CN108097553B - 一种混合蒸气冷凝传热强化表面、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强化传热与节能技术领域，具体涉及一种V形槽超疏水表面及其在混合蒸气冷凝传热强化中的应用。该冷凝表面为二级结构，由亚毫米的V形槽结构和纳米粗糙结构构成。混合蒸气冷凝过程中，基于不凝气在亚毫米级V型沟槽内累积的特点，大过冷度下，V形槽顶部冷凝液滴为Wenzel润湿模式，可实现液滴的快速冷凝，V形槽底部冷凝液滴为Cassie润湿模式且生长缓慢。随Wenzel液滴长大，在Laplace压力的作用下，液滴向V槽外自驱运动，固液接触面积减小，即导致液滴与表面之间的黏附力降低。当液滴生长至半径等于V槽顶部宽度时以冲刷形式脱落，使冷凝壁面得到更新的同时，还可实现对不凝气层的扰动，从而强化混合蒸气冷凝传热。

Description

一种混合蒸气冷凝传热强化表面、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于强化传热与节能技术领域，具体涉及一种冷凝传热强化表面的制备及其应用。具体地说是对换热表面进行加工及改性处理，并将其应用到混合蒸气冷凝换热设备中。
背景技术
蒸气冷凝传热过程组为工业生产和应用中最基本的操作过程之一，在制冷、化工、动力、发电和航天热控技术等领域都具有广发的应用背景。蒸气冷凝传热强化技术对于能源动力系统的高效化、集成化具有至关重要的作用。实际应用中对蒸气冷凝过程的强化方法有很多种，如增加混合蒸气流速、安装折流板、外加电场或磁场等，但是这些有源强化方法使传热得到强化的同时，功耗也相应增加。随着能源的日益紧缺，采用无源强化方法，如利用固液界面效应或气液界面效应，强化蒸气冷凝传热过程，是实现节能减排的有效策略。
冷凝液在传热表面上的聚集形态及冷凝过程中的凝液动态对冷凝传热过程具有重要影响。相比于传统的膜状冷凝而言，滴状冷凝模式具有更小的传递热阻和更高的传热效率。超疏水表面能够通过液滴弹跳大大降低液滴脱落尺寸，可以以较小的换热面积来达到所需的换热量，因而对于研发出紧凑的冷凝换热设备具有重要意义。
然而，对于只具有纳米结构或微米-纳米二级结构的普通超疏水表面而言，液滴弹跳对冷凝条件的要求十分苛刻，只能在较小过冷度下实现液滴弹跳，而在高过冷度下，冷凝液滴呈现Wenzel润湿模式，其与表面之间的黏附力增大，液滴运动能力减弱，无法实现液滴合并弹跳，只能在重力作用下脱落，且液滴在脱落后残留厚液膜，增大了传热热阻，极大的限制了超疏水表面在冷凝中的应用。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.）制备了具有刀片状纳米结构的超疏水表面，并进行了蒸汽冷凝实验，结果表明小过冷度下，液滴呈现Cassie润湿模式并通过弹跳脱离冷凝表面，液滴脱落尺寸约为7μm；大过冷度下，液滴呈现Wenzel润湿模式并展现出强烈的钉扎效应，液滴脱落尺寸约为2mm，其传热性能比液滴弹跳传热恶化了约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.）在硅上制备了亲水柱-疏水纳米草组合的阵列超疏水表面，蒸汽在亲水柱顶端为膜状冷凝，且以固定接触线形式迅速生长转变为液滴，随着柱间液滴合并，固液面积分率减小，实现了百微米液滴的合并弹跳，传热效果较纳米超疏水表面提高了约160%。
受海鸟饮水时长喙的反复张合的启发，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.）曾针对毫米级液滴的自驱运动行为进行了研究，通过实验考察了单个液滴在V形沟槽内的稳定驻留模式以及液滴体积变化过程中液滴的动态演化特征，发现了界面张力和沟槽结构共同驱动液滴运动的行为。
基于以上分析，开发一种同时可实现冷凝液滴的快速生长和有效脱落的混合蒸气冷凝传热强化表面具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是在大过冷度下实现V形槽顶部液滴的Wenzel润湿模式，实现快速滴状冷凝，同时基于混合蒸汽冷凝过程中的不凝气累积效应，Wenzel润湿模式冷凝液滴生长迅速，且液滴在生长过程中的自驱运动使其与表面之间的固液接触面积减小、黏附力减小，可通过V形槽结构参数控制液滴脱落尺寸，并实现液滴的冲刷形式脱落，进而强化混合蒸气冷凝传热。
