本發(fā)明涉及散熱技術領域，具體涉及一種主動式強化傳熱裝置及傳熱方法。

背景技術：

熱能傳輸是許多工業(yè)過程中的關鍵環(huán)節(jié)，其包括能量產(chǎn)生和能量傳送。泡核沸騰是轉(zhuǎn)移大量熱能的高效手段，也是傳熱領域研究的熱點。通常泡核沸騰強化傳熱技術有兩個主要目的：一是最大化受熱表面單位溫度升高的熱轉(zhuǎn)移量（熱通量）；二是增加泡核沸騰熱轉(zhuǎn)移的上限，也被稱為臨界熱流密度。

典型的飽和池態(tài)沸騰傳熱曲線如圖1所示，從左到右主要分為以下幾個階段：自然對流時期、孤立汽泡時期、充分發(fā)展的泡核沸騰時期（簡稱汽塊時期）、過度沸騰時期以及穩(wěn)定膜態(tài)沸騰時期，其中幾個主要的時期轉(zhuǎn)折點為起始沸騰點（Onset Nucleate Boiling，ONB）、最大臨界熱流密度（Maximum Critical Heat Flux，CHF），以及最小熱流密度（Minimum Heat Flux，MHF），圖1中縱坐標q’’代表的是沸騰傳熱的熱流密度，橫坐標為log（ΔT_sat），ΔT_sat=T_w-T_sat，T_w代表的是傳熱壁面溫度，T_sat代表的是液體飽和沸騰溫度。從圖1中可以看到，到起始沸騰點（ONB）后，進入孤立汽泡時期，傳熱效率開始大幅提升，當?shù)竭_最大臨界熱流密度（CHF）后，進入過度沸騰時期，傳熱效率開始下降。

傳統(tǒng)的沸騰強化方法是基于對傳熱表面（即沸騰表面）的化學改性、物理形貌構造或者兩者兼而有之，例如對加熱表面進行噴砂處理以及表面刻溝槽結構等，來達到受熱表面單位溫度升高熱轉(zhuǎn)移的最大化和增加最大臨界熱流密度（CHF）的上限，進而達到強化沸騰傳熱的目的。Jo H J, Kim S H等已有研究表明，隨著受熱表面的疏水性增強，沸騰曲線中的ONB會左移，使在壁面過熱度比較低的情況下盡快進入換熱能力強的核沸騰傳熱階段。雖然這種方法傳熱效率都有所增加，但由于老化效應的影響，傳熱效率增強隨著時間的推移逐漸失效。而且上述方法的主要缺點在于通過強化表面特性實現(xiàn)的這種傳熱增強是靜態(tài)的，無法完成時空上的主動調(diào)控。而且，采用上述方法處理傳熱表面獲得疏水性傳熱表面（較小的接觸角）繼而使得ONB左移，Kandlikar定量地研究了潤濕性對于臨界熱流密度的影響，研究結果表面，降低接觸角，會使得CHF也同步左移，所以ONB和CHF無法同時兼顧。

為達到傳熱效率的最大化，通常人們希望通過提高傳熱壁面的疏水性加速起沸（ONB左移），通過提高加熱壁面的親水性推遲臨界熱流密度的到來（CHF右移）。目前尚沒有主動動態(tài)控制傳熱表面特性的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種主動式強化傳熱裝置及傳熱方法。

本發(fā)明所采取的技術方案是：

一種主動式強化傳熱裝置，包括電源組件、罩體和導電的傳熱壁面，所述傳熱壁面用于與發(fā)熱元件接觸，所述罩體與所述傳熱壁面固定連接，且兩者形成一容置腔體，所述傳熱壁面朝向所述容置腔體的表面上覆有一層疏水絕緣層，所述容置腔體內(nèi)填充有傳熱工質(zhì)，所述電源組件的兩極分別與所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)電性連接。

在一些具體的實施方式中，所述傳熱工質(zhì)為極性液體。

在上述方案優(yōu)選的實施方式中，所述傳熱工質(zhì)為水溶液或離子液體。

在一些具體的實施方式中，所述疏水絕緣層為單層的疏水絕緣層結構或絕緣層與疏水層復合層結構，當所述疏水絕緣層為絕緣層與疏水層復合層結構時，所述疏水層覆于所述絕緣層上。

在一些具體的實施方式中，所述疏水絕緣層的厚度為400-800 nm。

在一些具體的實施方式中，所述容置腔體為上部開口的容置腔體或密閉的容置腔體。

本發(fā)明還提供了一種主動式強化傳熱方法，包括以下步驟：

S1：在導電的傳熱壁面和傳熱工質(zhì)之間設置一層疏水絕緣層，所述疏水絕緣層將所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)隔離開來；

S2：將所述傳熱壁面與發(fā)熱元件接觸；

S3：在所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)之間施加電壓，動態(tài)調(diào)整電壓。

