超疏水表面实现滴状冷凝强化传热的研究进展

冷凝传热是各种工业领域中普遍存在的一种能量传输方式,分为滴状冷凝和膜状冷凝两种形式,其中滴状冷凝具有更高的传热系数和更优异的传热性能.在热交换器表面实现液滴的滴状凝结可以有效地提高其传热效率,对于减小热交换器的尺寸、提高能源利用率和节约能源都具有重要的现实意义.总结了近年构筑超疏水表面以实现滴状冷凝强化传热的研究进展,...     

微纳结构超疏水表面参数影响含不凝气蒸汽冷凝传热的理论分析

超疏水表面结构参数对滴状冷凝传热性能、液滴生长和分布均会产生影响。首先利用竖直壁面液滴的受力平衡确定了不凝气条件下蒸汽冷凝过程中液滴的脱落半径,随后建立了含不凝气蒸汽滴状冷凝的传热模型,研究了不同不凝气浓度和过冷度下超疏水表面微柱的柱间距对滴状冷凝传热性能的影响,得到了使超疏水表面冷凝传热性能达到最佳的柱间距值,并对其随不凝气浓度和过冷度的变化规律进行了分析。结果表明在所研究的过冷度范围内,当不凝气浓度较低时（<20%）,最佳柱间距随不凝气浓度升高而增大;而当不凝气浓度高于20%时,最佳柱间距随不凝气浓度升高而减小。为驱动含不凝气蒸汽冷凝传热性能的超疏水微纳结构参数的优化提供了必要的基础数据。     

金属基底超疏水表面制备技术发展及滴状冷凝强化传热应用展望

蒸汽冷凝过程在石油化工领域有着广泛的应用,滴状冷凝传热模式相比于传统的膜状冷凝方式其传热系数与传热效率大大提高,可作为节约能源和高效利用资源的重要手段。随着金属基底超疏水表面制备技术的发展,蒸汽滴状冷凝研究的不断深入,为滴状冷凝强化传热在工业上应用提供了理论依据和制备方法。介绍了近年来金属基底超疏水表面制备技术发展,评述各方法的特点,提出滴状冷凝强化传热工业化应用所面临的问题。     

PVDF中空纤维换热管超疏水表面强化蒸气滴状冷凝传热

为了提高塑料换热管的传热性能，通过两步涂覆法制备了具有超疏水表面的复合塑料换热管。首先采用多孔PVDF中空纤维膜为支撑层，以导热材料纳米ZnO填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）为皮层，制备了具有致密外表皮层的复合塑料换热管。其次为了强化蒸气的滴状冷凝传热，通过考察正硅酸乙酯含量，氨水含量等条件的影响，制备出了具有超疏水表面的PVDF复合塑料换热管。结果表明，所制备的换热管表面接触角可达154°，与熔融法及NIPS法制备的换热管相比，总传热系数可提高85.3%～147.3%。     

滴状冷凝强化含不凝气的蒸气冷凝传热机制

为了深入考察滴状冷凝强化混合蒸气冷凝传热传质过程的作用机制,在竖直表面上设计了完全滴状（DWC）、没有液滴向下脱落运动的条形分割滴膜共存（DFC）和膜状（FWC）3种冷凝形态的实验表面。对纯蒸气及含不凝气蒸气的冷凝传热过程进行了分析和实验研究,结果表明纯蒸气滴状冷凝与滴膜共存冷凝传热特性相近;而对含不凝气的冷凝,滴膜共存表面与膜状冷凝表面的传热特性相近;不凝气摩尔分数分别为0.9%、4.8%时,滴状冷凝较其他两种形态下的冷凝传热系数提高了30%～80%。其主要原因是由于混合蒸气冷凝传热阻力主要由气相边界层控制,滴膜共存冷凝并没有使气相的扩散传质过程得到强化,而完全滴状冷凝与设计的滴膜共存冷凝的区别在于后者仅存在小液滴的合并运动而没有大液滴向下脱落和对表面冲刷过程。根据二者实验结果的分析,认为滴状冷凝的大液滴脱落运动是影响气相传质的主要因素,大液滴脱落过程对气相边界层的扰动和剪切作用强化了气液界面传热传质特性。     

实现滴状冷凝的超薄聚合物表面冷凝传热的研究

在紫铜表面上制备了聚八氟环丁烷超薄有机聚合物表面,实现了水蒸气的滴状冷凝.对冷凝表面温度进行了实时动态检测,同时测定了表面性能及冷凝传热系数.     