本发明的技术方案如下：一种混合蒸气冷凝传热强化表面，该表面为亚毫米V形结构和纳米二级结构表面，该表面在空气中呈现超疏水性润湿特征；亚毫米V形结构的深度为0.3-3mm，V形夹角20°-150°，进一步，亚毫米V形结构的深度为1mm，底部和顶部的锥角均为30°，底部和顶部宽度为0.1mm；所述亚毫米V形槽结构通过机械雕刻、线切割或激光烧蚀的方法制备；所述纳米结构通刻蚀法、相分离法、电纺法、溶胶凝胶法、模板法或等离子体刻蚀的方法制备；所述超疏水性能通过气相沉积、分子自组装的方法在微纳米结构上施以低表面能物质而获得。
一种混合蒸气冷凝传热强化表面的制备方法，包括以下步骤：
（1）紫铜基底预处理：采用800目、1200目、2000目、3000目砂纸依次打磨，抛光；
（2）亚毫米V形槽机械雕刻：采用单线雕刻模式，用锥角为30°的平底锥度刀对铜表面进行V形槽雕刻，雕刻深度为1mm，以获得具有V形结构的铜表面；
（3）油渍清洗处理：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗3分钟，并用氮气吹干；
（4）氧化刻蚀：将洗净的铜表面浸入96摄氏度的刻蚀溶液中，保持10分钟，取出后用去离子水洗净，氮气吹干；所述刻蚀溶液为亚氯酸钠、氢氧化钠、十二水磷酸钠、去离子水质量比为3.75:5:10:100的混合溶液；
（5）疏水化处理：采用气相沉积的方法将表面修饰剂1H,1H,2H,2H-全氟三氯硅烷沉积在氧化刻蚀的样品表面，去离子水冲洗，氮气吹干。
一种混合蒸气冷凝传热强化表面的应用，该表面应用于混合蒸汽冷凝换热中，在混合蒸汽冷凝换热中，沿V形槽深度方向， Wenzel润湿模式占据的深度小于V形槽深度的1/2，随深度增大冷凝液滴变为Cassie润湿模式；所述混合蒸气为包括可凝结气体和非凝结性气体的组合气体；
混合蒸气的冷凝液滴与V形槽上部的纳米结构所形成的Wenzel润湿模式，包含完全润湿和部分润湿，液滴滚动角大于5˚；
液滴生长过程中发生自驱运动，导致其与表面之间的固液黏附力不断减小，运动能力增强；
液滴合并后冲刷脱落，或液滴在重力作用下冲刷脱落，从而使滴状冷凝持续进行；
脱落频率最高的液滴半径等于V形槽顶部宽度，从而通过V形槽结构参数控制液滴脱落尺寸。
一种针对混合蒸汽冷凝传热强化的V形槽超疏水表面，所述换热表面为亚毫米V形结构和纳米二级结构表面，其在空气中呈现超疏水性润湿特征；在混合蒸汽冷凝换热中，冷凝表面局部液滴为Wenzel润湿模式，悬靠液滴自驱运动导致其与表面之间的固液接触面积不断减小，黏附力减小；液滴脱落尺寸可通过V形槽结构参数进行调节，且液滴以冲刷形式脱落，使表面得到更新的同时，增强对不凝气层的扰动掺混。
其强化冷凝传热的蒸汽为混合蒸汽，混合蒸气为包括水蒸气等可凝结气体和氮气、空气等非凝结性气体的组合气体。
混合蒸汽冷凝时，沿V形槽深度方向， Wenzel润湿模式占据的深度小于V形槽深度的1/2，随深度增大冷凝液滴变为Cassie润湿模式。
利用超疏水V形槽结构，基于混合蒸汽冷凝过程中不凝气在V形槽内累积的特点，实现V形槽顶部的Wenzel润湿模式冷凝和V形槽底部的Cassie润湿模式冷凝。
冷凝初期阶段，由于V形槽顶部不凝气浓度较低，在大过冷度下，V形槽顶部的冷凝液滴与表面之间形成“湿”接触，呈现Wenzel润湿模式。Wenzel润湿模式的冷凝液滴与冷壁面纳米结构之间没有气囊，不产生附加热阻，因此V形槽顶部的液滴生长迅速。
另一方面，混合蒸气冷凝过程中不凝气累积效应明显，导致V形结构底部不凝气浓度较高，冷凝液滴呈现Cassie润湿模式，且占据了较大面积分率，而Wenzel润湿模式冷凝液滴仅存在于V形结构顶部较小的面积上。随着冷凝持续进行，Wenzel润湿模式的液滴不断长大合并，并悬靠于V形槽上，由于液滴在生长过程中向V形槽外的自驱运动，其与冷壁面之间的固液接触面积不断减小黏，黏附力也不断减小，因此即使是局部呈现Wenzel润湿模式的冷凝液滴，其与壁面之间的黏附力仍然很小。
