CN109631611A - 强化冷凝换热的疏水基板及装置与方法 - Google Patents
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Abstract
强化冷凝换热的疏水基板及装置与方法，强化冷凝换热的疏水基板包括基底和凸起，所述凸起设置在所述基底的表面，部分所述凸起的表面加工为亲水表面，所述凸起的高度差为自身高度的五分之一以内，且所述凸起的高度为5微米至40微米，相邻之间的所述凸起的间距为10微米至100微米。该强化冷凝换热的疏水基板通过凸起的亲水表面促进冷凝过程中冷凝液滴的成核。
Description
技术领域
本发明涉及强化冷凝换热技术领域，具体涉及强化冷凝换热的疏水基板及装置与方法。
背景技术
冷凝过程中液滴的成核和生成液滴的排出广泛存在于自然界及工业生产和科学研究中，在能源、化工、医疗、海水淡化、液滴收集、分子生物学等领域具有广泛应用。例如在冷凝设备中，滴状冷凝过程主要包括液滴生成(成核)、液滴生长、以及液滴脱离三个过程。如何促进液滴的成核以及生成液滴的及时脱离，是强化冷凝换热过程、提高冷凝设备效率需要解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供强化冷凝换热的疏水基板及装置与方法，该强化冷凝换热的疏水基板及装置与方法能够有效的促进冷凝过程中冷凝液滴的成核过程，同时促进生成冷凝液滴的运动，使生成的冷凝液滴及时排出，从而促进冷凝换热过程。其技术方案如下：
强化冷凝换热的装置，包括疏水基板，疏水基板表面为疏水表面；
疏水基板设有多个位于疏水基板表面上的亲水人工核化点，亲水人工核化点表面为亲水表面；
在疏水基板的表面上，冷凝液滴在疏水基板长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板中部的一侧所处的位置或远离疏水基板中部的一侧所处的位置为第一侧位，冷凝液滴的另一侧所处的位置为第二侧位，第一侧位内含有的亲水人工核化点的面积与第一侧位总面积之比为第一面积分数，第二侧位内含有的亲水人工核化点的面积与第二侧位总面积之比为第二面积分数，第一面积分数大于第二面积分数。
多个亲水人工核化点分别排成相互平行且与冷凝液滴的运动方向垂直的人工核化列，亲水人工核化点分布的密度沿与人工核化列垂直的方向逐渐增大。
同一人工核化列内的亲水人工核化点均匀分布。
亲水人工核化点的分布密度由中部向四周逐渐减小或增大。
疏水基板表面为润湿梯度表面，疏水基板表面亲水性增大的方向与第一侧位朝向第二侧位的方向的夹角大于90°。
疏水基板表面为超疏水表面。
所述疏水基板包括基底和凸起，所述凸起设置在所述基底的表面，部分所述凸起的表面加工为亲水表面，所述凸起的高度差为自身高度的五分之一以内，且所述凸起的高度为5微米至40微米，相邻之间的所述凸起的间距为10微米至100微米。
所述凸起为圆柱形，所述凸起的直径为5至15微米。
所述第二侧位的所述凸起之间的间距，大于位于所述第一侧位的所述凸起之间的间距。
由所述第二侧位向所述第一侧位间的过渡的方向为梯度方向，所述梯度方向上的所述凸起之间的间距差相同或逐渐减小，且呈等差减小。
所述第一侧位内含有的具有亲水表面的所述凸起的数量与第一侧位总面积之比为第一数量分数；所述第二侧位内含有的具有亲水表面的所述凸起的数量与第二侧位的面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数比所述第二数量分数大。
位于所述第二侧位的所述凸起之间的间距，大于位于所述第一侧位的所述凸起之间的间距。
所述凸起的高度为15微米至25微米，相邻之间的所述凸起的间距为20微米至70微米。
所述凸起的高度为20微米，相邻之间的所述凸起的间距为20微米或25微米或30微米或35微米或40微米。
强化冷凝换热的方法，包括以下步骤，
冷凝液滴在疏水基板表面以及亲水人工核化点成核，亲水人工核化点表面为亲水性表面，疏水基板表面为疏水性表面，冷凝液滴在亲水人工核化点表面较疏水基板表面更容易成核；
冷凝液滴在疏水基板长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板中部的一侧所处的位置或远离疏水基板中部的一侧所处的位置为第一侧位，冷凝液滴的另一侧所在的位置为第二侧位，第一侧位内含有的亲水人工核化点的面积与第一侧位总面积之比为第一面积分数，第二侧位内含有的亲水人工核化点的面积与第二侧位总面积之比为第二面积分数，第一面积分数大于第二面积分数，当冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过冷凝液滴边缘脱离第二侧位所需要克服的能量时，冷凝液滴由第二侧位向第一侧位移动。
