Медьсодержащие поверхности, текстурированные наносекундным лазером и гидрофобизированные самоорганизующимися монослоями, для интенсификации теплообмена при кипении в большом объёме

Возрастающие требования к охлаждению многих компактных систем, характеризующихся высокими плотностями теплового потока, обусловливают необходимость разработки высокоэффективных методов охлаждения, включая иммерсионное охлаждение с использованием кипения в большом объёме. В настоящем исследовании представлена функционализация медных поверхностей для создания интерфейсов с интенсифицированным теплообменом при кипении в большом объёме. С использованием наносекундной лазерной текстуризации были сформированы три типа поверхностных структур — перекрёстный рисунок, мелкие каналы и глубокие каналы — для модификации микро- и наноморфологии поверхности. Каждый тип структуры исследовали в исходном супергидрофильном состоянии и в супергидрофобном состоянии после гидрофобизации, достигнутой нанесением наноразмерного самоорганизующегося монослоя фторированного силана. Оценку характеристик кипения проводили в трёх последовательных испытаниях в условиях насыщения при атмосферном давлении, используя воду в качестве теплоносителя. Все функционализированные поверхности продемонстрировали улучшенные характеристики теплообмена при кипении по сравнению с необработанным образцом сравнения. Наибольшая критическая плотность теплового потока, 1697 кВт м−2, была достигнута на гидрофобизированной поверхности с мелкими каналами. Наибольший коэффициент теплоотдачи, 291,4 кВт м−2 К−1, был зарегистрирован на гидрофобизированной поверхности с глубокими каналами в начале достижения CHF; это соответствует улучшению на 775% по сравнению с наибольшими значениями, полученными для необработанного образца сравнения. Микроструктура поверхности была определена как ключевая причина повышения параметров теплообмена. Несмотря на значительные различия в смачиваемости поверхностей, гидрофобизированные поверхности демонстрировали сопоставимые или даже более высокие значения CHF по сравнению с гидрофильными аналогами, которые традиционно считаются более благоприятными для достижения высоких значений CHF. На гидрофобизированной поверхности с глубокими каналами наблюдалось значительное уменьшение диаметра отрыва пузырьков, что связывается с эффективным удержанием пара и рассматривается как одна из основных причин наблюдаемой исключительно высокой интенсивности теплообмена при кипении...