沸腾换热能够在较小的温差下传输极大的热流密度。与其他换热方式相比,在同等换热量的下,节省设备尺寸,减轻质量,节省空间。因此沸腾换热经常被应用在石油化工,热力发电,汽车空调和电子设备等工业领域。沸腾换热特性可以通过沸腾曲线爱描述。在1934年,Nukiyama等获得了第一条沸腾曲线,根据饱和沸腾曲线过热度变化,可将饱和沸腾过程分为四个阶段:自然对流阶段、核态沸腾阶段、过渡沸腾阶段和膜态沸腾阶段。对于核态沸腾阶段,当壁面过热度满足起始沸腾条件时,传热进入核态沸腾阶段。在起始沸腾点之后,加热表面开始出现汽泡。随着热流密度增加,汽泡核心数目不断增多。表面汽泡逐渐变大直至在浮力作用下脱离壁面,同时带走大量热量。由于汽泡运动对液体产生了剧烈扰动,所以加热面处热传递十分强烈。因而核态沸腾阶段是非常高效的传热阶段。孤立核态沸腾阶段和充分发展核态沸腾阶段的区别在于:处于孤立核态沸腾阶段时,沸腾表面汽泡生长和脱离相互独立;而充分发展核态沸腾阶段,沸腾表面汽泡生成和脱离更剧烈,从而大量汽泡快速从表面脱离后相互干扰,发生合并从而生成汽块或汽柱。随着热流密度不断增加,壁面过热度将出现急剧增大,传热性能突然发生恶化,这个转折点所对应的热流密度就是临界热流密度(critical heat flux,简称CHF)。当热流密度大于CHF时,传热机制变为膜态沸腾阶段,此时大量汽泡在加热壁面剧烈干扰和合并使得加热壁面表面形成一层蒸汽薄膜,由于加热壁面蒸汽薄膜会产生极大热阻,将恶化表面传热性能,造成加热表面的温度突然升高。因此在实际应用中,为了防止加热壁面被烧坏,应尽量避免膜态沸腾阶段。然而在大多数沸腾应用中,系统需要在低于相应临界热流密度下工作,沸腾的工程应用主要集中于核态沸腾区。因此为了保持设备在安全的温度区间运行,提升沸腾传热的CHF时非常必要的。由于CHF产生的机理是传热表面的绝大部分区域被蒸汽所覆盖,润湿区域仅出现在传热面的边缘处,液体向传热面供给十分困难。基于上述机理,通过传热面不间断的液体供给会促进CHF的提升。目前广泛应用于提升CHF的方法为表面改性技术,包括应用结构化表面,多空涂层表面,亲疏水分布表面以及纳米流体来提升CHF。表面改性技术提升CHF主要归因于增大传热面积,增加气化核心,改变润湿特性和毛细作用的影响。但是其提升效果极大的依赖于传热面表面特性。因此开发一种不依赖于传热面比表面特性而能提升CHF的方法尤为重要。之前的研究表明,微小空间内沸腾换热干涸状态下传热面的绝大部分区域被气泡覆盖,仅在传热面入口附近存在液体往复移动产生的润湿区域。基于上述现象,本研究设计了一种不依改变靠表面特性,而是调整内部构造提升沸腾传热CHF的传热块,即导热性交替分布型传热块。在传热过程中,传热块的不同区域处于不同温度状态,实现了核态沸腾和膜态沸腾状态在整个传热面共存。在不同沸腾状态边界处润湿和干涸状态的非稳定的交替出现,从而达到促进蒸发并强化传热的目的。异态沸腾传热块分布示意图。图1(a)为传热块内部结构示意图。传热块是利用电火花放电技术在紫铜传热块上穿出不同尺寸的矩形孔,并在孔内插入低导热材料制成。沸腾过程中,传热面出现区域性高低温交替分布,不同沸腾状态存在于不同温度区域。如图1(b)所示,在高导热材料区域上方,沸腾机制是膜态沸腾,传热表面被气膜所覆盖;低导热材料区域上方,沸腾机制是核态沸腾,传热表面被液膜所覆盖。另外,在不同沸腾状态的交界处,非稳态的润湿和干涸状态交替出现。伴随着气泡的运动,低导热材料区域上方的液膜移动到高导热性能材料上方,进而保持了整个传热表面的润湿特性。本实验中具体采用的传热面的结构参数如表1所示。