CN102269539A - 超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法及装置 - Google Patents

超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水表面冷凝传热性能控制方法及装置，特点是，将冷凝换热器表面进行改性成为成具有一定微观结构的超疏水表面，用包括计算机、控制模块和实现模块的装置，首先实现滴状冷凝；然后对冷凝换热器主体施加机械带宽微振动迫使某一尺寸或某一尺寸范围冷凝水滴从换热器表面快速脱落。达到控制滴状冷凝传热性能的目的。本发明的有益效果是可以实现冷凝传热的强化，同时对换热性能的强弱进行控制。利用对换热表面加载微振动的方式，使得凝结液滴的浸润状态发生转变，液滴易从表面脱落，同时，所加载机械振动为一宽频率振动，可对不同大小凝结液滴产生作用。控制滴状凝结过程中的脱落直径，实现对滴状凝结换热强弱的控制。

Description

超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法及装置，属于强化传热及控制技术领域。
背景技术
自二十世纪三十年代Schmidt等发现滴状凝结现象以来，滴状冷凝换热以其高效的换热性能一直备受业界关注。为了得到良好的滴状冷凝换热表面，采用了许多方法，如在换热表面镀上金、银、铑、钯、钼等贵重金属，由于这些金属高昂的价格，这种方法很难在行业推广。在蒸汽中添加有机促进剂，如氟化二硫化碳，也可以实现珠状凝结，这种方法由于对蒸汽和冷凝液造成了污染并会对冷凝表面产生污损和腐蚀，一般只能在特殊情况下应用。二十世纪九十年代以后，业界开始尝试在换热表面镀PTFE、PFA以及ETFE膜等低表面能物质来实现珠状凝结，但由于这些镀层靠物理或者化学吸附作用与表面结合，结合力较弱，使用寿命较短，一般只有数百小时，在运行环境恶劣的情况下，应用寿命还会缩短，因此，也没有得到工程应用。
近些年来，随着纳米技术的发展，纳米超疏水材料制备的日臻成熟，开始尝试将纳米超疏水材料应用到冷凝器的设计和制造中，为此，就超疏水表面的制备、微观传热机理以及传热特性等方面进行了大量卓有成效的工作，并取得了大量的成果。在实现冷凝换热器盘管表面由膜状凝结转变微滴状凝结方面取得了很大的成功。然而，目前的研究表明，在冷凝情况下，由于蒸汽能够进入到超疏水表面的微观结构中，形成“粘性”很强的文策尔（Wenzel）水滴，使得超疏水表面上液滴不能快速脱落，换句话说，冷凝条件下超疏水表面并没有形成强超疏水的卡西（Cassie）状态水滴，超疏水表面失效了。因此，目前利用超疏水表面实现的滴状冷凝过程中，冷凝液滴是在增长到一定阈值后在重力作用下自然脱落，由于脱落的液滴尺寸较大时热阻也较大，使得冷凝传热系数，尤其在低冷凝负荷时并不能得到大幅提高。如何在冷凝条件下恢复超疏水表面的强疏水性成为目前提高滴状冷凝传热性能的重要问题。
发明内容
针对上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种新使得超疏水表面的冷凝液滴强制脱落并控制冷凝液滴脱落尺寸和脱落频率，进而根据负荷要求控制滴状冷凝传热性能的方法及装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是，一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法，特点是，该方法主要包括以下步骤：
(1) 在冷凝换热器表面加工制备微凸结构的超疏水表面，微凸结构型式为微圆柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱；
(2) 信号发生/合成器与功率放大器相连，功率放大器与微振动换能器相连，将微振动换能器和冷凝换热器的冷凝管道固紧，信号发生/合成器产生激励电信号，经功率放大器放大之后驱动微振动换能器产生1～300Hz带宽频率的机械微振动，加载于冷凝换热器主体，由冷凝换热器的传热性能检测单元对冷凝换热器性能进行测试，将将检测到的信号传输给反馈控制调节单元，根据反馈的传热性能信号更新预设定正弦信号的频率及振幅，再对信号发生/合成器和功率放大器进行调节，从而调节微振动换能器的微振动信号频率及振幅；
 (3) 测定冷凝换热器表面某一凝结液滴尺寸，计算该体积液滴共振频率：计算该凝结液滴共振频率，对于一定尺寸的液滴，当施加的微振动频率和其共振频率一致时，其振动幅值达到最大，附着于固体表面的液滴，其共振动频率                                               
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE002
为
  （5）
其中
式中，g为重力加速度；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE012
