一种主动式强化传热装置及传热方法与流程

本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种主动式强化传热装置及传热方法。

背景技术：

热能传输是许多工业过程中的关键环节，其包括能量产生和能量传送。泡核沸腾是转移大量热能的高效手段，也是传热领域研究的热点。通常泡核沸腾强化传热技术有两个主要目的：一是最大化受热表面单位温度升高的热转移量（热通量）；二是增加泡核沸腾热转移的上限，也被称为临界热流密度。

典型的饱和池态沸腾传热曲线如图1所示，从左到右主要分为以下几个阶段：自然对流时期、孤立汽泡时期、充分发展的泡核沸腾时期（简称汽块时期）、过度沸腾时期以及稳定膜态沸腾时期，其中几个主要的时期转折点为起始沸腾点（Onset Nucleate Boiling，ONB）、最大临界热流密度（Maximum Critical Heat Flux，CHF），以及最小热流密度（Minimum Heat Flux，MHF），图1中纵坐标q’’代表的是沸腾传热的热流密度，横坐标为log（ΔT_sat），ΔT_sat=T_w-T_sat，T_w代表的是传热壁面温度，T_sat代表的是液体饱和沸腾温度。从图1中可以看到，到起始沸腾点（ONB）后，进入孤立汽泡时期，传热效率开始大幅提升，当到达最大临界热流密度（CHF）后，进入过度沸腾时期，传热效率开始下降。

传统的沸腾强化方法是基于对传热表面（即沸腾表面）的化学改性、物理形貌构造或者两者兼而有之，例如对加热表面进行喷砂处理以及表面刻沟槽结构等，来达到受热表面单位温度升高热转移的最大化和增加最大临界热流密度（CHF）的上限，进而达到强化沸腾传热的目的。Jo H J, Kim S H等已有研究表明，随着受热表面的疏水性增强，沸腾曲线中的ONB会左移，使在壁面过热度比较低的情况下尽快进入换热能力强的核沸腾传热阶段。虽然这种方法传热效率都有所增加，但由于老化效应的影响，传热效率增强随着时间的推移逐渐失效。而且上述方法的主要缺点在于通过强化表面特性实现的这种传热增强是静态的，无法完成时空上的主动调控。而且，采用上述方法处理传热表面获得疏水性传热表面（较小的接触角）继而使得ONB左移，Kandlikar定量地研究了润湿性对于临界热流密度的影响，研究结果表面，降低接触角，会使得CHF也同步左移，所以ONB和CHF无法同时兼顾。

为达到传热效率的最大化，通常人们希望通过提高传热壁面的疏水性加速起沸（ONB左移），通过提高加热壁面的亲水性推迟临界热流密度的到来（CHF右移）。目前尚没有主动动态控制传热表面特性的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种主动式强化传热装置及传热方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种主动式强化传热装置，包括电源组件、罩体和导电的传热壁面，所述传热壁面用于与发热元件接触，所述罩体与所述传热壁面固定连接，且两者形成一容置腔体，所述传热壁面朝向所述容置腔体的表面上覆有一层疏水绝缘层，所述容置腔体内填充有传热工质，所述电源组件的两极分别与所述传热壁面和所述传热工质电性连接。

在一些具体的实施方式中，所述传热工质为极性液体。

在上述方案优选的实施方式中，所述传热工质为水溶液或离子液体。

在一些具体的实施方式中，所述疏水绝缘层为单层的疏水绝缘层结构或绝缘层与疏水层复合层结构，当所述疏水绝缘层为绝缘层与疏水层复合层结构时，所述疏水层覆于所述绝缘层上。