当悬靠于V形槽上的液滴生长至重力能够克服表面粘性力（此时液滴半径等于V形槽顶部宽度）时，或其与周围液滴合并释放的表面能能够克服表面粘性力时，液滴以冲刷的形式，沿V形槽脱落，同时实现了冷凝壁面的更新和液滴运动对累积不凝气层的扰动，以强化混合蒸气冷凝传热。
以上的冷凝强化表面设计旨在利用混合蒸气冷凝的不凝气累积效应同时实现液滴的快速生长和低黏附，并利用液滴冲刷脱落加快表面更新、不凝气扰动，进而实现混合蒸汽冷凝换热性能的显著提升。
本发明的效果和益处是：本发明所提供的对换热表面进行结构构造方法，能够起到强化混合蒸气冷凝传热的效果。根据混合蒸汽冷凝过程中不凝气累积的特点，及不同不凝气含量下冷凝液滴润湿模式不同的特点，同时实现V形槽顶部的Wenzel润湿模式冷凝液滴的快速生长和液滴自驱运动导致的较低固液黏附力，通过V形槽结构参数控制液滴最大脱落半径，使液滴以冲刷形式脱落，同时完成冷凝表面更新和对不凝气累积层的扰动，强化混合蒸汽冷凝的热质传递。
附图说明
图1是本发明制备超疏水V形槽表面形貌图及润湿性；图1（a）是亚毫米V形槽结构；图1（b）是纳米结构；图1（c）是表面的润湿性表征。
图2是本发明制备超疏水V形槽表面混合蒸气冷凝中的液滴生长合并过程。
图3是本发明制备超疏水V形槽表面液滴生长过程中向V形槽外的自驱运动过程。
图4是本发明制备超疏水V形槽表面液滴冲刷脱落过程。
图5是本发明制备超疏水V形槽表面冷凝过程中的液滴脱落尺寸统计。
图6是本发明制备超疏水V形槽表面与平整超疏水表面（F-SHS）的凝液累积速率对比。
图7是本发明的原理图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例，但不以任何方式限制本发明的权利要求。
实施例：
以市售的2cm*2cm紫铜为基底，构造V形亚毫米结构，并对表面氧化刻蚀和自组装低表面能物质，使其具备超疏水性。其具体技术工艺是：
1、紫铜基底预处理：采用800目、1200目、2000目、3000目砂纸依次打磨，抛光。
2、亚毫米V形槽机械雕刻：采用单线雕刻模式，用锥角为30°的平底锥度刀对铜表面进行V形槽雕刻，雕刻深度为1mm，以获得具有V形结构的铜表面。
3、油渍清洗处理：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗3分钟，并用氮气吹干。
4、氧化刻蚀：将洗净的铜表面浸入96摄氏度的刻蚀溶液中（亚氯酸钠、氢氧化钠、十二水磷酸钠、去离子水质量比为3.75:5:10:100），保持10分钟，取出后用去离子水洗净，氮气吹干。
5、疏水化处理：采用气相沉积的方法将表面修饰剂1H,1H,2H,2H-全氟三氯硅烷沉积在氧化刻蚀的样品表面，去离子水冲洗，氮气吹干。
图1为V形槽超疏水表面的形貌图及润湿性表征。图1（a）为亚毫米的V形槽结构，V形槽深1mm，底部和顶部的锥角均为30°，底部和顶部宽度为0.1mm。图1（b）为该表面上的纳米结构，纳米结构为刀片状，且结构排列紧密。图1（c）为用相同刻蚀和改性方法获得的平整表面在空气中的表观接触角，约为158°，显示出良好的超疏水性能。
采用竖壁冷凝系统进行混合蒸气冷凝实验，混合蒸气为90摄氏度的饱和湿空气，制冷台的温度设定为0摄氏度。图2为冷凝过程中的液滴生长合并过程如黄色框所示，通过对比t=0s和t=4.0s时刻及的冷凝液滴尺寸可以看出，V形槽顶部液滴生长速率明显大于底部液滴生长速率。且在0-6.9s内，V形槽顶部液滴不断合并直至亚毫米尺度，却未发生弹跳脱离，说明冷凝的液滴为Wenzel润湿模式，与表面之间具有较高黏附力。V形槽顶部液滴合并后悬靠于V形槽内，图3为冷凝液滴生长过程中向V形槽外自驱运动的过程。液滴在生长过程中受V形槽挤压产生变形，导致下表面的曲率小于上表面，拉普拉斯压力驱动液滴向V形槽外运动，同时固液接触面积减小，黏附力降低。图4为液滴冲刷脱落过程。由于液滴与表面之间的黏附力变小，液滴运动能力增强，当液滴生长至重力可以克服表面黏附力时，液滴以冲刷形式脱离冷凝表面，被冲刷区域的冷凝表面得到更新，且液滴的冲刷对冷凝壁面附近的不凝气曾造成扰动，有利于强化传质。