在一些具體的實施方式中，所述電壓≤100V。

在一些具體的實施方式中，所述傳熱工質(zhì)為極性液體。

在一些具體的實施方式中，所述疏水絕緣層為單層的疏水絕緣層結構或絕緣層與疏水層復合層結構，當所述疏水絕緣層為絕緣層與疏水層復合層結構時，所述疏水層覆于所述絕緣層上。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供了一種主動式強化傳熱裝置及傳熱方法，在導電的傳熱壁面和傳熱工質(zhì)之間設置一層疏水絕緣層，所述疏水絕緣層將所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)隔離開來；在所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)之間施加電壓，動態(tài)調(diào)整電壓，首先，本發(fā)明所述主動式強化傳熱裝置利用疏水性絕緣層的疏水性可以使得ONB左移，在比較低的壁面過熱度下提前進入高效的核沸騰傳熱階段，而當進入核沸騰傳熱后，在傳熱壁面和傳熱工質(zhì)之間施加一個電壓，通過電潤濕原理實現(xiàn)對傳熱表面進行潤濕性實時動態(tài)調(diào)節(jié)（通常隨外加電壓的升高從疏水向親水轉(zhuǎn)變），改變所述傳熱工質(zhì)在疏水絕緣層上的潤濕性能，抑制臨界熱流密度（CHF）的到來，避免傳熱效率下降。利用電場對壁面潤濕性快速連續(xù)調(diào)節(jié)的特性，可以依據(jù)傳熱效率的需求，實時調(diào)控沸騰傳熱曲線，以實現(xiàn)最優(yōu)化主動調(diào)節(jié)沸騰傳熱過程。而且該潤濕性的改變還具有快響應、可逆性和可控性等突出優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為典型的飽和池態(tài)沸騰傳熱曲線。

圖2為主動式強化傳熱裝置的截面圖。

圖3為通電過程中傳熱工質(zhì)在疏水絕緣層上的接觸角隨電壓的變化。

圖4為傳熱工質(zhì)在傳熱壁面的接觸角與CHF的關系。

具體實施方式

參照圖2，圖2為主動式強化傳熱裝置的截面圖，本發(fā)明提高了一種主動式強化傳熱裝置，包括電源組件6、罩體5和導電的傳熱壁面1，所述傳熱壁面1用于與發(fā)熱元件接觸，所述罩體5與所述傳熱壁面1固定連接，且兩者形成一容置腔體，所述傳熱壁面1朝向所述容置腔體的表面上覆有一層疏水絕緣層3，所述容置腔體內(nèi)填充有傳熱工質(zhì)4，所述電源組件6的兩極分別與所述傳熱壁面1和所述傳熱工質(zhì)4電性連接。所述傳熱工質(zhì)為極性液體，如水、鹽溶液、離子液體等。所述疏水絕緣層3為單層的疏水絕緣層結構或絕緣層與疏水層復合層結構，當所述疏水絕緣層3為絕緣層與疏水層復合層結構時，所述疏水層覆于所述絕緣層上。在優(yōu)選的實施例中，所述疏水絕緣層3為單層的疏水絕緣層結構，所述疏水絕緣層3為含氟聚合物，在本實施例中，所述疏水絕緣層3為cytop。所述疏水絕緣層的厚度為400-800nm。在本實施例中，所述容置腔體為上部開口的容置腔體。在其他一些實施例中，所述容置腔體可為密閉的容置腔體。

進行對比試驗，一組采用旋涂工藝在所述傳熱壁面1的表面涂覆727nm厚的cytop，得到所述疏水絕緣層3；一組采用絲網(wǎng)印刷技術在所述傳熱壁面1的表面涂覆720nm厚的cytop，得到所述疏水絕緣層3；然后分別在所述傳熱壁面1和所述傳熱工質(zhì)4之間施加一個電壓，動態(tài)調(diào)節(jié)電壓，并分析傳熱工質(zhì)4在所述疏水絕緣層3的接觸角隨電壓的變化，與理論曲線進行比較得到圖3，從圖3中可以看出，采用不同工藝制備得到的疏水絕緣層都符合理論曲線的規(guī)律，隨著電壓不斷增大，接觸角不斷變小，即逐漸由疏水狀態(tài)變?yōu)橛H水狀態(tài)。

Kandlikar在論文“A theoretical model to predict pool boiling CHF incorporating effects of contact angle and orientation”中定量地研究了潤濕性對于臨界熱流密度的影響，傳熱工質(zhì)在傳熱壁面的接觸角與CHF的關系如圖4所示，可通過提高接觸角，使得CHF右移，避免傳熱效率下降。常規(guī)的傳熱方法因為材料的潤濕性能（即接觸角）是固定的，無法改變接觸角使得CHF右移，但是在本發(fā)明所提供的主動式強化傳熱裝置中，可以通過改變電壓動態(tài)調(diào)控，提高接觸角，使得CHF右移。

本發(fā)明還提供了一種主動式強化傳熱方法，包括以下步驟：S1：在導電的傳熱壁面和傳熱工質(zhì)之間設置一層疏水絕緣層，所述疏水絕緣層將所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)隔離開來；S2：將所述傳熱壁面與發(fā)熱元件接觸；S3：在所述傳熱壁面和所述傳熱工質(zhì)之間施加電壓，動態(tài)調(diào)整電壓。首先，本發(fā)明所述主動式強化傳熱裝置利用疏水性絕緣層的疏水性可以使得ONB左移，在比較低的壁面過熱度下提前進入高效的核沸騰傳熱階段，而當進入核沸騰傳熱后，在傳熱壁面和傳熱工質(zhì)之間施加一個電壓，通過電潤濕原理實現(xiàn)對傳熱表面進行潤濕性實時動態(tài)調(diào)節(jié)（通常隨外加電壓的升高從疏水向親水轉(zhuǎn)變），改變所述傳熱工質(zhì)在疏水絕緣層上的潤濕性能，抑制臨界熱流密度（CHF）的到來，避免傳熱效率下降。不僅如此，利用電場對壁面潤濕性快速連續(xù)調(diào)節(jié)的特性，可以依據(jù)傳熱效率的需求，實時調(diào)控沸騰傳熱曲線，以實現(xiàn)最優(yōu)化主動調(diào)節(jié)沸騰傳熱過程。而且該潤濕性的改變還具有快響應、可逆性和可控性等突出優(yōu)勢。所述電壓的調(diào)控范圍為不超過100V。