在一些具体的实施方式中，所述疏水绝缘层的厚度为400-800 nm。

在一些具体的实施方式中，所述容置腔体为上部开口的容置腔体或密闭的容置腔体。

本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：

S1：在导电的传热壁面和传热工质之间设置一层疏水绝缘层，所述疏水绝缘层将所述传热壁面和所述传热工质隔离开来；

S2：将所述传热壁面与发热元件接触；

S3：在所述传热壁面和所述传热工质之间施加电压，动态调整电压。

在一些具体的实施方式中，所述电压≤100V。

在一些具体的实施方式中，所述传热工质为极性液体。

在一些具体的实施方式中，所述疏水绝缘层为单层的疏水绝缘层结构或绝缘层与疏水层复合层结构，当所述疏水绝缘层为绝缘层与疏水层复合层结构时，所述疏水层覆于所述绝缘层上。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种主动式强化传热装置及传热方法，在导电的传热壁面和传热工质之间设置一层疏水绝缘层，所述疏水绝缘层将所述传热壁面和所述传热工质隔离开来；在所述传热壁面和所述传热工质之间施加电压，动态调整电压，首先，本发明所述主动式强化传热装置利用疏水性绝缘层的疏水性可以使得ONB左移，在比较低的壁面过热度下提前进入高效的核沸腾传热阶段，而当进入核沸腾传热后，在传热壁面和传热工质之间施加一个电压，通过电润湿原理实现对传热表面进行润湿性实时动态调节（通常随外加电压的升高从疏水向亲水转变），改变所述传热工质在疏水绝缘层上的润湿性能，抑制临界热流密度（CHF）的到来，避免传热效率下降。利用电场对壁面润湿性快速连续调节的特性，可以依据传热效率的需求，实时调控沸腾传热曲线，以实现最优化主动调节沸腾传热过程。而且该润湿性的改变还具有快响应、可逆性和可控性等突出优势。

附图说明

图1为典型的饱和池态沸腾传热曲线。

图2为主动式强化传热装置的截面图。

图3为通电过程中传热工质在疏水绝缘层上的接触角随电压的变化。

图4为传热工质在传热壁面的接触角与CHF的关系。

具体实施方式

参照图2，图2为主动式强化传热装置的截面图，本发明提高了一种主动式强化传热装置，包括电源组件6、罩体5和导电的传热壁面1，所述传热壁面1用于与发热元件接触，所述罩体5与所述传热壁面1固定连接，且两者形成一容置腔体，所述传热壁面1朝向所述容置腔体的表面上覆有一层疏水绝缘层3，所述容置腔体内填充有传热工质4，所述电源组件6的两极分别与所述传热壁面1和所述传热工质4电性连接。所述传热工质为极性液体，如水、盐溶液、离子液体等。所述疏水绝缘层3为单层的疏水绝缘层结构或绝缘层与疏水层复合层结构，当所述疏水绝缘层3为绝缘层与疏水层复合层结构时，所述疏水层覆于所述绝缘层上。在优选的实施例中，所述疏水绝缘层3为单层的疏水绝缘层结构，所述疏水绝缘层3为含氟聚合物，在本实施例中，所述疏水绝缘层3为cytop。所述疏水绝缘层的厚度为400-800nm。在本实施例中，所述容置腔体为上部开口的容置腔体。在其他一些实施例中，所述容置腔体可为密闭的容置腔体。

进行对比试验，一组采用旋涂工艺在所述传热壁面1的表面涂覆727nm厚的cytop，得到所述疏水绝缘层3；一组采用丝网印刷技术在所述传热壁面1的表面涂覆720nm厚的cytop，得到所述疏水绝缘层3；然后分别在所述传热壁面1和所述传热工质4之间施加一个电压，动态调节电压，并分析传热工质4在所述疏水绝缘层3的接触角随电压的变化，与理论曲线进行比较得到图3，从图3中可以看出，采用不同工艺制备得到的疏水绝缘层都符合理论曲线的规律，随着电压不断增大，接触角不断变小，即逐渐由疏水状态变为亲水状态。

Kandlikar在论文“A theoretical model to predict pool boiling CHF incorporating effects of contact angle and orientation”中定量地研究了润湿性对于临界热流密度的影响，传热工质在传热壁面的接触角与CHF的关系如图4所示，可通过提高接触角，使得CHF右移，避免传热效率下降。常规的传热方法因为材料的润湿性能（即接触角）是固定的，无法改变接触角使得CHF右移，但是在本发明所提供的主动式强化传热装置中，可以通过改变电压动态调控，提高接触角，使得CHF右移。

本发明还提供了一种主动式强化传热方法，包括以下步骤：S1：在导电的传热壁面和传热工质之间设置一层疏水绝缘层，所述疏水绝缘层将所述传热壁面和所述传热工质隔离开来；S2：将所述传热壁面与发热元件接触；S3：在所述传热壁面和所述传热工质之间施加电压，动态调整电压。首先，本发明所述主动式强化传热装置利用疏水性绝缘层的疏水性可以使得ONB左移，在比较低的壁面过热度下提前进入高效的核沸腾传热阶段，而当进入核沸腾传热后，在传热壁面和传热工质之间施加一个电压，通过电润湿原理实现对传热表面进行润湿性实时动态调节（通常随外加电压的升高从疏水向亲水转变），改变所述传热工质在疏水绝缘层上的润湿性能，抑制临界热流密度（CHF）的到来，避免传热效率下降。不仅如此，利用电场对壁面润湿性快速连续调节的特性，可以依据传热效率的需求，实时调控沸腾传热曲线，以实现最优化主动调节沸腾传热过程。而且该润湿性的改变还具有快响应、可逆性和可控性等突出优势。所述电压的调控范围为不超过100V。