为表征V形槽超疏水表面对混合蒸汽冷凝的强化作用，对比了其与平整超疏水表面在混合蒸气冷凝过程中冷凝液的累积速率，如图4所示。在相同的冷凝条件下，V形槽超疏水表面上的冷凝速率约为平整超疏水表面的3倍，显示出良好的冷凝传热性能。
实验结果表明：1.V形槽顶部的Wenzel润湿模式可以使冷凝液滴快速生长。2.随液滴长大，在Laplace压力的作用下，液滴向V槽外自驱运动，固液接触面积减小，即导致液滴与表面之间的黏附力降低。3.通过结构参数控制液滴最大脱落半径，即液滴半径等于V槽顶部宽度。4.液滴以冲刷形式脱落，可以同时完成冷凝表面更新和对不凝气累积层的扰动，强化混合蒸汽冷凝的热质传递。
上述示例性说明不应理解为对本发明进行限制。虽然已经公开了具体实施方式，本领域技术人员很容易理解示例性中可能的多种变形，而没有从本质上偏离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些变形都是包含在如权利要求所定义的本发明的范围中。

Claims (3)

1.一种混合蒸气冷凝传热强化表面在混合蒸汽冷凝换热中的应用，其特征在于：该表面为亚毫米V形结构和纳米结构二级结构表面，该表面在空气中呈现超疏水性润湿特征；所述亚毫米V形结构的深度为0.3-3mm，V形夹角20°-150°；
所述亚毫米V形槽结构通过机械雕刻、线切割或激光烧蚀的方法制备；所述纳米结构通过刻蚀法、相分离法、电纺法、溶胶凝胶法或模板法的方法制备；所述超疏水性润湿特征通过气相沉积、分子自组装的方法在微纳米结构上施以低表面能物质而获得；
在混合蒸汽冷凝换热中，沿V形槽深度方向，Wenzel润湿模式占据的深度小于V形槽深度的1/2，随深度增大冷凝液滴变为Cassie润湿模式；
所述混合蒸汽为包括可凝结气体和非凝结性气体的组合气体；
混合蒸汽的冷凝液滴与表面纳米结构所形成的Wenzel润湿模式，包含完全润湿和部分润湿，液滴滚动角大于5°；
悬靠于V形槽内的液滴在生长过程中出现向V槽外的自驱运动，其与V形槽之间的固液接触面积逐渐减小，即固液黏附力减小；
液滴最终通过合并或在重力作用下冲刷脱落，从而使滴状冷凝持续进行；
脱落频率最高的液滴半径等于V形槽顶部宽度，从而通过V形槽结构参数控制液滴脱落尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种混合蒸气冷凝传热强化表面在混合蒸汽冷凝换热中的应用，其特征在于：该表面为亚毫米V形结构和纳米结构二级结构表面，该表面在空气中呈现超疏水性润湿特征；所述亚毫米V形结构的V形槽深1mm，底部和顶部的锥角均为30°；所述亚毫米V形槽结构通过机械雕刻、线切割或激光烧蚀的方法制备；所述纳米结构通过刻蚀法、相分离法、电纺法、溶胶凝胶法或模板法的方法制备；所述超疏水性润湿特征通过气相沉积、分子自组装的方法在微纳米结构上施以低表面能物质而获得。
3.根据权利要求2所述的一种混合蒸气冷凝传热强化表面在混合蒸汽冷凝换热中的应用，其特征在于，所述混合蒸气冷凝传热强化表面的制备方法包括以下步骤：
(1)紫铜基底预处理：采用800目、1200目、2000目、3000目砂纸依次打磨，抛光；
(2)亚毫米V形槽机械雕刻：采用单线雕刻模式，用锥角为30°的平底锥度刀对铜表面进行V形槽雕刻，雕刻深度为1mm，以获得具有V形结构的铜表面；
(3)油渍清洗处理：依次用丙酮、乙醇、去离子水超声振荡清洗3分钟，并用氮气吹干；
(4)氧化刻蚀：将洗净的铜表面浸入96摄氏度的刻蚀溶液中，保持10分钟，取出后用去离子水洗净，氮气吹干；所述刻蚀溶液为亚氯酸钠、氢氧化钠、十二水磷酸钠、去离子水质量比为3.75:5:10:100的混合溶液；
(5)疏水化处理：采用气相沉积的方法将表面修饰剂1H,1H,2H,2H-全氟三氯硅烷沉积在氧化刻蚀的样品表面，去离子水冲洗，氮气吹干。
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