超疏水表面润湿性能研究

润湿性能是固体表面的重要特征之一,具有特殊润湿性和可控润湿性材料因其巨大的应用潜力而成为人们关注的热点。介绍超疏水状态下Wenzel和Cassie-Baxter两种接触角模型及其相互关系,讨论了微纳米结构对疏水表面接触角的影响,总结了近年来超疏水表面制备技术的研究进展,并展望了超疏水表面润湿理论研究前景。     

超薄聚合物表面上滴状冷凝的传热研究

本文采用等离子体聚合和离子束动态混合注入技术在不同的基材(黄铜、紫铜、不锈钢和碳钢)上制备了聚六氟丙烯和聚四氟乙烯的超薄膜,并进行了垂直管外的水蒸汽的滴状冷凝实验。实验发现,对于不同的基材,表面制备的工艺参数对冷凝传热性能及维持滴状冷凝的寿命具有显著的影响。表面性能的测试和估算为预测给定蒸汽在某表面是否成滴提供了依据。     

超疏水表面的制备方法

近年来,超疏水表面因在生产、生活和基础研究领域具有广泛而重要的用途,引起了研究者的广泛重视。目前,关于超疏水表面的制备方法有很多,本文将介绍几种常见超疏水表面的制备方法。     

Ni-P化学镀层表面实现滴状冷凝传热

为了探索能实现滴状冷凝传热的表面制备技术,采用化学镀技术在碳钢表面制备非晶态Ni-P化学镀层,对其冷凝传热性能进行了实验研究。结果表明,Ni-P化学镀层表面常压水蒸气下实现了完全的滴状冷凝传热,表面热通量和传热系数均比膜状冷凝Nusselt理论计算结果提高了3～5倍。同时发现,镀层的非晶态是实现滴状冷凝传热形态的主要原因,经过热处理晶化后,表面形成的是滴膜共存的冷凝传热形态,冷凝传热强化效果显著降低。     

梯度表面能材料表面上滴状凝结换热

采用气相沉积（CVD）的方法,以十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷为扩散工质,制备了梯度表面能材料表面。对空气中水滴在水平梯度表面能材料表面上的运动现象和表面倾角为0°、30°、60°和90°情况下,梯度表面能材料表面上的水蒸气滴状凝结换热进行了可视化实验,研究了凝结液滴的长大、聚并、运动和脱落现象。结果表明：直径大于1 mm的凝结液滴峰值运动速度达到110 mm·s-1,远大于空气中液滴的运动速度。通过图像分析,分别讨论了壁面过冷度、凝结表面倾角和表面能梯度对换热和液滴运动的影响。结果表明：随着壁面过冷度的增加,凝结表面传热系数先增加后减小;当凝结表面倾角大时,由于重力作用加大,凝结表面传热系数也高;当表面能梯度较大时,运动液滴尺寸更小,速度更快,凝结表面传热系数更高。     

铜表面物理化学有序度对蒸汽冷凝特性的影响

研究了经不同粒度砂纸研磨后不同粗糙度纯铜表面的润湿性和蒸汽冷凝性能,分析了表面物理粗糙度和氧化引起的表面化学成分异质性对润湿性和冷凝传热性能的影响规律。结果表明,当铜表面粗糙度小于0.15 μm,增大粗糙度有利于增大接触角,而当粗糙度增大到0.15 μm后,继续增大粗糙度反而会减小其表面接触角。铜表面氧化后造成的化学成分异质性有利于增大接触角。表面微观结构和化学成分异质性的共同作用决定了铜表面的润湿性与蒸汽在其表面的冷凝模式。当粗糙度为0.15 μm左右时,氧化后铜表面表现出最佳的滴状冷凝状态,其冷凝传热系数达到Nusselt理论模型的3.5倍左右。但是表面粗糙结构同时也会增大液滴在金属表面的运动阻力,对冷凝传热性能产生不利影响。     