在冷凝液滴由第二侧位向第一侧位移动步骤中，还包括以下步骤，
冷凝液滴脱离第一侧位和第二侧位所需要克服的能量分别为第一移动能和第二移动能，第一移动能大于第二移动能；
冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量首先超过第二移动能，达到冷凝液滴脱离第二侧位的条件；
冷凝液滴从第二侧位向第一侧位移动。
在冷凝液滴从第二侧位向第一侧位移动的步骤后，还包括以下步骤，
冷凝液滴仍位于疏水基板表面；
冷凝液滴的边缘位于新的第一侧位和新的第二侧位；
冷凝液滴脱离新的第一侧位和新的第二侧位所需要克服的能量分别为新的第一移动能和新的第二移动能，新的第一移动能大于新的第二移动能；
冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量首先超过新的第二移动能，达到冷凝液滴脱离新的第二侧位的条件；
冷凝液滴从新的第二侧位向新的第一侧位移动。
强化冷凝换热的方法，包括以下步骤，
冷凝液滴在凸起的表面以及凸起的亲水表面成核，所述凸起的亲水表面为亲水性表面，所述凸起的表面为疏水性表面，所述冷凝液滴在凸起的亲水表面较凸起的表面更容易成核；
所述冷凝液滴在疏水基板长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板中部的一侧所处的位置或远离疏水基板中部的一侧所处的位置为第一侧位，所述冷凝液滴的另一侧所在的位置为第二侧位，所述第一侧位内含具有亲水表面的所述凸起的数量与第一侧位总面积之比为第一数量分数，所述第二侧位内含具有亲水表面的所述凸起的数量与第二侧位总面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数大于第二数量分数，当冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过冷凝液滴边缘脱离第二侧位所需要克服的能量时，冷凝液滴由第二侧位向第一侧位移动。
需要说明的是：
加工为亲水表面是指加工凸起的顶面，使液滴与凸起的接触角改变，形成亲水效果。
前述“第一、第二、第三……”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于对名称的区分。
前述中的“垂直”、“平行”、“均匀分布”可以有一定的误差。
下面对本发明的优点或原理进行说明：
1、冷凝液滴冷凝时容易在亲水表面成核，将亲水性高的亲水人工核化点设置在疏水基板上，从而提高了冷凝液滴在疏水基板上的成核密度与速度，进而促进冷凝过程中冷凝液滴的成核过程。通过设置多个亲水人工核化点以提高冷凝过程中冷凝液滴的成核密度。
冷凝液滴在生长过程中与相邻的冷凝液滴相互合并形成更大的冷凝液滴，在此合并过程中冷凝液滴可能获得足够的能量，并在疏水基板上发生运动；冷凝液滴合并生长后，也可能由于受自身重力和/或外部其他(如振动等)因素作用，也能使得冷凝液滴获得足够的能量在疏水基板上发生运动。冷凝液滴在移动时，需要一定能量克服疏水基板和其中所包含的亲水人工核化点对冷凝液滴产生的阻力，第一面积分数大于第二面积分数，使得第一侧位的疏水基板和亲水人工核化点产生的阻力大于第二侧位的疏水基板和亲水人工核化点产生的阻力。冷凝液滴在生长过程中其获得或积累的能量达到冷凝液滴在脱离第一侧位需要的能量之前，先达到了脱离第二侧位需要的能量，从而使得冷凝液滴从第二侧位向第一侧位移动，促进冷凝液滴的移动，更容易将冷凝液滴排出，使表面维持滴状冷凝状态，从而实现促进冷凝热交换的过程。
实现了通过多个亲水人工核化点增加冷凝液滴的成核密度，同时利用亲水人工核化点的非均匀分布，促进冷凝液滴的移动，使冷凝液滴及时排出，促进冷凝换热过程，从而提高冷凝换热的效率。
2、亲水人工核化点分布的密度沿与人工核化列垂直的方向逐渐增大，能促进冷凝液滴向亲水人工核化点分布较密集的位置移动，促进冷凝液滴的运动和排出，促进冷凝热交换过程。
3、同一人工核化列内的亲水人工核化点均匀分布，使得冷凝液滴能够更稳定的朝向垂直于人工核化列的方向移动。
4、将亲水人工核化点的分布密度设置为由中部向四周逐渐减小或增大，能适应不同的排水结构，从而达到提高实用性的效果。
5、冷凝液滴位于亲水性较低的位置时，冷凝液滴具有向亲水性较高的位置移动的趋势，进而达到促进冷凝液滴向亲水区运动的效果。通过润湿梯度表面与亲水人工核化点的非均匀排列同时驱使冷凝液滴运动，能进一步促进冷凝液地的运动和排出，促进冷凝热交换过程。
