多孔介质内分散游离颗粒微纳复合结构的创建及其沸腾传热强化机理的研究

Porous media for enhancement of boiling heat transfer technology is the focus of the chemical engineering development. The surface-interface transfer process is a controlling step of phase change heat transfer. How to realized heat transfer in small temperature difference conditions is a breakthrough to improve energy efficiency. This project puts forward that building free particles/ porous media (FPPM) microscopic structure for enhancement boiling take advantage of the tremendous superiority in starting boiling, reduce wall superheat, restrain critical heat flux, etc. Boiling heat transfer performance and bubble dynamics phenomena will be evaluated by High-speed imaging and infrared imaging system, and enhancement of boiling heat transfer mechanism will be reveal in free particles/porous media (FPPM). The content include: the FPPM forming mechanism on preparation process and the particle size/pore structure; the momentum and heat transfer law in internal structure of FPPM; the capillary phenomenon caused by variation of pore and particle size etc. in boiling conditions will be studied. The project aims to explore the enhancement of boiling heat transfer mechanism by boiling heat transfer phenomena on FPPM, and provided experimental and theoretical basis for promoting the use of coal energy in Inner Mongolia Autonomous Region and machinery manufacturing engineering, metallic material and other subject.

多孔介质表面沸腾传热强化技术是未来化工发展的焦点问题之一，表（界）面的传递过程往往是相变传热的控制步骤，如何实现低温差环境的传热是提高能源、资源利用效率的重要突破点。本项目对此提出：1）利用多孔表面在提前起始沸腾、降低壁面过热度、抑制临界沸腾等方面的巨大优势，创建以游离颗粒镶嵌于多孔介质（FPPM）的微观结构用于强化沸腾传热；2）通过CCD及红外热像成像等手段表征沸腾传热性能及汽泡动力学现象，揭示自由颗粒/多孔表面强化沸腾传热机理。具体内容包括：FPPM的制备工艺及其颗粒尺寸/孔径结构成形机理研究； FPPM结构内部动量及热量传递规律；研究微/纳多孔结构在沸腾环境条件下的孔径、颗粒粒度等演化规律造成的表面毛细现象的变化；本项目旨在通过对FPPM功能表面上的沸腾现象的研究，探索强化传热机理，对推动内蒙古自治区煤炭能源利用、金属材料等行业和学科之间的交融发展提供实验及理论依据。

多孔介质沸腾传热因其核化点数及传热面积增加，蒸汽释放阻力小等特点，一直是现代传热学研究热点，被广泛用于热能动力及低温工程等重要工业领域的关键过程。本项目从改善多孔介质结构入手，从以下几个方面展开了研究：.1.可控性3D混合亲-疏水多孔表面：将不同湿润特性材料组合制备功能分区多孔表面，考察气泡核化以及液相回流在功能区分布特性。疏水区域功能为降低起沸点及核化自由能，以期在较低的过热度条件下有效核化；亲水多孔区域则为液体回流提供较大的毛细吸力，以提高其气泡生长所需物质媒介。.2. 在多孔介质表面构建纳米毛细结构，生成微/纳米复合结构传热表面。纳米结构团簇及多孔结构促进成核位点生成，高导热性加强固液两相之间热量传递，使其在较低过热度条件下发生沸腾。此外，在气泡产生过程中微液层的产生促进了沸腾热交换的增强；而纳米结构有效促进了液体回流，从而强化传热沸腾。.3. 多孔介质内添加自由颗粒构建自由颗粒/多孔介质复合结构。微米级铜颗粒以自由状态分散于多孔介质内部，在降低核化自由能的同时，通过自由颗粒在沸腾过程中扰动对流传热以及强化提高其传热性能。结果表明:自由颗粒可以通过相互碰撞增大其传热效率，自由颗粒与多孔介质壁面的碰撞会引起回流液体的扰动并破坏边界层，进一步提高了传热效率。.4. 在多孔介质表面激光刻蚀平行微槽道，微米级微槽道整齐排列在多孔介质表面，并且在边缘部分存在一定纳米级微孔。在增加成核位点的同时，通过微/纳米结构为液体回流提供较大的毛细吸力；同时微槽道尺寸对气泡生长产生限制，使其在较小直径下脱离传热表面，从而缩短气泡生长周期，强化沸腾传热。.5. 在多孔介质表面激光刻蚀交错微槽道，在边缘部分存在一定数量纳米级微孔。微槽道结构提供充足的成核位点，底部与多孔介质形成夹角，提供沸腾活化点；多孔介质为液体回流提供较大的毛细吸力；同时微槽道尺寸对气泡生长产生限制，使其在较小直径下脱离传热表面。