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第51卷第2期2020年2月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.2Feb.2020超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响周儒鸿，纪献兵，孔庆盼，郭浩，徐进良(华北电力大学多相流动与传热北京市重点实验室，北京，102206)摘要：表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。
为进一步提高表面的冷凝传热系数，制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面，在不同蒸汽压力及风冷条件下，研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影响。
研究结果表明：由于超疏水高黏附表面的液滴易成核但不易脱离，而超疏水低黏附表面的液滴极易脱离，因此，在相同压力和过冷度下，超疏水低黏附表面的换热系数远大于超疏水高黏附表面的换热系数；在过冷度为4.0K 的常压条件下，超疏水低黏附和高黏附表面换热系数分别是亲水表面换热系数的4.99倍和1.77倍；在同一风冷功率和加热功率下，超疏水低黏附表面的过冷度明显小于超疏水高黏附表面的过冷度。
关键词：超疏水；黏附性；压力；冷凝传热；滴状冷凝中图分类号：TK124文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）02-0532-08Effect of super-hydrophobic surface adhesion on condensationheat transferZHOU Ruhong,JI Xianbing,KONG Qingpan,GUO Hao,XU Jinliang(Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract:The adhesion of surface has an important influence on the nucleation,growth and detachment of condensed droplets.To further enhance the condensation heat transfer coefficient of surface,three types of surface,i.e.,hydrophilic surface,super-hydrophobic surface with high adhesion and super-hydrophobic surface with low adhesion,were prepared.The effects of surface adhesion,pressure,heating power and cooling power on condensation heat transfer were investigated under different steam pressures and air-cooling conditions.The results show that droplets are easy to nucleate but not easy to detach on super-hydrophobic surface with high adhesion,and are easy to detach on super-hydrophobic surface with low adhesion.Therefore,the heat transfer coefficient of super-hydrophobic surface with low adhesion is greater than that of high adhesion surface at the same pressure and sub-cooling.When sub-cooling temperature is 4.0K at atmospheric pressure,the heat transfer coefficient of super-hydrophobic surface with low adhesion and super-hydrophobic surface with high adhesion are 4.99times and 1.77times that of hydrophilic surface,respectively.The sub-cooling of super-hydrophobic surfaceDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.02.027收稿日期：2019−05−09；修回日期：2019−07−09基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51676071,51436004)(Projects(51676071,51436004)supported by theNational Natural Science Foundation of China)通信作者：纪献兵，博士，副教授，从事多相流与强化传热研究；E-mail:*************.cn第2期周儒鸿，等：超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响with low adhesion is significantly less than that of super-hydrophobic surface with high adhesion at the same air-cooling power and heating power.Key words:super-hydrophobic;adhesion;pressure;condensation heat transfer;drop-wise condensation冷凝传热在空调制冷、海水淡化和电子散热等领域应用广泛，强化冷凝传热对节约能源具有重要意义[1−3]。
第61卷 第3期 化 工 学 报 Vol161 No13 2010年3月 CIESC Journal March 2010研究论文超疏水表面蒸汽及含不凝气蒸汽滴状冷凝传热实验分析王四芳,兰 忠,王爱丽,马学虎(大连理工大学化学工程研究所,辽宁大连116012)摘要:通过紫铜基表面上制备两种具有微纳米结构的超疏水表面以及相同化学修饰的光滑疏水表面,实验研究了各表面上空气环境下水的润湿特性以及在纯蒸汽、蒸汽2空气混合气体环境下,表面的滴状冷凝传热特性和冷凝液滴的运动和润湿特性。