6、利用冷凝液滴在超疏水表面具有良好的流动性及较小的粘附力的优点，提高冷凝液滴排出的速度，起到促进冷凝液滴运动的效果，促进冷凝液滴的运动和排出，促进冷凝热交换过程。
7、由于第一面积分数大于第二面积分数，因而使得冷凝液滴边缘脱离第一侧位接触表面所需要克服的能量大于冷凝液滴边缘脱离第二侧位接触表面所需要克服的能量，因此冷凝液滴在生长过程中，自身积聚的能量(包括重力势能)不断增大，并使得冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量在超过冷凝液滴边缘脱离第一侧位接触表面所需要克服的能量之前，先超过了冷凝液滴边缘脱离第二侧位接触表面所需要克服的能量，因此冷凝液滴边缘脱离了疏水基板位于第二侧位的表面，向第一侧位移动。冷凝液滴移动过程中，与相邻的冷凝液滴相互合并，进一步促进冷凝液滴的运动，促进冷凝液滴的运动和排出，促进冷凝热交换过程。
8、冷凝液滴在生长过程中从外界获得的能量和/或自身积聚的能量增大，并首先满足了冷凝液滴脱离第二侧位的第二移动能，从而使冷凝液滴从第二侧位向第一侧位移动。
9、冷凝液滴移动后，直至冷凝液滴从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过新的第二移动能，冷凝液滴将从新的第二侧位向新的第一侧位移动。该过程会不断重复，直至冷凝液滴能够从疏水基板上脱离。
10、在疏水基板上，设置微结构的凸起，且凸起的高度为5微米至40微米，凸起的间距为10微米至100微米，冷凝液滴立在凸起上，形成疏水基板的疏水作用，而且通过设置凸起的高度差为自身高度的五分之一以内，使得凸起的高度更加均匀，每次特性基本一致，而且通过在部分凸起的表面加工成亲水表面，所以更加有利于冷凝液滴成核。
11、通过设置凸起之间的间距不同，形成了湿润梯度，所以有利于冷凝液滴的排出。
12、第二侧位向第一侧位间的过渡的方向为梯度方向，在梯度方向上的所述凸起之间的间距差相同或逐渐减小，且呈等差减小，所以在基底上的凸起呈非均匀分布，使得在梯度方向上的湿润梯度逐渐变化，有利于冷凝液滴的排出。
13、将凸起均匀设置在基底表面，再加工亲水的表面呈非均匀，即第一侧位内含有的具有亲水表面的所述凸起的数量与第一侧位总面积之比为第一数量分数；所述第二侧位内含有的具有亲水表面的所述凸起的数量与第二侧位的面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数比所述第二数量分数大，不仅可以通过凸起的亲水表面使冷凝液滴成核，还可以通过非均匀设置的的凸起形成湿润梯度，利于冷凝液滴的排出。
14、将非均匀设置的凸起，非均匀设置的凸起的亲水表面，非均匀设置的亲水人工核化点，三者结合使用，将凸起单位密度大的局域即第一侧位，和凸起的亲水表面单位密度大的区域即第一侧位，以及亲水人工核化点单位密度大的区域即第一侧位，三者密度较大的区域相对应，使得作用效果加强，更利于冷凝液滴的成核以及排出。
15、凸起的高度设置为15微米至25微米，该高度下疏水效果更佳，而且通过凸起的高度可以使冷凝液滴的底部与空气接触，有助于疏水，另外相邻之间的凸起间距为20微米至70微米，该范围下的疏水效果佳。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一的疏水基板凸起的亲水表面结构示意图；
图3是本发明实施例二的结构示意图；
图4是本发明实施例五的结构示意图。
附图标记说明：
11、疏水基板；111、基底；112、凸起；12、亲水人工核化点；13、冷凝液滴；14、第一侧位；15、第二侧位。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，强化冷凝换热的装置，包括疏水基板11，疏水基板11表面为疏水表面，疏水基板11的表面的本征接触角大于90°。在本实施例中，疏水基板11表面的本征接触角采用120°。疏水基板11设有多个位于疏水基板11的表面的亲水人工核化点12，亲水人工核化点12的亲水性高于疏水基板11表面的亲水性，亲水人工核化点12表面为亲水表面，亲水人工核化点12的本征接触角小于90°，在本实施例中，亲水人工核化点12表面的接触角采用60°。多个亲水人工核化点12分别排成相互平行且与冷凝液滴13的运动方向垂直的人工核化列，亲水人工核化点12分布的密度沿与人工核化列垂直的方向逐渐增大。同一人工核化列内的亲水人工核化点12均匀分布。