为液滴的表面张力；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE014
表示液滴的密度；V为液滴的体积；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE016
为从液滴底部到定点的边界弧长，和液滴尺寸以及接触角有关；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE018
为液滴在超疏水固体表面的表观接触角；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE020
为液滴与固体表面的接触直径；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE022
为液滴直径对冷凝换热器加载该频率的微振动，通过调整微振动振幅，在某一振动参数下使得已知尺寸的冷凝液滴浸润状态发生超疏水状态卡西（Cassie状态）转变，从而使该冷凝液滴从换热表面快速强制脱落，根据不同体积大小液滴的共振频率与发生转变时的振幅阈值，对信号发生/合成器进行带宽频率微振动信号合成，可快速诱导某一尺寸范围的冷凝液滴快速转变为超疏水状态，实现快速脱落，利用本步骤可以实现对冷凝器传热性能的小范围调节； 
(4) 重复步骤（2）、（3），确定在共振频率下不同尺寸冷凝液滴在浸润状态发生转变时所加载机械微微振动频率及振幅；
(5) 根据所确定的冷凝液滴脱落尺寸范围，将各液滴脱落尺寸对应的浸润状态发生转变时加载的微振动的波形叠加，得到一宽频机械微振动合成信号；
(6) 将从(5)中得到的合成信号经信号发生/合成器输出，经功率放大器进行功率放大再接入换能器，产生相应的宽频微振动信号，作用于微振动换热器主体，根据共振理论，可以实现对滴状冷凝某单一尺寸范围液滴脱落尺寸和脱落频率的控制，利用本步骤可以实现冷凝器传热性能的大范围调节。
一种实现超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法的装置，其特点是，该装置主要包括计算机、控制模块和实现模块，所述的控制模块包括信号发生/合成器、功率放大器以及反馈控制调节单元；所述的实现模块包括微振动换能器、滴状冷凝换热器以及传热性能检测单元；所述调频、调幅信号发生器与功率放大器连接，功率放大器与微振动换能器相连接，微振动换能器固紧在冷凝器冷凝管道上；所述信号发生/合成器预设定的频率、振幅信号经功率放大器放大后驱动微振动换能器产生与信号发生/合成器产生的相应带宽频率和振幅的机械振动，加载于滴状冷凝换热器，通过传热性能测试单元对冷凝器性能进行测试，将检测得到的信号传输给反馈控制调节单元，传热性能检测单元由流量计以及温度等传感器组成，对冷凝器传热性能进行检测并给出测量结果，并把测量结果反馈信号控制调节系统，信号调节系统对传热性能情况进行判断，同时根据要求调整微振动的频率和振幅，并把新生成信号经信号发生/合成器传输到功率放大器，再进行控制调节驱动微振动换能器的机械振动。
所述的信号发生/合成器生成一定频率范围的正弦波信号，通过计算机逻辑编程可实现单一频率或某一带宽频率正弦信号的输出，并根据传热性能反馈信号对频率进行调节。
超疏水表面滴状冷凝传热性能控制原理：
(1) 当蒸汽在冷凝换热器表面冷凝时，由于蒸汽的颗粒尺度和超疏水表面微观几何结构在同一数量级，因此蒸汽颗粒很容易侵入到微观结构内，进而随着冷凝的进行形成液核并不断成长，这种情况下形成的液滴即文策尔（Wenzel）液滴，实验表明具有很强的“粘”性，即使将超疏水表面倾斜很大角度液滴也不能脱落（Yang-Tse Cheng的研究发现倾斜至73.7
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE023
液滴才能脱落），使得冷凝表面的传热热阻加大，传热性能下降。
文策尔（Wenzel）状态液滴侵入了粗糙表面微结构内，其接触角与表面粗糙度的关系为
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE025
    （1）
式中，
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE027
为液滴在固体表面的表观接触角，
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE029
为表面粗糙度，是指实际的液-固界面真实接触面积和表观（或投影）面积之比（
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE031
）；
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE033
为杨氏接触角。
与文策尔（Wenzel）液滴不同，当蒸汽冷凝时如果液核在超微结构柱体顶部生成，则形成的液滴没有侵入到微观结构内部，此时形成的液滴为卡西（Cassie）状态，粘性极其微弱，表面稍微倾斜液滴即能滚落。卡西（Cassie）状态液滴在表面微结构底部截留了一部分空气，其接触角与表面微结构的关系为