结果表明:纯蒸汽滴状冷凝条件下,超疏水表面的传热性能明显低于光滑疏水表面的传热性能;含低浓度不凝气蒸汽冷凝环境下,超疏水表面传热性能与光滑疏水表面相近;蒸汽冷凝环境中,超疏水表面上液滴的接触角明显低于其在空气条件下接触角,并且接触角滞后增大。
分析得到,微纳米结构的存在使冷凝过程液滴的接触角滞后增大,微纳米结构中冷凝液滞留增加的壁面热阻等抑制了滴状冷凝传热性能;并提出了蒸汽及含不凝气蒸汽冷凝环境中液滴在超疏水表面上的润湿模式。
关键词:超疏水表面;滴状冷凝;微纳米结构;润湿性中图分类号:T K124 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2010)03-0607-05Dropwise condensation of steam and steam2air mixtureon super2hydrophobic surface sWANG Sifang,LAN Zhong,WANG Aili,MA Xuehu(I nstitute of Chemical Engineering,Dalian Universit y of Technolog y,Dalian116012,L iaoning,China)Abstract:Two super2hydrop hobic surfaces wit h micro2nano struct ure were prepared wit h n2octadecyl mercaptan self2assembled monolayers(SAMs).The wettability and heat t ransfer characteristics during t he condensation of steam or steam2air mixt ure were investigated experimentally on a vertical t ube1For t he condensation of p ure steam,t he condensation heat t ransfer on t he super2hydrop hobic surfaces wit h micro2 nano st ruct ure is worse t han t hat on a smoot h hydrop hobic surface1In t he p resence of a low2concent ration of noncondensable gas(NC G),t he condensation effect is almo st t he same for t he super2hydrop hobic surface and smoot h hydrop hobic surface1During t he condensation,t he micro2nanost ruct ure,an important feat ure for t he super2hydrop hobic surfaces,does not adsorb and t rap air to exhibit t he super2 hydrop hobicity1The wetting mode of solid2liquid changes f rom t he Cassie state in t he air to t he wetting state during steam condensation1The contact angle hysteresis increases1The retardarce of micro2 nano st ruct ure to t he condensate increases t he t hermal resistance1The result s demonst rate t hat t he solid2 liquid wettability of micro2nanost ruct ure significantly influences t he heat t ransfer performance.Key words:super2hydrop hobic surface;dropwise condensation;micro2nanost ruct ure;wettability 2009-09-21收到初稿,2009-12-10收到修改稿。
第５０卷 第５期２０１６年５月西 安 交 通 大 学 学 报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩ’ＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＶｏｌ．５０ Ｎｏ．５Ｍａｙ ２０１６收稿日期：２０１５－０８－０８。
作者简介：唐上朝（１９７１—），男，讲师；唐桂华（通信作者），男，教授，博士生导师。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２２２６０４，５１５７６１５６）。
网络出版时间：２０１６－０２－０２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１６０２０２．１５５１．００４．ｈｔｍｌＤＯＩ：１０．７６５２／ｘｊｔｕｘｂ２０１６０５００４大量不凝性气体存在时不同润湿性管束对流冷凝传热实验研究唐上朝，胡浩威，牛东，唐桂华（西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，７１００４９，西安）摘要：为了实现工业中大量不凝性气体存在场合下蒸气的高效冷凝传热，建立了混合蒸气水平管束外对流冷凝传热实验系统，通过化学刻蚀与自组装方法对光管管束、２Ｄ肋管管束和３Ｄ肋管管束进行疏水与超疏水表面改性处理。
当大量不凝性气体存在时，对不同润湿性管束表面的冷凝形式及管束间冷凝液流型进行可视化观测。
实验研究了冷却水流速、混合蒸气流速、水蒸气体积分数等因素对不同润湿性的冷凝式换热器对流冷凝传热系数的影响，并分析不同水蒸气体积分数条件下管束效应的影响。
通过实验研究发现，当大量不凝性气体存在时，冷凝液在管束间形成滴状流，水蒸气体积分数对不同润湿性的冷凝式换热器的对流冷凝传热特性影响显著，随着管排数增加，对流冷凝传热系数增大，管束效应对超疏水光管管束的强化作用最大，当水蒸气的体积分数约为１１％时，９排超疏水光管管束的对流冷凝传热系数是单排的１．５３倍，而当水蒸气体积分数约为２３％时，９排超疏水光管管束的对流冷凝传热系数是单排的１．３４倍。