在疏水基板11的表面上，冷凝液滴13在疏水基板11长度方向上的一侧所处的位置为第一侧位14，冷凝液滴13的另一侧所处的位置为第二侧位15，第一侧位14内含有的亲水人工核化点12的面积与第一侧位14总面积之比为第一面积分数，第二侧位15内含有的亲水人工核化点12的面积与第二侧位15总面积之比为第二面积分数，第一面积分数大于第二面积分数。
另外，如图2所示，所述疏水基板11包括基底111和凸起112，所述凸起112设置在所述基底111的表面，部分所述凸起112的表面加工为亲水表面，所述凸起112的高度差为自身高度的五分之一以内，且所述凸起112的高度为5微米至40微米，相邻之间的所述凸起112的间距为10微米至100微米，所述凸起112为圆柱形，所述凸起112的直径为5至15微米，此外，在本实施例中，相邻之间的凸起112间距相同。
如图2所示，所述第一侧位14内含有的具有亲水表面的所述凸起112的数量与第一侧位14总面积之比为第一数量分数；所述第二侧位15内含有的具有亲水表面的所述凸起112的数量与第二侧位15的面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数比所述第二数量分数大。
本实施例优选地，所述凸起112的高度为15微米至25微米，相邻之间的所述凸起112的间距为20微米至70微米。
需要说明的是，疏水基板11的表面设置的亲水人工核化点12设置形成的湿润梯度，与疏水基板11自身的凸起112间距以及其表面加工的亲水表面形成的湿润梯度是并列关系。
本实施例所述的强化冷凝换热装置的强化冷凝换热的方法，包括以下步骤；
1、冷凝液滴13在疏水基板11表面以及亲水人工核化点12成核，亲水人工核化点12表面为亲水性表面，疏水基板11表面为疏水性表面，冷凝液滴13在亲水人工核化点12表面较疏水基板11表面更容易成核；亲水人工核化点12上的成核小液滴不断生长并与相邻亲水人工核化点12上的液滴合并，生长为稍大的冷凝液滴13。
2、冷凝液滴13在平行于疏水基板11表面的方向上的一侧所在的位置为第一侧位14，冷凝液滴13的另一侧所在的位置为第二侧位15，第一侧位14内含有的亲水人工核化点12的面积与第一侧位14总面积之比为第一面积分数，第二侧位15内含有的亲水人工核化点12的面积与第二侧位15总面积之比为第二面积分数，第一面积分数大于第二面积分数，当冷凝液滴13从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过冷凝液滴13边缘脱离第二侧位15的接触表面所需要克服的能量时，冷凝液滴13由第二侧位15向第一侧位14移动。
3、冷凝液滴13脱离第一侧位14和第二侧位15所需要克服的能量分别为第一移动能和第二移动能，第一移动能大于第二移动能；
4、从外界获得的能量和/或自身积聚的能量首先超过第二移动能，达到冷凝液滴13脱离第二侧位15的条件；
5、冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动；
6、冷凝液滴13仍位于疏水基板11表面；
7、冷凝液滴13的边缘位于新的第一侧位14和新的第二侧位15；
8、冷凝液滴13脱离新的第一侧位14和新的第二侧位15所需要克服的能量分别为新的第一移动能和新的第二移动能，新的第一移动能大于新的第二移动能；
9、从外界获得的能量和/或自身积聚的能量首先超过新的第二移动能，达到冷凝液滴13脱离新的第二侧位15的条件；
10、冷凝液滴13从新的第二侧位15向新的第一侧位14移动。
在疏水基板11上，冷凝液滴13在凸起112的表面以及凸起112的亲水表面成核，所述凸起112的亲水表面为亲水性表面，所述凸起112的表面为疏水性表面，所述冷凝液滴13在凸起112的亲水表面较凸起112的表面更容易成核；
所述冷凝液滴13在疏水基板11长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板11中部的一侧所处的位置或远离疏水基板11中部的一侧所处的位置为第一侧位14，所述冷凝液滴13的另一侧所在的位置为第二侧位15，所述第一侧位14内含具有亲水表面的所述凸起112的数量与第一侧位14总面积之比为第一数量分数，所述第二侧位15内含具有亲水表面的所述凸起112的数量与第二侧位15总面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数大于第二数量分数，当冷凝液滴13从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过冷凝液滴13边缘脱离第二侧位15所需要克服的能量时，冷凝液滴13由第二侧位15向第一侧位14移动。
