[發明專利]一種混合蒸氣冷凝傳熱強化表面、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201711310877.0
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108097553B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 馬學虎;程雅琦;蘭忠
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B05D1/00
• 分類號: B05D1/00;C23F1/34;B05D7/14
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 楊翠翠

本發明屬于強化傳熱與節能技術領域，具體涉及一種V形槽超疏水表面及其在混合蒸氣冷凝傳熱強化中的應用。該冷凝表面為二級結構，由亞毫米的V形槽結構和納米粗糙結構構成。混合蒸氣冷凝過程中，基于不凝氣在亞毫米級V型溝槽內累積的特點，大過冷度下，V形槽頂部冷凝液滴為Wenzel潤濕模式，可實現液滴的快速冷凝，V形槽底部冷凝液滴為Cassie潤濕模式且生長緩慢。隨Wenzel液滴長大，在Laplace壓力的作用下，液滴向V槽外自驅運動，固液接觸面積減小，即導致液滴與表面之間的黏附力降低。當液滴生長至半徑等于V槽頂部寬度時以沖刷形式脫落，使冷凝壁面得到更新的同時，還可實現對不凝氣層的擾動，從而強化混合蒸氣冷凝傳熱。

技術領域

本發明屬于強化傳熱與節能技術領域，具體涉及一種冷凝傳熱強化表面的制備及其應用。具體地說是對換熱表面進行加工及改性處理，并將其應用到混合蒸氣冷凝換熱設備中。

背景技術

蒸氣冷凝傳熱過程組為工業生產和應用中最基本的操作過程之一，在制冷、化工、動力、發電和航天熱控技術等領域都具有廣發的應用背景。蒸氣冷凝傳熱強化技術對于能源動力系統的高效化、集成化具有至關重要的作用。實際應用中對蒸氣冷凝過程的強化方法有很多種，如增加混合蒸氣流速、安裝折流板、外加電場或磁場等，但是這些有源強化方法使傳熱得到強化的同時，功耗也相應增加。隨著能源的日益緊缺，采用無源強化方法，如利用固液界面效應或氣液界面效應，強化蒸氣冷凝傳熱過程，是實現節能減排的有效策略。

冷凝液在傳熱表面上的聚集形態及冷凝過程中的凝液動態對冷凝傳熱過程具有重要影響。相比于傳統的膜狀冷凝而言，滴狀冷凝模式具有更小的傳遞熱阻和更高的傳熱效率。超疏水表面能夠通過液滴彈跳大大降低液滴脫落尺寸，可以以較小的換熱面積來達到所需的換熱量，因而對于研發出緊湊的冷凝換熱設備具有重要意義。

然而，對于只具有納米結構或微米-納米二級結構的普通超疏水表面而言，液滴彈跳對冷凝條件的要求十分苛刻，只能在較小過冷度下實現液滴彈跳，而在高過冷度下，冷凝液滴呈現Wenzel潤濕模式，其與表面之間的黏附力增大，液滴運動能力減弱，無法實現液滴合并彈跳，只能在重力作用下脫落，且液滴在脫落后殘留厚液膜，增大了傳熱熱阻，極大的限制了超疏水表面在冷凝中的應用。Miljkovic等（1. MILJKOVIC N, ENRIGHT R, NAM Y,et al. Jumping-droplet-enhanced condensation on scalable superhydrophobicnanostructured surfaces [J]. Nano letters, 2013, 13(1): 179-87.）制備了具有刀片狀納米結構的超疏水表面，并進行了蒸汽冷凝實驗，結果表明小過冷度下，液滴呈現Cassie潤濕模式并通過彈跳脫離冷凝表面，液滴脫落尺寸約為7μm；大過冷度下，液滴呈現Wenzel潤濕模式并展現出強烈的釘扎效應，液滴脫落尺寸約為2mm，其傳熱性能比液滴彈跳傳熱惡化了約54%。Hou等（2. HOU Y, YU M, CHEN X, et al. Recurrent Filmwise andDropwise Condensation on a Beetle Mimetic Surface [J]. ACS NANO, 2015, 9(1):71-81.）在硅上制備了親水柱-疏水納米草組合的陣列超疏水表面，蒸汽在親水柱頂端為膜狀冷凝，且以固定接觸線形式迅速生長轉變為液滴，隨著柱間液滴合并，固液面積分率減小，實現了百微米液滴的合并彈跳，傳熱效果較納米超疏水表面提高了約160%。

受海鳥飲水時長喙的反復張合的啟發，作者（3. XU W, LAN Z, PENG B, et al.Directional Movement of Droplets in Grooves: Suspended or Immersed [J].Scientific Reports, 2016, 6:18836.）曾針對毫米級液滴的自驅運動行為進行了研究，通過實驗考察了單個液滴在V形溝槽內的穩定駐留模式以及液滴體積變化過程中液滴的動態演化特征，發現了界面張力和溝槽結構共同驅動液滴運動的行為。