关键词：对流冷凝传热；不凝性气体；润湿性；管束效应中图分类号：ＴＫ１２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１６）０５－００２４－０８Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆＴｕｂｅ Ｂｕｎｄｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ Ｌａｒｇｅ Ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｎｏｎｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅ ＧａｓＴＡＮＧ Ｓｈａｎｇｃｈａｏ，ＨＵ Ｈａｏｗｅｉ，ＮＩＵ Ｄｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｇｕｉｈｕａ（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ－Ｆｌｕｉｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ＭＯＥ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｎｏｎｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅ ｇａｓ，ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｆｏｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａｉｒ－ｖａｐｏｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｕｓｉｎｇ ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｆ ｎ－ｏｃｔａｄｅｃｙｌ ｍｅｒｃａｐｔａｎ ａｎｄ ｅｔｃｈｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏｃｒｅａｔｅ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ａｎｄ ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｐｌａｉｎ，２Ｄｆｉｎｎｅｄ ａｎｄ ３Ｄｆｉｎｎｅｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅｂｅｔｗｅｅｎ ｂｕｎｄｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ，ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ａｉｒ－ｖａｐｏｒ ｍｉｘｔｕｒｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆｗａｔｅｒ ｖａｐｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｒｏｐｌｅｔ ｆｌｏｗ ｏｆ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ｍａｙ ｂｅ ｆｏｒｍｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｎｏｎｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅ ｇａｓ．Ａｓ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｔｕｂｅ ｒｏｗ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ 第５期唐上朝，等：大量不凝性气体存在时不同润湿性管束对流冷凝传热实验研究 ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊｄｘｂ．ｃｎ ｈｔｔｐ：∥ｚｋｘｂ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｂｅ ｂｕｎｄｌｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ １１％，ｔｈｅｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｐｌａｉｎ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ９ｒｏｗｓ ｉｓ１．５３ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｗ，ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｐｌａｉｎ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ９ｒｏｗｓ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｏ １．３４ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｗ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｅｓ ａｂｏｕｔ ２３％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｎｏｎｃｏｎｄｅｎｓａｂｌｅ ｇａｓ；ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ；ｂｕｎｄｌｅ ｅｆｆｅｃｔ 能源是人类社会经济发展源动力，节能与环保成为当今世界的主题。
蒸汽冷凝时表面传热系数和总传热系数测定实验说明书一、实验目的：1、掌握冷凝换热器的换热量Φ和表面传热系数h及总传热系数K的测试和计算方法；2、熟悉冷凝换热器实验台的工作原理和使用方法；3、了解不同蒸汽压力下的冷凝换热时表面传热系数的变化规律。
二、实验测试装置简介：1.测定装置整体组装，带脚轮，用户接电源和上、下水后即可使用。
2.可测蒸汽在水平管内冷凝（管外为自来水）时的传热系数和给热系数。
其工作原理及流程如图所示。
3.管子的内壁面温度用事先埋好的三支热电偶（轴向均布）测量。
4.电热蒸汽发生器总功率为9KW，最大工作压力为0.08MPa。
此蒸汽源亦可通过阀10—1供其它试验使用。