引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型

针对液固界面相互作用对滴状冷凝传热的影响,以Rose滴状冷凝传热模型为基础,考虑接触角、脱落直径对冷凝传热的影响,对滴状冷凝过程中液滴空间序列上的构象,作时间序列上的重构,建立了包含液固界面效应的滴状冷凝传热模型.模型计算结果表明液固表面自由能差越大、接触角滞后越小则越有利于冷凝传热.为滴状冷凝文献数据间存在差异的原因提供了一个新的解释,即液固界面效应的影响.模型可计算得到在不同界面条件下的不同传热结果,模型计算结果与Rose实验值以及本文滴状冷凝传热实验较为吻合.     

Dropwise condensation of different steam-air mixtures on various substrate materials

Dropwise condensation of different steam-air mixtures on three substrate materials (copper, aluminium and nickel) is studied. For each steam-air mixture, the heat flux, the heat transfer coefficient and the surface temperature are observed to be highest on copper and lowest on nickel substrates for the same identical test conditions. The above heat transfer variables are related to the bulk properties of the substrate. It is concluded that the presence of non-condensable gases is an inhibiting influence on the heat transfer performance in the condensation of steam. The normalized variables \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \frac{{h_i \left(\eta \right)}}{{h_i \left(o \right)}} $\end{document} and \documentclass{article}\pagestyle{empty}\begin{document}$ \frac{{T_{si} \left(\eta \right)}}{{T_{si} \left(o \right)}} $\end{document} are found to be functions of the air concentration only.     

Dropwise condensation on L-B film surface

A method of achieving dropwise condensation using Langmuir-Blodgett (L-B) built-up film technology is presented. One and three layers of barium stearate monomolecular film were prepared on the copper plates, and excellent dropwise condensation of steam was formed on the surfaces, respectively. The heat transfer coefficients of dropwise condensation on these treated surfaces are more than 30 times higher than that of filmwise condensation on a bare surface.     

聚四氟乙烯薄膜表面滴状冷凝传热实验研究

为了探索实现滴状冷凝传热的新表面涂层 ,采用离子束动态混合注入技术制备了紫铜基聚四氟乙烯(PTFE)薄膜 ,显著地提高了水蒸气冷凝传热性能。实验表明 ,该表面涂层能够实现常压水蒸气稳定的滴状冷凝形态 ,在表面过冷度 9.8— 1 4 .2K范围内 ,滴状冷凝传热通量和传热系数比膜状冷凝结果提高 30—47倍。同时发现 ,在大气压附近 ,热通量和冷凝传热系数都随着水蒸气蒸汽温度的增加而增加 ,但表面过冷度随蒸气温度增加呈弱增加趋势     

在复合镀层表面上实现滴状冷凝传热的研究

研究了采用Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合镀层表面实现水蒸气滴状冷凝的新方法。在对Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合电镀工艺研究的基础上，进行了水蒸气在无镀层的黄铜板表面和有复合镀层表面的冷凝传热的对比实验。实验结果表明，在Ｎｉ－ＰＴＦＥ复合镀层表面上可实现水蒸气的滴状冷凝，有着显著的强化冷凝换热效果。     

聚合物涂层竖板上水蒸气滴状冷凝传热特性的研究

The plasma polymerization method and dynamic ion-beam mixed implantation method were employed to coat ultra-thin polymer films on copper plates. Experiments indicated that steady dropwise condensation of steam at atmospheric pressure occurred. The condensation heat transfer coefficients increased by approximately 3 and 5---7 times for the polytrimethylvinylsilane film and polytetrafiuoroethylene film respectively, compaxed with the value for film condensation under the same experimental conditions. The temperatures on the condensing surface and inside the test block were found to be rapidly and randomly fluctuated. The properties of the coated films and advantages of the methods used in this investigation were discussed briefly.