本实施例中所述的亲水人工核化点12是在疏水基板11上的疏水表面设置的结构，而凸起112的亲水表面是在凸起112的顶部加工的亲水表面，因此，两结构为不同结构。
本实施例具有如下优点和原理：
1、冷凝液滴13冷凝时容易在亲水人工核化点12处成核，将亲水人工核化点12设置在疏水基板11上，从而提高了冷凝液滴13在疏水基板11上的成核速度与成核密度，从而促进冷凝换热过程中液滴的成核过程。通过设置多个亲水人工核化点12，在提高成核速度的同时，也能进一步提高成核密度。
由于第一面积分数大于第二面积分数，使得冷凝液滴13脱离第一侧位14所需要克服的能量大于冷凝液滴13脱离第二侧位15所需要克服的能量，即第一移动能大于第二移动能。冷凝液滴13成核后生长，其从外界获得的能量和/或自身积聚的能量整体处于增大的状态。使得冷凝液滴13从外界获得的能量和/或自身积聚的能量先达到了冷凝液滴13脱离第二侧位15所需要克服的能量，因此冷凝液滴13从第二侧位15脱离，达到了促进冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动的效果。冷凝液滴13移动后，冷凝液滴13的边缘位于新的第一侧位14和新的第二侧位15，由于冷凝液滴13脱离新的第一侧位14所需要克服的能量大于冷凝液滴13脱离新的第二侧位15所需要克服的能量，因此冷凝液滴13从新的第二侧位15脱离，如此循环，实现并促进了冷凝液滴13朝有利于排出的方向连续运动的过程，该过程不仅促进了冷凝液滴13的运动，还促进了冷凝液滴13的排出，从而促进冷凝热交换过程。
疏水基板11的表面设置的亲水人工核化点12，关于第一移动能与第二移动能的大小关系推理如下：
对于第一侧位14而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第一移动能为：
对于第二侧位15而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第二移动能为：
其中A在公式①和②中分别表示第一侧位14和第二侧位15内冷凝液滴13与表面的接触面积；分别为第一面积分数和第二面积分数；γsl、γsv分别为疏水基板11的表面区域固相与液相间的表面张力、固相与气相间的表面张力；γ′sl、γ′sv分别为亲水人工核化点12内固相与液相间的表面张力以及固相与气相间的表面张力；γlv为液相和气相间的表面张力。
冷凝液滴13与光滑固体表面的交界处，沿冷凝液滴13表面的切线与固体表面所形成的接触角为本征接触角，该本征接触角为θY，θY值越小，亲水性越好。根据杨氏公式(YoungEquation)，θY角与γsv、γsl、γlv的关系为：
对于疏水基板11的表面与亲水人工核化点12相比，亲水人工核化点12的亲水性高于疏水基板11的表面的亲水性，疏水基板11的表面与冷凝液滴13的本征接触角大于亲水人工核化点12的本征接触角，即：
亲水人工核化点12分布的密度沿与人工核化列垂直的方向逐渐增大，使得第一侧位14与第二侧位15总面积相同的情况下，第一侧位14内的亲水人工核化点12的数量多于第二侧位15内的亲水人工核化点12的数量。因此，第一面积分数大于第二面积分数，即：
将公式④、⑤与公式①和②联立，可得：
G2＜G1..........................................⑥
即第一移动能大于第二移动能。因此，当冷凝液滴13获得外界能量或是自身积聚的能量超过第二移动能时，第二侧位15处的冷凝液滴13边缘将脱离表面，从而使得冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动，进而促进了冷凝液滴13的运动。
实现了通过多个亲水人工核化点12增加冷凝液滴13的成核密度，同时利用亲水人工核化点12的分布，促进冷凝液滴13的移动，使冷凝液滴13及时排出，从而促进冷凝换热过程，提高冷凝换热的效率。
疏水基板11自身凸起112的表面加工的亲水表面，关于第一移动能与第二移动能的大小关系推理如下：
对于第一侧位14而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第一移动能为：
对于第二侧位15而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第二移动能为：
