密度沸騰傳熱；

3.首次通過實驗得到了基於平整表面的高於1000 W/cm2的CHF值。在50 mm2和8.4 mm2的表面上CHF分別高達1230 W/cm2和1850 W/cm2。該結果是現有研究所達到的最高值，且已達到或超過理論最大值的1/4。

4.本研究有助於加深對於高熱流密度液-氣相變傳熱的科學認識，並為實際工程應用提供參考和依據。

【圖片導讀】

圖1 |池沸騰與薄膜沸騰中氣泡生長機制的對比

(a) 池沸騰；(b) 薄膜沸騰。紅色部分表示溫度較高的液體，藍色表示溫度較低的液體。

[解讀]

在池沸騰中，液體池的溫度接近飽和溫度，而液體池底部的熱邊界層內存在較大的溫度梯度。最靠近壁面的液體溫度最高，在熱邊界層邊緣處的液體溫度接近液體池整體溫度。

在池沸騰中，氣泡產生後的生長過程可分為兩個時期。早期氣泡較小，整個氣泡都在熱邊界層內部，其液-氣界面具有較高溫度，汽化較快，因而氣泡生長較快。後期氣泡長大，一部分液-氣界面處於熱邊界層外，溫度較低，汽化較慢，因此氣泡生長較慢。在薄膜沸騰中，液體薄膜的厚度被人為控制使其小於相同溫度下池沸騰中的熱邊界層厚度，此時整個液體薄膜具有較高的過熱度，因此沸騰時氣泡的生長全部處於早期，液-氣界面始終處於熱邊界層內，傳熱更高效。

在池沸騰中，當氣泡體積足夠大時，氣泡在浮升力作用下脫離熱壁面，新一輪氣泡成核-生長-脫離周期開始。在薄膜沸騰中，在氣泡尺寸大於液膜厚度後，氣泡將與大氣接觸，因此直接脫離熱壁面，無需生長到較大尺寸。因此，相較於池沸騰，薄膜沸騰具有更高的氣泡脫離頻率。

此外，當氣泡脫離後，液體需要傳遞到並補充原氣泡佔據的位置，從而進入下一個氣泡周期。相比於池沸騰（橫向的液體傳遞距離大約為氣泡直徑的一半，約1 mm），本文中納米多孔膜提供了更高效的液體補充，液體需要橫向傳遞的距離僅約為納米孔的間距（約100 nm）。

總之，相比於池沸騰，薄膜沸騰的氣泡生長速度更快，氣泡脫離頻率更高，液體補充更有效，因此具有更高效的傳熱性能。

圖2 | 納米多孔膜的形貌表徵和傳熱測試裝置

(a,b) 納米多孔氧化鋁膜的掃描電子顯微鏡圖像：(a) 俯視圖；(b) 截面圖。比例尺：(a) 1 μm (插圖200 nm)；(b) 50 μm (插圖500 nm)；

(c) 實驗裝置結構示意圖與樣品實物圖。

[解讀]

納米多孔氧化鋁膜的孔隙率約為47%，平均孔徑240 nm，直孔長度（等於膜的厚度）約為60 μm。實驗中去離子水被加壓，從多孔膜的底部穿過直孔到達頂部，在多孔膜上形成液膜，其所在的密封腔體充滿壓強為17.5 Torr（約等於2.33 kPa）的水蒸氣（即20 °C水的飽和蒸氣壓）。多孔膜上沉積的Pt薄層用於施加熱流，同時用於讀取溫度。

圖3 | 不同液體壓力下的沸騰曲線（熱流密度vs.過熱溫度）

過熱溫度為加熱表面溫度與飽和氣體溫度之差。在液體壓力為1398 Torr的實驗條件下，得到的最大CHF值為1230 W/cm2。

[解讀]

多孔膜兩側的壓差決定了水的流量，因而在給定壓差下，隨著熱流的變大，多孔膜頂部的液膜因為受熱沸騰而逐漸變薄。在熱流密度較小時，液膜較厚，沸騰現象類似於池沸騰，實測熱流密度與池沸騰的Rohsenow關聯式吻合。隨著熱流密度增大，液膜逐漸變薄，因此實驗結果偏離池沸騰，傳熱效果開始增強（反映在同一過熱溫度下熱流密度的顯著提高）。當壓差提供的液體流量全部汽化時，多孔膜頂部的液膜燒乾，液體的流量不足以支撐更高的熱流密度，該時刻下的熱流密度達到臨界熱流密度（CHF）。

圖4 | 高速攝像機拍攝的沸騰表面

液體壓力：760 Torr（1大氣壓）；攝影幀速：200（a, b）或600（c-f）幀/秒。

熱流密度：(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。

[解讀]

在未加熱表面時（熱流密度0 W/cm2），液體在納米孔膜表面形成較厚的液膜，無氣泡產生。在很小的熱流密度（3.7 W/cm2）下，氣泡成核現象開始顯現，氣泡脫離時的尺寸約為幾毫米。隨著熱流密度逐漸增大，由於液膜逐漸變薄，氣泡尺寸逐漸變小。最終在接近CHF的熱流密度下（700 W/cm2），樣品表面燒乾。更大的熱流密度將導致樣品燒壞。

圖5：實驗測得的CHF與多孔膜兩側壓差的關係

利用簡單粘性流體模型計算得到的結果（紅色點線）與實驗結果（黑色實心方塊）吻合。

[解讀]

實驗結果顯示，CHF與壓差呈線性關係。在本實驗中，達到CHF時，多孔膜兩側壓差驅動下的水的流量全部用於液-氣相變，因而可大致認為CHF與水的流量成正比。根據粘性流體的哈根-泊肅葉公式，通過圓管的水的流量正比於圓管兩端的壓差；而多孔膜的直孔可近似於圓管，因此CHF與通過多孔膜的水的流量成正比。理論上講，進一步提升多孔膜兩側的壓差會得到更高的CHF值。但是由於實驗所用的氧化鋁膜多孔而且很薄，進一步提高壓差將可能導致多孔膜破裂。所以作者們通過減小樣品面積的方法以降低施加在多孔膜上的應力。本工作中利用面積為8.4 mm2的納米多孔薄膜獲得了1850 W/cm2的CHF值，且該結果仍與理論模型計算結果吻合。這是現有的沸騰傳熱相關研究所達到的最高值。

圖6 |薄膜傳熱過程的過熱溫度和熱流隨時間的動態變化

液體壓力為1398 Torr的實驗條件下，

(a) 過熱溫度隨時間的變化；

(b) 熱流密度隨時間的變化。

[解讀]

圖6表明本實驗中在每一穩態工況下（即一定時間內熱流密度恆定，對應圖中每一級階梯），過熱溫度隨時間變化很小。而在微通道流動沸騰中，由於通道內的兩相流失穩，壁面溫度隨時間產生劇烈波動。這是由於本實驗中使用的納米多孔膜具有孔徑為240納米的直孔。這一孔徑尺寸小於本實驗條件下的臨界氣泡半徑（約16微米），因此在孔中不會生成氣泡，液-氣相變僅發生在孔外區域，有利於新生成的氣泡快速從熱壁面脫附，提高傳熱效率。

【文獻信息】

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| 美國加州大學聖地亞哥分校博士生王清洋

部門| 媒體信息中心科技情報部

撰稿、編輯| 劉田宇

主編| 張哲旭

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