试验装置流程图及各部分组件的名称1.蒸汽发生器2.电接点压力表3. 安全阀4. 汽水分离器5.热电偶6.压力表7.试验管组8.凝结水液位保持器9.过冷器10.阀门11.计量水箱10-12.文丘里流量计(计算机采集订户)三、实验操作步骤及测试方法：（一）、操作步骤：1.接电源（380V，四线,50Hz,9KW）及上下水（均可胶管连接）。
2.打开阀10—7，从蒸汽发生器底部上水管（兼排污管）向炉体内加自来水至液面计4/5处。
加水时还应打开10—2和阀10—3，以便炉体内的空气能够排出，加完水后关闭阀10—7。
3.全开蒸汽发生器电加热器，待炉内水开始沸腾并将炉体空间大部分空气从阀10—3处排出后，关闭该阀。
4.待蒸汽压力达到试验压力后，打开阀10—4，使系统内空气全部被蒸汽压出后关闭此阀。
5.试验管内的蒸汽压力可自动控制，此时将电接点压力表高低压控制指针分别调至试验压力±0.01MPa处（视试验精度要求，此范围可适当放大或缩小）。
试验管内的蒸汽压力亦可利用阀10—2手动调节，此时应将电接点压力表控制指针调至稍高于试验压力，高压控制指针调至比低压控制指针高0.02MPa左右处，但不得超过蒸汽发生器最大使用压力。
6.全开阀10—6，向试验管组全程供自来水，并视试验工况要求，利用阀10-5调节自来水流量。
第50卷第1期 当 代 化 工 Vol.50，No.1 2021年1月 Contemporary Chemical Industry January，2021基金项目： 黑龙江省优秀青年基金项目，油田污水实际条件下添加剂对Fenton 体系氧化能力促进机制研究（项目编号：YQ2019E008）；东北石油大学国家自然科学基金培育基金青年重点项目，油田污水实际条件下添加剂对Fenton 体系反应路径调控机制（项目编号：NO.2018GPQZ -09）；东北石油大学省杰青后备人才项目，基于官能团调控的HPC 阴极electro -Fenton 降解BTEX 促进机制研究（项目编号：SJQHB202003）。
收稿日期： 2020-09-21作者简介： 刘晓燕（1962-），女，黑龙省大庆市人，二级教授，博士研究生，2005年毕业于东北石油大学油气储运工程专业，研究方向：油气超疏水表面实现滴状冷凝强化传热的研究进展刘晓燕，赵雨新，赵海谦*，刘景雯，冯绍桐（东北石油大学 土木建筑工程学院，大庆 163318）摘 要： 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，针对不同特点的表面结构进行较全面的总结和概述，最后针对本领域目前尚存的问题进行总结并提出建议。
关 键 词：滴状冷凝；传热；超疏水表面；表面结构中图分类号：TK11 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2021）01-0166-05Research Progress of Enhanced Heat Transfer by DropwiseCondensation on Superhydrophobic SurfacesLIU Xiao-yan, ZHAO Yu-xin, ZHAO Hai-qian *, LIU Jing-wen, FENG Shao-tong（School of Civil and Architectural Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China ）Abstract : Condensation heat transfer is a common way of energy transmission in various industrial fields,and it can be divided into two forms: drop condensation and film condensation. Unlike film condensation, droplet condensation has better heat transfer performance, and its heat transfer coefficient is also higher than film condensation. The realization of dropwise condensation on the surface of heat exchanger can effectively improve the heat transfer efficiency, which is of great practical significance for reducing the size of heat exchanger, improving energy utilization and saving energy. In this paper, the research progress of constructing superhydrophobic surface to realize dropwise condensation heat transfer was summarized. The surface structures with different characteristics were comprehensively summarized and summarized. Finally, the problems in the current research were summarized, and some suggestions were put forward.Key words : Drop condensation; Heat transfer; Superhydrophobic surface; Surface structure能源是国家经济可持续发展的基本保证。
第61卷 第3期 化 工 学 报 Vol161 No13 2010年3月 CIESC Journal March 2010研究论文超疏水表面蒸汽及含不凝气蒸汽滴状冷凝传热实验分析王四芳,兰 忠,王爱丽,马学虎(大连理工大学化学工程研究所,辽宁大连116012)摘要:通过紫铜基表面上制备两种具有微纳米结构的超疏水表面以及相同化学修饰的光滑疏水表面,实验研究了各表面上空气环境下水的润湿特性以及在纯蒸汽、蒸汽2空气混合气体环境下,表面的滴状冷凝传热特性和冷凝液滴的运动和润湿特性。
结果表明:纯蒸汽滴状冷凝条件下,超疏水表面的传热性能明显低于光滑疏水表面的传热性能;含低浓度不凝气蒸汽冷凝环境下,超疏水表面传热性能与光滑疏水表面相近;蒸汽冷凝环境中,超疏水表面上液滴的接触角明显低于其在空气条件下接触角,并且接触角滞后增大。
分析得到,微纳米结构的存在使冷凝过程液滴的接触角滞后增大,微纳米结构中冷凝液滞留增加的壁面热阻等抑制了滴状冷凝传热性能;并提出了蒸汽及含不凝气蒸汽冷凝环境中液滴在超疏水表面上的润湿模式。