本研究以去离子水作为工作流体,运用异态相干沸腾来实现狭窄空间内沸腾换热临界热流密度(CHF)的提升。该方法是基于在传热表面附近布置两种不同热导率的材料形成导热性的不均匀分布,进而沸腾过程中不同的沸腾模式在传热表面形成,通过不同沸腾模式之间的相互作用使得CHF提升。同时研究了材料宽度、间隙尺寸、表面尺寸对沸腾换热临界热流密度(CHF)的影响。实验条件如表2所示。具体结论如下1、与均匀传热面相比,导热性交替分布传热面的沸腾传热特性得到明显提升。对于传热系数,当传热面底部加载在相同的热流密度时,由于导热性材料的存在,热流量集中在高导热性材料区域,因此在较低的热流密度条件下核态沸腾就会发生。因此,导热性交替分布传热面在较低的避免过热度下核态沸腾发生,故其传热性能好于均匀分布传热面。对于CHF,由于高低导热性材料在传热块内部交替分布,沸腾过程中不同的沸腾模型在传热面上共存。在高热流密度区域,膜态沸腾和核态沸腾分布出现在传热面高导热材料区域和低导热材料区域,传热面上呈现了干涸区域和润湿区域的交替分布。利用气液交界面非稳态的周期性移动,促进液体向干涸区域的供给,进而CHF得以提升。2、对于低导热材料宽度对沸腾传热CHF的影响,研究表明:最佳的低导热材料宽度随着间隙尺寸的变化而改变。低导热材料的宽度决定了异态相干沸腾中气液交界面作用线的长度。在相同传热块尺寸的条件下,低导热材料的宽度越小,气液交界面分布的数量越多,既异态相干沸腾中气液交界面作用线的长度越长;相反,低导热材料的宽度越大,气液交界面分布的数量就越少,既异态相干沸腾中气液交界面作用线的长度越短。由前述可知,气液交界面非稳态的周期性移动促进液体向干涸区域的供给。对于较小的间隙尺寸,液体由周围向传热面供给困难,此时决定CHF提升效果的因素是液体从周围向传热面的供给。较大宽度的低导热材料为液体从周围向传热面供给提供了较好的流路,因此在较大的低导热材料宽度获得最佳的提升效果。然而对于较大的间隙尺寸,液体很容易从周围向传热面供给,此时决定CHF提升效果的因素是异态相干沸腾。较小的低导热材料宽度提供了较长的气液交界面作用线,因此在较小的低导热材料宽度获得最佳的提升效果。3、对于传热面尺寸对沸腾传热CHF的影响,研究表明:在低热流密度区域,传热面尺寸对沸腾传热特性影响不太明显。在高热流密度区域,随着传热面尺寸增加,沸腾传热的CHF下降。对于微小间隙内沸腾换热,当气泡不断生长从传热面脱离后,回流液体从四周流向沸腾传热面。随着较大尺寸的传热面,液体流向传热面中心的流路较长,进而回流阻力较大,液体向传热面供给困难,CHF降低。然而随着传热面尺寸的减小,液体流向传热面中心的流路变短,液体容易向传热面供给,CHF增大。此外,由于较大尺寸传热面干涸状态极易发生,因为在高热流密度区域其沸腾传热系数较低。4、对于间隙尺寸对沸腾传热CHF的影响,研究表明:随着间隙尺寸的增加,核态沸腾起始点的壁面过热度和CHF增加。对于微小间隙内沸腾换热,气泡和传热面之间形成的微液膜蒸发使其获得良好的传热效果。在较小的间隙尺寸下,微液膜的厚度很薄,微液膜的蒸发需要较小的能量,因此在较小的壁面过热度下核态沸腾就会发生。随着间隙尺寸的增加,微液膜的厚度也不断增加,微液膜的蒸发需要的能量也在不断的增加,进而核态沸腾起始点的壁面过热度增加。此外,随着间隙尺寸的增加,液体从周围向传热面供给的阻力减小,液体更容易向传热面供给。因此在较大的间隙尺寸下传热面维持了较好的润湿状态,进而CHF提升。5、与普通的紫铜传热面相比,非均匀传热面微小空间内沸腾传热的CHF得到明显提升。在间隙尺寸为0.5 mm