其中A在公式⑦和⑧中分别表示第一侧位14和第二侧位15的面积，其中第一侧位14和第二侧位15的面积相等，以下所有实施例也相等；为所有微结构凸起112顶部面积与整个基板面积的比。at1和at2分别为第一侧位14和第二侧位15中微结构凸起112亲水顶面积与第一侧位14和第二侧位15的面积之比。γsl、γsv分别为微结构凸起112疏水顶面固相与液相间的表面张力、固相与气相间的表面张力；γ′sl、γ′sv分别为微结构凸起112亲水顶面固相与液相间的表面张力以及固相与气相间的表面张力；γlv为液相和气相间的表面张力。
因为，第一数量分数比第二数量分数大，即at1>at2，所以G11>G12。
第一移动能大于第二移动能，冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动
2、同一人工核化列内的亲水人工核化点12均匀分布，使得冷凝液滴13能够更稳定的朝向垂直于人工核化列的方向移动。
3、将凸起112均匀设置在基底111表面，再加工亲水的表面呈非均匀，即第一侧位14内含有的具有亲水表面的所述凸起112的数量与第一侧位14总面积之比为第一数量分数；所述第二侧位15内含有的具有亲水表面的所述凸起112的数量与第二侧位15的面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数比所述第二数量分数大，可以通过凸起112的亲水表面使冷凝液滴成核，然后通过自身形成的湿润梯度表面促进冷凝液滴13排出。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：
如图3所示，所述第二侧位15的所述凸起112之间的间距，大于位于所述第一侧位14的所述凸起112之间的间距，具体地，由所述第二侧位15向所述第一侧位14的过渡的方向为梯度方向，所述梯度方向上的所述凸起112之间的间距差相同或逐渐减小，且呈等差减小。此处，间距差相同或逐渐减小表示部分相邻凸起112之间间距是相同的，而部分相邻凸起112之间的间距不同，且间距差为一定值，此定值为5微米。
具体地，所述凸起112的高度为20微米，相邻之间的所述凸起112的间距为20微米或25微米或30微米或35微米或40微米。
本实施例具有如下优点和原理：
不仅可以通过凸起的亲水表面使冷凝液滴成核，还可以通过非均匀设置的凸起形成湿润梯度，更利于冷凝液滴的排出。
疏水基板11自身凸起112的间距，关于第一移动能与第二移动能的大小关系推理如下：
对于第一侧位14而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第一移动能为：
对于第二侧位15而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第二移动能为：
其中A在公式⑨和⑩中分别表示第一侧位14和第二侧位15的面积； 分别为第一侧位14和第二侧位15内微结构凸起112的顶部面积与第一侧位14或第二侧位15的面积比。at为微结构凸起112亲水顶面积与整个基板面积比。γsl、γsv分别为微结构凸起112疏水顶面固相与液相间的表面张力、固相与气相间的表面张力；γ′sl、γ′sv分别为微结构凸起112亲水顶面固相与液相间的表面张力以及固相与气相间的表面张力；γlv为液相和气相间的表面张力。
因为，第二侧位15的所述凸起112之间的间距，大于位于所述第一侧位14的所述凸起112之间的间距，即所以G21>G22。
第一移动能大于第二移动能，冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动。
对于实施例一和实施例二的疏水基板11自身凸起112的表面加工的亲水表面和疏水基板11自身凸起112的间距，两者相结合，关于第一移动能与第二移动能的大小关系推理如下：
对于第一侧位14而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第一移动能为：
对于第二侧位15而言，冷凝液滴13边缘脱离接触表面所需要克服的能量，即第二移动能为：
其中A在公式和中分别表示第一侧位14和第二侧位15的面积； 分别为第一侧位14和第二侧位15内微结构凸起112的顶部面积与第一侧位14或第二侧位15的面积比。at1和at2分别为第一侧位14和第二侧位15中微结构凸起112亲水顶面积与第一侧位14和第二侧位15的面积之比。γsl、γsv分别为微结构凸起112疏水顶面固相与液相间的表面张力、固相与气相间的表面张力；γ′sl、γ′sv分别为微结构凸起112亲水顶面固相与液相间的表面张力以及固相与气相间的表面张力；γlv为液相和气相间的表面张力。
因为at1>at2，所以G31>G32，
