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应用探析|高速摄像仪在单晶硅表面池沸腾可视化测量分析中的应用


1.高速摄像仪在材料中的应用

      单晶硅是一种活泼的非金属元素晶体,广泛应用于太阳能光伏发电、供热、能源存储等。新材料技术的不断进步,促使其向着极高效可用的趋势发展。故对不同结构的单晶硅表面池沸腾相变传热性能研究具有非常重要意义。 

      华北电力大学能源动力与机械工程学院的科研团队,利用千眼狼高速摄影测量分析技术对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测试验,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。

2.可视池沸腾实验与可视化分析
      科研人员设计搭建由方形沸腾池、温控加热系统、高速摄像及红外热成像系统、数据采集系统组成的实验台,可同时观测沸腾动力学过程和温度演变过程的可视化池沸腾,并利用涂覆导电膜的单晶硅作为沸腾基底表面,依次对光滑、微坑、微柱、槽型微柱四种试样进行试验(更多详情请见《化工学报》2019年第70卷第4期)。


图1 池沸腾实验台

      实验采用千眼狼高速摄像仪及红外热成像仪同步采集系统以从侧壁进行高速图像采集,以2320×1720的全高清分辨率,对不同结构单晶硅表面的核态沸腾过程中气泡运动过程及气泡演变过程中局部温度变化规律进行监测分析。

1/2.气泡动力学规律分析


图2 气泡动力学参数与有效热通量的关系曲线

      通过图2可知,光滑表面在沸腾初期核化密度较稳定,热通量q″从沸腾起始点(59kW/ m2)到108.5kW/m2范围内,脱离直径随有效热通量增大而增大并达到极大值;继续增大有效热通量,脱离直径开始减小直至2.1mm左右趋于稳定。对于气泡脱离时间而言,随着有效热通量增加脱离时间呈单调减小趋势。


图3 不同表面上沸腾气泡高速图片

      如图3可知,微坑表面为孤立气泡的核化提供了稳定的核化中心,沸腾气泡更易生成;同时其临界脱离直径较稳定,随有效热通量变化在 2.15~2.4mm区域内变化;而气泡脱离时间随有效热通量增大而缩短,且短于同有效热通量下的光滑表面的脱离时间,即实验中微坑结构不仅强化气泡的核化,同时也强化了气泡脱离。
      微柱表面,热通量(q″=35kW/m2)下即可观察到气化核心的产生;且受微结构的影响,微柱阵列提供了气泡核化中心,同时气泡生长引起微柱间隙的液体的微流动促进了气泡的脱离,使得表面气泡未发生合并即脱离,脱离时间缩短至几毫秒。
      槽型微柱表面,热通量下(q″=40 kW/m2)气泡优先在槽道内成核生长,且其脱离直径较大;随着有效热通量的增大槽道和微柱间隙的气泡都逐渐长大,且易发生气泡合并形成较大气泡。
2/2.局部温度演变规律分析
      试验采用高速摄像仪及红外热成像仪同步采集系统,观察四种试样表面单个孤立气泡生长运动过程壁面温度场演化规律。

图4 光滑表面单个气泡在周期内的温度演变规律

      如图4可知,光滑表面q″=89KW/m2时汽化核心处先形成一个气泡雏形,随相变的进行气液交界面外扩,气泡逐渐长大,同时气泡中心由于相变带走热量温度降低。q″=130KW/m2时,核化气泡迅速增大到最大气泡直径,且底部薄液膜消失,在气泡中心形成干烧区,且单气泡周期明显减小。


图5 微结构表面沸腾气泡形成脱离过程
      如图5可知,300μm微坑表面在过热度较高的微坑处气泡初始核化,但受有限表面在界面处的温度梯度以及界面附近的Maragoni微对流的影响,气泡会出现从微坑向边界移动的滑移现象,促进了上一代气泡的快速脱离,从而增大了气泡的脱离频率。
      微柱表面生成气泡时,当t值不断增加时,微柱间隙内的微小核化点密集的区域上的气泡不断长大并合并成为大气泡;当t=14ms时该气泡脱离壁面,此脱离过程的时长仅为10ms数量级。在整个气泡运动过程中,微柱的存在大大提高了壁面的温度均匀性,抑制了由          于气泡干斑区内温度过高换热不良而造成的沸腾恶化,因此微柱的存在可以有效地提高临界有效热通量。
槽型微柱表面气泡的吸纳合并作用发生在气泡生成极短的时间内,槽内气泡来不及长大即被快速侧吸到微柱区与大气泡合并脱离;壁面温度的均匀性也相应提高。但槽道的宽度对壁面温度的均匀性存在影响,宽度加大可以造成中间气泡无法被 侧吸,引起局部过热。
3.结论
      试验结果表明单晶硅表面微结构设计显著降低了核化沸腾的起始过热度,利用微结构对槽道内气泡的侧吸作用,可控制气泡的快速汇聚、脱离以及沸腾气泡的空间分布位置。通过高速摄像仪对采集的气泡运动试验过程进行分析,可掌握单晶硅表面微结构气泡动力学过程各阶段换热机理,可优化单晶硅局部微结构设计,为为新型材料研究带来更可靠的应用价值。