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE035
（2）
式中，
Figure 2011102747843100002DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为设想为粗糙表面由两种物质组成的复合表面时每种物质所占的表面份额；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为液滴在两种物质表面对应的本征接触角，假设这两种不同的表面以极小的片块均匀分布，每一片块的面积都远远小于液滴的表观尺寸，假设在液体铺展过程中两种表面所占分数
Figure 210644DEST_PATH_IMAGE037
和保持不变。
由于空气对水的接触角为180°，即
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，因此上式可以变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
 （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为表面微结构在单位面积上所占的比例。在实际中，液滴一般处与文策尔（Wenzel）与卡西（Cassie）共存的状态，即液滴侵入到微结构内的某一位置，但没有侵入到微结构底部，在微结构底部截留了一部分空气，称之为文策尔-卡西（Wenzel-Cassie）状态液滴，和文策尔（Wenzel）状态一样，这种型式的液滴也具有很强的粘性。文策尔（Wenzel）状态、文策尔-卡西（Wenzel-Cassie）状态以及卡西（Cassie）状态液滴是超微结构表面主要存在三种浸润状态，如图1所示。本发明即涉及一种将文策尔（Wenzel）状态或文策尔-卡西（Wenzel-Cassie）状态快速转变为卡西（Cassie）状态液滴的方法。
(2) 在微振动作用下，超疏水表面的液滴会产生振动形变，即表现出不同的形变模式，如图2所示。定义形变模数j为施加微振动后的形变液滴和静止时液滴的相交节点数的一半，例如图2所示的液滴在微振动作用下的形变模数即为j =6/2 =3（图2中有6个相交节点）。定义伪波长λ为沿液滴表面两个相邻节点间的平均距离，即
Figure DEST_PATH_IMAGE051
  （4）
式中，q为不同形变模式下的伪波矢量。
(3) 对于一定尺寸的液滴，当施加的微振动频率和其共振频率一致时，其振动幅值达到最大，附着于固体表面的液滴，其共振动频率为
Figure 198605DEST_PATH_IMAGE004
  （5）
其中
Figure 12977DEST_PATH_IMAGE006
Figure 835440DEST_PATH_IMAGE008
式中，g为重力加速度；
Figure 114422DEST_PATH_IMAGE012
为液滴的表面张力；
Figure 783301DEST_PATH_IMAGE014
表示液滴的密度；V为液滴的体积；
Figure 776665DEST_PATH_IMAGE016
为从液滴底部到定点的边界弧长，和液滴尺寸以及接触角有关；
Figure 593311DEST_PATH_IMAGE018
为液滴在超疏水固体表面的表观接触角；
Figure 330323DEST_PATH_IMAGE020
为液滴与固体表面的接触直径；
Figure 853708DEST_PATH_IMAGE022
为液滴直径。
(4) 当对换热器主体施加某一频率和能量的机械微振动时，其表面上的液滴也会随之振动。在共振频率下，液滴可以充分吸收振动施加给它的能量，其被作用的能量大小有如下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
   （6）
式中， 
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为施加的机械微振动的频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为微振动振幅的峰峰值。
要使处于文策尔（Wenzel）状态的某一尺寸冷凝液滴转变为卡西（Cassie）状态所需要的能量为
   （7）
式中，
Figure 158919DEST_PATH_IMAGE012
为液滴的表面张力，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为固体的杨氏接触角，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为微结构突起的间距，K为比例系数。因此，当所施加的机械微振动提供的能量
Figure 213594DEST_PATH_IMAGE053
足以克服液滴浸润状态发生转变所需的能量时，液滴从文策尔（Wenzel）状态转变为卡西（Cassie）状态，此时，液滴可以快速从冷凝器表面脱落。
