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。     

组合表面调控液滴特性强化蒸汽冷凝传热

制备了具有不同疏水区宽度和面积分率的疏水-亲水间隔规则排列的组合表面。观测常压蒸汽在组合表面上冷凝时疏水区液滴的特性(液滴移除方式和最大液滴半径),利用格子Boltzmann方法模拟组合表面上凝液的运动。考察疏水区、亲水区宽度和表面过冷度对组合表面强化蒸汽冷凝传热的影响。利用滴状-膜状组合传热模型分析组合表面蒸汽冷凝传热性能的影响因素,并与实验结果比较。发现疏水区液滴自发地向亲水区定向迁移,精细设计的组合表面可以实现蒸汽滴状冷凝传热的强化,实验中强化因子可达1.20。疏水区宽度约为0.55 mm时组合表面的传热性能最大。表面过冷度越大,组合表面强化传热的效果越差,模型分析与实验结果吻合良好。     

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。     

钨铜合金电镀铜纳米线构建超疏水冷凝传热界面

为改变钨铜合金表面的亲水特性,提升钨铜合金的冷凝传热效率,先通过多孔阳极氧化铝(AAO)模板辅助电镀的方法在钨铜表面构建铜纳米线阵列,再用十八烷基硫醇修饰得到超疏水纳米界面,从而实现钨铜合金表面冷凝状态从膜状向滴状的转变。结果表明,电镀所得的铜纳米线阵列高度均匀,进一步修饰所得的超疏水界面在大气工况下无液滴粘附。在40°C的蒸汽条件下,超疏水表面过冷度为2 K时,其热流密度为89.14 kW/cm²,传热系数为44.28 kW/(m²·K),传热效率比光滑钨铜合金高出约1倍,并且在过冷度增大到15 K时依然保持滴状冷凝模式。     

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。     

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。     

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,...     

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.     

疏水表面结霜初期液滴生长的理论分析

研究了自然对流条件下疏水表面结霜初期冷凝液滴的生长过程, 建立了考虑不凝气影响的液滴传热及生长模型, 分析了表面接触角和冷面温度对液滴生长的影响。结果表明, 液滴生长过程中的主要热阻为液滴内部导热热阻和相界面热阻, 随着表面接触角的增大, 这两个主要热阻均增大, 因此表面疏水性越好, 液滴生长越缓慢;而由于冷凝传热温差随冷面温度降低而增大, 因此冷面温度越低, 液滴生长越快。     

冷凝液运动行为强化含有不凝气的蒸汽冷凝过程研究

基于场协同机制,对强化含有不凝气体的蒸汽冷凝过程的速度场与浓度梯度场协同作用进行了理论分析,提出利用冷凝液动态行为所产生的气液界面效应来强化混合蒸汽冷凝传热特性新思路.为进一步验证界面效应对气相传质扩散过程的影响,在不凝气摩尔含量为10%以内的混合蒸汽层流流动条件下,对冷凝液沿冷凝表面流动的常规膜状冷凝和冷凝液以液滴滴落方式定向脱离表面的两种排液方式下的膜状冷凝、冷凝液脉动的锯齿形滴膜共存冷凝和完全滴状冷凝四种模式下的冷凝传热特性进行了对比实验,比较分析了冷凝液运动行为影响传热特性的实质.实验结果表明,在不需要增加能耗的情况下,利用重力作用下冷凝液的运动行为产生的剪切作用和附加速度场,对气相边界层内的扩散传质过程能够产生协同作用,可以达到传热传质的无源强化效果.     

PVDF中空纤维换热管亲/疏水组合表面强化蒸汽冷凝传热

针对塑料换热管热导率低的问题,采用非溶剂致相分离法（NIPS）,通过控制铸膜液中磺化聚醚砜（SPES）添加量,制备出具有致密层/非致密层复合结构,外表面接触角分别为49.8°、78.1°的中空纤维表面亲水（PVDF/SPES）、表面疏水（PVDF）换热管,在非致密层内填充水,从而提高换热管导热性能。将单根的表面亲水、疏水换热管编织,在列管式塑料换热器壳程,利用两根换热管的外表面,构建蒸汽冷凝用亲/疏水组合表面,研究该表面上蒸汽冷凝传热强化效果。研究表明,较熔融拉伸法制备的致密PVDF换热管疏水表面,NIPS法制备的亲水表面、疏水表面及亲/疏水组合表面上的蒸汽冷凝总传热系数分别提高46.6%、56.5%、99.7%。可见,较单一的亲水或疏水表面而言,亲/疏水组合表面能够显著强化蒸汽冷凝传热性能。     

Facile Fabricating Strategy for Bioinspired Flexible Film with Cavitation: Liquid Super-Repellent Material with Stimulate-Response on Liquid Adhesion