第一移动能大于第二移动能，冷凝液滴13从第二侧位15向第一侧位14移动。
本实施例的其余内容可参照实施例1，此处不再进行赘述。
实施例3：
强化冷凝换热的装置，本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例的疏水基板11表面为润湿梯度表面，疏水基板11的本征接触角由120°至95°逐渐转变，本征接触角越小亲水性越高，疏水基板11表面亲水性增大的方向与第一侧位14朝向第二侧位15的方向相反。
本实施例具有如下优点和原理：冷凝液滴13位于亲水性较低的位置时，冷凝液滴13具有向亲水性较高的位置移动的趋势，进而达到促进冷凝液滴向亲水区运动的效果。同时利用疏水基板11的表面和亲水人工核化点12共同促进冷凝液滴13移动，加速冷凝液滴13排出，达到进一步促进冷凝液滴13运动的效果，使冷凝液滴13及时排出，从而促进冷凝换热过程，提高冷凝的效率。
本实施例的其余内容可参照实施例1，此处不再进行赘述。
实施例4：
强化冷凝换热的装置，本实施例与实施例1的区别在于：
疏水基板11表面的本征接触角大于亲水人工核化点12的本征接触角，疏水基板11表面为超疏水表面。超疏水表面的杨氏接触角大于150°，在本实施例中，疏水基板11的表面的本征接触角采用175°。
本实施例具有如下优点和原理：
1、疏水基板11表面的本征接触角大于亲水人工核化点12的本征接触角，从而使得亲水人工核化点12的亲水性高于疏水基板11的亲水性。保留了冷凝液滴13容易在亲水人工核化点12成核的优点，同时，冷凝液滴13容易从亲水性低的疏水基板11上脱离，从而起到促进冷凝液滴13运动的效果。促进冷凝液滴13从疏水基板11脱离，进一步提高在冷凝过程中的热交换，提高冷凝效率。
2、利用冷凝液滴13在超疏水表面具有良好的流动性及较小的粘附力的优点，提高冷凝液滴13排出的速度，起到促进冷凝液滴13运动的效果。
本实施例的其余内容可参照实施例1，此处不再进行赘述。
实施例5：
强化冷凝换热的装置，本实施例与实施例1的区别在于：
如图4所示，本实施例中疏水基板11表面的中部的亲水人工核化点12的密度最低，亲水人工核化点12的密度由疏水基板11表面的中部向四周逐渐增高。在本实施例中，疏水基板11表面的本征接触角采用120°。
本实施例具有如下优点和原理：
由上述推理可知，冷凝液滴13会从亲水人工核化点12密度较低的位置向密度较高的位置运动，因此冷凝液滴13会从疏水基板11表面的中部向四周移动，在增加冷凝液滴13成核密度、促进冷凝液滴13排出强化冷凝换热过程的同时，还能达到方便收集和排出冷凝液滴的效果。
实施例6：
强化冷凝换热的装置，本实施例与实施例4的区别在于：
本实施例的疏水基板11表面为润湿梯度表面，且润湿梯度表面的亲水性由亲水人工核化点12的分布密度最低处向四周逐渐增高。
本实施例具有如下优点和原理：
利用疏水基板11的表面和亲水人工核化点12共同促进冷凝液滴13移动，加速冷凝液滴13排出，达到进一步促进冷凝液滴13运动的效果，强化冷凝换热过程。同时，也能达到了收集和排出冷凝液滴的效果。
实施例7：
强化冷凝换热的装置，本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中疏水基板11表面的中部的亲水人工核化点12的密度最高，亲水人工核化点12的密度由疏水基板11表面的中部向四周逐渐降低，疏水基板11表面设有排水口。
本实施例具有如下优点和原理：通过这样的设置，亲水人工核化点12密度较高的区域比亲水人工核化点12密度较低的区域面积小。由上述推理可知，冷凝液滴13会从亲水人工核化点12密度较低的位置向密度较高的位置运动，因此使得冷凝液滴13向疏水基板11表面的中部集中，并能通过排水口排出疏水基板11表面，具有更好的促进冷凝液滴13运动的效果，使冷凝液滴13及时排出，从而促进冷凝换热过程，提高冷凝的效率。
本实施例的其余内容可参照实施例1，此处不再进行赘述。
以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，包括基底(111)和凸起(112)，所述凸起(112)设置在所述基底(111)的表面，所述凸起(112)的高度差为自身高度的五分之一以内，且所述凸起(112)的高度为5微米至40微米，相邻之间的所述凸起(112)的间距为10微米至100微米。