(5) 对换热器主体施加单一频率的微振动时，只有共振频率与该频率一致的液滴可以实现从文策尔（Wenzel）向卡西（Cassie）状态的转变，即只能诱导某一尺寸的液滴实现转变。通过上述公式计算出多个尺寸液滴进行卡西（Cassie）状态转变的频率和能量，进行信号合成，得到一个带宽频率振动信号，将该合成的带宽频率信号施加到换热器主体，实现某一范围液滴同时从文策尔（Wenzel）向卡西（Cassie）状态的转变，如图3、图4所示。这样，根据实际工程传热性能需要，通过控制液滴的脱落尺寸和频率，即可以实现对传热性能的控制。
(6) 图6应用微振动实现冷凝换热器传热性能控制装置图。调频、调幅信号发生器发出电信号进行功率方大后施加到振动换热能上产生机械微振动，在微振动的诱导下促使液滴由文策尔（Wenzel）状态转变为卡西（Cassie）状态。
利用本发明提供的方法及装置的有益效果是可以实现冷凝传热的强化，同时对换热性能的强弱进行控制。这是由于在本发明中，利用对换热表面加载微振动的方式，使得凝结液滴的浸润状态发生转变，液滴易从表面脱落，同时，所加载机械振动为一宽频率振动，可对不同大小凝结液滴产生作用。通过控制振动频率的带宽来控制滴状凝结过程中的脱落直径，实现对滴状凝结换热强弱的控制。
附图说明
图1 为本发明中所涉及的在超微结构表面液滴的两种浸润状态的示意图；
图2 为液滴在微振动作用下的形变模式示意图；
图3 为施加单一频率振动只能诱导谋图某一尺寸液滴脱落示意图；
图4为施加宽频率微振动可诱导谋图某一范围液滴脱落示意图；
图5为实现冷凝换热器传热性能控制方法的装置框图；
图6为实现冷凝换热器传热性能控制方法的装置具体实施原理图。
具体实施方式
冷凝换热器传热性能控制方法的具体实施步骤为：
(1) 在冷凝换热器表面加工制备微凸结构的超疏水表面，微凸结构型式为微圆柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱。
（2）按图5所示，建立冷凝换热器传热性能控制装置。
（3）根据需要脱落的滴状冷凝液滴尺寸，根据该尺寸通过公式（5）计算出液滴共振频率，设定信号发生/合成器的正弦信号频率，该正弦信号输出经功率放大器进行功率放大进入微振动换能器，产生相应的宽频微振动信号，作用于滴状冷凝换热器主体，通过调整微振动振幅，在共振频率下使得已知尺寸的冷凝液滴浸润状态转变为超疏水的卡西（Cassie）状态，从而使该冷凝液滴从换热表面快速强制脱落，实现对滴状冷凝某单一尺寸液滴脱落尺寸的控制。液滴的快速脱落减小了滴状冷凝换热器表面热阻，实现了滴状冷凝换热器传热性能的提高。
（4）重复步骤（3），确定在共振频率下不同尺寸冷凝液滴在浸润状态发生转变时所加载机械微振动振幅。根据本步骤，通过对某一尺寸的液滴脱落尺寸和脱落频率进行控制，实现对滴状冷凝换热器换热性能的微调。当滴状冷凝换热器传热性能距离要求较大时，进行粗调，即大范围调节，此时要求滴状冷凝换热器表面的液滴都要快速脱落。
（5）根据由步骤(3)、(4)所确定的冷凝液滴脱落尺寸，将各液滴脱落尺寸对应的浸润状态发生转变时加载的信号进行叠加合成，得到一个宽频信号。将该合成信号输入到数字信号发生装置生成后，进入功率放大器，然后施加到微振动换能器7，诱导某一尺寸范围的液滴快速脱落，从而大大减小了传热热阻，使传热性能快速提高。这样，根据实际工程传热性能需要，通过控制液滴的脱落尺寸和频率，即实现对传热性能和脱落频率的控制。
冷凝换热器传热性能控制装置的具体实施方式：
由图6所示，一种滴状冷凝传热性能控制装置，该装置包括蒸汽进口1、凝结水出口2、冷却水进口3、冷却水出口4、管板5、冷却水回流室6、微振动换能器7、实时控制计算机8、传热性能检测单元9、微振动换能器控制总线10、流量温度信号总线11、控制机箱12，所述的滴状冷凝传热性能控制装置上端开有蒸汽进口1，下端开有凝结水出口2，左侧上下开有冷却水进口3和冷却水出口4，所述的凝结水出口2接有传热性能检测单元9，所述的滴状冷凝传热性能控制装置内部置有冷却水回流室6，所述的冷却水回流室6由冷凝管道和管板5柔性连接而成，冷凝管道左右两端分别置有微振动换能器7，与计算机8相连接的控制机箱12通过微振动换能器控制总线10和微振动换能器7连接，通过流量温度信号总线11和传热性能检测单元9相连接。所述的传热性能检测单元9由流量计与温度计组成，对冷凝器传热性能进行检测并给出测量结果，并把测量结果反馈到反馈控制调节单元，反馈控制调节单元根据传热性能情况对判断信号频率的大小，并进行调节，把调节后的信号传送给信号发生/合成器，信号发生/合成器调节信号发生频率。
本发明采用的微振动换能器可产生1～300Hz的低频微振动，并使和其连接的冷凝器产生相应频率的微振动，诱使冷凝器表面的液滴由文策尔（Wenzel）或文策尔-卡西（Wenzel-Cassie）状态转变为卡西（Cassie）状态，进而迅速脱落，图1所示。根据共振原理，液滴尺寸不同，则其固有频率不同，因此，加载不同频率的微振动可诱使不同尺寸的液滴脱落，而施加某一带宽频率的微振动可诱使某一范围的液滴脱落。