Inspired by liquid super-repellent skin of springtail, air pockets with tiny openings are fabricated on the surface of polydimethylsiloxane (PDMS) to achieve a stable existence of gas between liquid and micro-nanostructure. After further low-energy grafting, the PDMS with air pocket microstructures shows a well hydrophobic and oleophobic property. When the liquid droplet fell on the fabricated surface, the positive pressure generated by the air pocket promotes the wetting state to be much fitting with the Cassie–Baxter model. Based on the super-repellent microstructures, the flexible material shows properties of anti-icing and anti-fog. Additionally, the positive pressure of the air pocket to liquid droplet changed to be negative when stretching stress is applied to the PDMS elastomer. Based on the changed pressure, wetting state of the liquid droplet reversed from super-low adhesion to high adhesion. The stimulus-responsive material with reversible wettability has great potential in the applications of microfluidic chip and controlled releasing liquid micro-droplets.     

粗糙疏水表面冷凝形核特性研究

为了研究疏水基底粗糙度对形核特性的影响规律,采用腐蚀及修饰的方法得到具有不同粗糙度的疏水基底,通过对基底表面粗糙度因子的计算和表观润湿角的测量,考察了基底粗糙度对基底表面水的表观润湿角的定量关系;在制备的粗糙基底上进行了冷凝蒸汽形核实验,利用统计方法得到基底粗糙度因子与冷凝液滴数量的关系。结果表明:基底微观形貌对水在基底表面的表观润湿性和形核特性具有显著影响,对于疏水基底,随着基底粗糙度的增加,水滴在其表面的表观润湿角增大;相同的基底过冷度下,越粗糙的基底表面蒸汽冷凝形核点越少。分析认为,基底微观形貌通过影响液胚在其表面的表观润湿角,进而改变异质形核功,造成了粗糙基底表面形核特性的改变。实验现象与基于Wenzel模型的粗糙基底异质形核理论取得了一致。     

超疏水表面有滑移时的层流换热分析

在考虑速度滑移的前提下,对于圆管形微通道内温度边界层充分发展的恒热流量对流传热,推导了速度和温度分布表达式,并进一步得到对流传热系数和Nusselt数计算式。此外,还针对超疏水表面不同结构参数下的滞留空气层,提出了超疏水表面的有效导热模型,推导出超疏水表面不同结构参数下的热阻。最后将传热系数与超疏水表面热阻进行耦合,得出超疏水表面有效传热系数及其与超疏水表面结构参数的关系。计算结果表明:超疏水表面上流体的滑移使得管内温度更加均匀,传热系数或Nusselt数有所增加,恒热流条件下最多可以增加1.8倍;超疏水表面热阻随肋间距和肋高的增加而增大;超疏水表面的表观传热系数随肋间距或孔宽的增加而显著降低,随肋高或孔深的增加,表观传热系数也降低,其幅度与肋间距以及肋高与肋间距之比有关;各种结构参数条件下均存在表面滞留空气层的临界厚度,在此厚度以下表面有效传热系数不低于普通表面无滑移时的数值。因此,需要综合考虑超疏水表面的结构参数,包括肋高、肋间隙等,才能使超疏水表面有利于传热。     

大气压附近蒸汽温度对滴状冷凝传热的影响

<正>滴状冷凝作为一种高效传热方式,自从被人们发现以来,许多研究者在这一领域作了大量研究工作.早期的研究主要集中在实现滴状冷凝的方法上.随着对滴状冷凝现象认识的加深,人们逐渐加强了对滴状冷凝传热机理的研究,提出了许多观点来解释滴状冷凝高效传热的原因,其中主要有两种假说,一种是液膜破裂假说,另一种是固定成核中心假说.     

不同润湿表面液体沸腾的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究纳米尺度下液氩在过热基板上的沸腾过程。通过调节固液间相互作用的方式改变壁面润湿性,模拟并分析了壁面润湿性对沸腾过程中能量传递和液体运动情况的影响。结果表明：不同润湿性表面均会发生固液分离的现象,但是固体表面附近吸附的氩原子数密度随润湿性增强而增大;润湿性较强时,液体的能量上升快,热通量高,液体内部温度梯度大,发生固液分离时间早,系统中氩的温度和能量低,上升过程中液氩密度、厚度变化小;润湿性较弱时,液体的能量上升慢,热通量小,液体内部温度梯度小,发生固液分离时间延后,系统中氩的温度、能量更高,上升过程中液氩密度、厚度变化较大。下部气体压力整体上大于上部气体压力,发生固液分离时润湿性越强的表面上液体上下压差越大,首次上升过程能达到的高度越高,所需时间越短。