2.如权利要求1所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，疏水基板(11)的表面上，所述冷凝液滴(13)在疏水基板(11)长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板(11)中部的一侧所处的位置或远离疏水基板(11)中部的一侧所处的位置为第一侧位(14)，所述冷凝液滴(13)的另一侧所处的位置为第二侧位(15)。
3.如权利要求2所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，所述第二侧位(15)的所述凸起(112)之间的间距，大于位于所述第一侧位(14)的所述凸起(112)之间的间距。
4.如权利要求3所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，由所述第二侧位(15)向所述第一侧位间(14)的过渡的方向为梯度方向，所述梯度方向上的所述凸起(112)之间的间距差相同或逐渐减小，且呈等差减小。
5.如权利要求2至4任一项所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，部分所述凸起(112)的表面加工为亲水表面，所述第一侧位(14)内含有的具有亲水表面的所述凸起(112)的数量与第一侧位(14)总面积之比为第一数量分数；所述第二侧位(15)内含有的具有亲水表面的所述凸起(112)的数量与第二侧位(15)的面积之比为第二数量分数，所述第一数量分数比所述第二数量分数大。
6.如权利要求1至4任一项所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，所述凸起(112)的高度为15微米至25微米，相邻之间的所述凸起(112)的间距为20微米至70微米。
7.如权利要求6所述的强化冷凝换热的疏水基板，其特征在于，所述凸起(112)的高度为20微米，相邻之间的所述凸起(112)的间距为20微米或25微米或30微米或35微米或40微米。
8.强化冷凝换热的装置，其特征在于，包括前述权利要求1至7所述的疏水基板(11)，所述疏水基板(11)表面为疏水表面；
所述疏水基板(11)设有多个位于疏水基板(11)的表面的亲水人工核化点(12)，所述亲水人工核化点(12)表面为亲水表面；
在所述疏水基板(11)的表面上，所述冷凝液滴(13)在疏水基板(11)长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板(11)中部的一侧所处的位置或远离疏水基板(11)中部的一侧所处的位置为第一侧位(14)，所述冷凝液滴(13)的另一侧所处的位置为第二侧位(15)，所述第一侧位(14)内含有的亲水人工核化点(12)的面积与第一侧位(14)总面积之比为第一面积分数，所述第二侧位(15)内含有的亲水人工核化点(12)的面积与第二侧位(15)总面积之比为第二面积分数，所述第一面积分数大于第二面积分数。
9.强化冷凝换热的方法，其特征在于，包括以下步骤，
冷凝液滴(13)在凸起(112)的表面以及凸起(112)的亲水表面成核，所述凸起(112)的亲水表面为亲水性表面，所述凸起(112)的表面为疏水性表面，所述冷凝液滴(13)在凸起(112)的亲水表面较凸起(112)的表面更容易成核；
所述冷凝液滴(13)在疏水基板(11)长度方向上的一侧所处的位置或靠近疏水基板(11)中部的一侧所处的位置或远离疏水基板(11)中部的一侧所处的位置为第一侧位(14)，所述冷凝液滴(13)的另一侧所在的位置为第二侧位(15)，所述第一侧位(14)内含具有亲水表面的所述凸起(112)的数量与第一侧位(14)总面积之比为第一数量分数，所述第二侧位(15)内含具有亲水表面的所述凸起(112)的数量之比为第二数量分数，所述第一数量分数大于第二数量分数，当冷凝液滴(13)从外界获得的能量和/或自身积聚的能量超过冷凝液滴(13)边缘脱离第二侧位(15)所需要克服的能量时，冷凝液滴(13)由第二侧位(15)向第一侧位(14)移动。
10.如权利要求9所述的强化冷凝换热的方法，其特征在于，在所述冷凝液滴(13)由第二侧位(15)向第一侧位(14)移动步骤中，还包括以下步骤，
冷凝液滴(13)脱离第一侧位(14)和第二侧位(15)所需要克服的能量分别为第一移动能和第二移动能，所述第一移动能大于第二移动能；
冷凝液滴(13)从外界获得的能量和/或自身积聚的能量首先超过第二移动能，达到冷凝液滴(13)脱离第二侧位(15)的条件；
冷凝液滴(13)从第二侧位(15)向第一侧位(14)移动。
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