Claims (3)

1.一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法，特征在于，该方法主要包括以下步骤：
(1) 在冷凝换热器表面加工制备微凸结构的超疏水表面，微凸结构型式为微圆柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱；
(2) 将信号发生/合成器与功率放大器相连，功率放大器与微振动换能器相连，将微振动换能器和冷凝换热器的冷凝管道固紧，根据信号发生/合成器设定的正弦电信号，经功率放大器放大之后驱动微振动换能器产生一个带宽频率1～300Hz的机械微振动，加载于冷凝换热器主体，由冷凝换热器的传热性能检测单元对冷凝换热器性能进行测试，将将检测到的信号传输给反馈控制调节单元，根据反馈的传热性能信号更新预设定正弦信号的频率及振幅，再对信号发生/合成器和功率放大器进行调节，从而调节微振动换能器的微振动信号频率及振幅；
 (3) 测定冷凝换热器表面某一凝结液滴尺寸，计算该凝结液滴共振频率：对于一定尺寸的液滴，当施加的微振动频率和其共振频率一致时，其振动幅值达到最大，附着于固体表面的液滴，其共振动频率                                               
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE004
  （5）
其中
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE010
式中，g为重力加速度；
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE012
为液滴的表面张力；表示液滴的密度；V为液滴的体积；
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE016
为从液滴底部到定点的边界弧长，和液滴尺寸以及接触角有关；
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE018
为液滴在超疏水固体表面的表观接触角；
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE020
为液滴与固体表面的接触直径；
Figure 2011102747843100001DEST_PATH_IMAGE022
为液滴直径，对冷凝换热器加载该频率的机械微振动，通过调整微振动振幅，在某一振动参数下使得已知尺寸的冷凝液滴浸润状态发生超疏水状态转变，从而使该冷凝液滴从换热表面快速强制脱落，根据不同体积大小液滴的共振频率与发生转变时的振幅阈值，对信号发生/合成器进行带宽频率微振动信号合成，快速诱导某一尺寸范围的冷凝液滴快速转变为超疏水状态，实现快速脱落，利用本步骤可以实现对冷凝器传热性能的小范围调节；
(4) 重复步骤（2）、（3），确定在共振频率下不同尺寸冷凝液滴在浸润状态发生转变时所加载机械微微振动频率及振幅；
(5) 根据所确定的冷凝液滴脱落尺寸范围，将各液滴脱落尺寸对应的浸润状态发生转变时加载的微振动的波形叠加，得到由步骤（4）计算得到的不同大小液滴的共振频率的机械微振动合成信号；
(6) 将从(5)中得到的合成信号经信号发生/合成器输出，经功率放大器进行功率放大再接入微振动换能器，产生相应的宽频微振动信号，作用于冷凝换热器主体，根据共振理论，可以实现对滴状冷凝某单一尺寸范围液滴脱落尺寸和脱落频率的控制，利用本步骤可以实现冷凝器传热性能的大范围调节。
2.一种实现超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法的装置，其特征在于，该装置主要包括计算机、控制模块和实现模块，所述的控制模块包括信号发生/合成器、功率放大器以及反馈控制调节单元；所述的实现模块包括微振动换能器、滴状冷凝换热器以及传热性能检测单元；所述信号发生/合成器与功率放大器连接，功率放大器与微振动换能器相连接，微振动换能器固紧在冷凝器冷凝管道上；所述信号发生/合成器预设定的信号经功率放大器放大后驱动微振动换能器产生与信号发生/合成器产生的电信号大小相应带宽频率和振幅的机械振动，加载于滴状冷凝换热器，通过传热性能测试单元对冷凝器性能进行测试，将检测得到的信号传输给反馈控制调节单元，根据反馈的传热性能信号更新预设定正弦信号的频率及振幅，再对信号发生/合成器和功率放大器进行调节，从而调节微振动换能器的微振动信号频率及振幅；所述传热性能检测单元包括流量计以及温度传感器。
3.根据权利要求2一种实现超疏水表面滴状冷凝传热性能控制方法的装置，其特征在于，所述的信号发生/合成器生成一定频率范围的正弦波信号，通过计算机逻辑编程实现单一频率或某一带宽频率正弦信号的输出，并根据传热性能反馈信号对频率进行调节。
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