关键词:超疏水表面;滴状冷凝;微纳米结构;润湿性中图分类号:T K124 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2010)03-0607-05Dropwise condensation of steam and steam2air mixtureon super2hydrophobic surface sWANG Sifang,LAN Zhong,WANG Aili,MA Xuehu(I nstitute of Chemical Engineering,Dalian Universit y of Technolog y,Dalian116012,L iaoning,China)Abstract:Two super2hydrop hobic surfaces wit h micro2nano struct ure were prepared wit h n2octadecyl mercaptan self2assembled monolayers(SAMs).The wettability and heat t ransfer characteristics during t he condensation of steam or steam2air mixt ure were investigated experimentally on a vertical t ube1For t he condensation of p ure steam,t he condensation heat t ransfer on t he super2hydrop hobic surfaces wit h micro2 nano st ruct ure is worse t han t hat on a smoot h hydrop hobic surface1In t he p resence of a low2concent ration of noncondensable gas(NC G),t he condensation effect is almo st t he same for t he super2hydrop hobic surface and smoot h hydrop hobic surface1During t he condensation,t he micro2nanost ruct ure,an important feat ure for t he super2hydrop hobic surfaces,does not adsorb and t rap air to exhibit t he super2 hydrop hobicity1The wetting mode of solid2liquid changes f rom t he Cassie state in t he air to t he wetting state during steam condensation1The contact angle hysteresis increases1The retardarce of micro2 nano st ruct ure to t he condensate increases t he t hermal resistance1The result s demonst rate t hat t he solid2 liquid wettability of micro2nanost ruct ure significantly influences t he heat t ransfer performance.Key words:super2hydrop hobic surface;dropwise condensation;micro2nanost ruct ure;wettability 2009-09-21收到初稿,2009-12-10收到修改稿。
联系人:马学虎。
第一作者:王四芳(1984—),女,博士研究生。
基金项目:国家自然科学基金项目(50776012);教育部博士点基金———新教师基金项目(200801411009)。
Received date:2009-09-21.Corresponding author:Prof.MA Xuehu,xuehuma@ dlut1edu1cnFoundation item:supported by t he National Natural Science Foundation of China(50776012)and t he Research Fund for t he Doctoral Program of Higher Education of China(200801411009). 引 言荷叶表面是最典型的天然超疏水表面,水滴与荷叶的表观接触角达160°以上,并且水滴很容易滚落,这种现象称为“荷叶效应”(lot us effect )。
研究发现,荷叶表面微纳米尺度的粗糙结构是其具有超疏水性与自清洁功能的关键[1]。
荷叶的这种超疏水特性的原理,为超疏水表面的制备提供了指导。
近年来,已有大量关于超疏水表面制备方法的报道[224],如刻蚀技术、金属化学腐蚀方法、气相沉积法、自组装技术、溶胶凝胶法等。
已有研究表明,水滴在表面上的接触角越大越有利于滴状冷凝传热过程[5],并且滴状冷凝可以强化含不凝气(NCG )的蒸汽冷凝传热过程[6]。
而关于超疏水表面上接触角大、水滴极易滚动的特性是否可以增加冷凝液滴脱落频率,强化纯蒸汽和含不凝气的蒸汽滴状冷凝传热过程在学术上还有争议。
有研究表明[728],超疏水表面在露点冷凝条件下不再具有超疏水性,冷凝液滴在超疏水表面微观结构内部核化、生长,使其丧失超疏水能力;Lan 等[9]提出纯蒸汽冷凝环境中,超疏水表面上形成复合冷凝表面,不利于滴状冷凝传热。
而也有研究[10]表明,超疏水表面上冷凝前后液滴均易于自由移动;宋永吉等[11]发现超疏水表面上能形成很好的滴状冷凝,与传统膜状冷凝相比传热系数提高3～4倍。
本文目的在于研究接触角大、水滴极易滚落的超疏水表面是否有利于纯蒸汽及含少量不凝性气体的蒸汽滴状冷凝传热过程。
通过光滑疏水表面与超疏水表面上滴状冷凝传热性能的对比,实验考察了3种表面上在纯蒸汽、蒸汽2空气混合气体环境下,表面上的滴状冷凝传热特性和冷凝液滴的运动和润湿特性。
1 实验部分111 表面的制备本文紫铜基表面微纳米结构的构筑参考文献[9]和文献[12],分别采用双氧水氧化刻蚀法与控制氧化法。
然后,采用215mmol ・L -1十八烷基硫醇的乙醇溶液70℃恒温1h 自组装技术,使表面达到超疏水效果。
采用光滑铜表面低表面能化处理作为对照实验。
光滑疏水表面、双氧水氧化刻蚀超疏水表面、控制氧化超疏水表面3种表面分别记为SAM 20、SAM 21与SAM 22。
112 表面的表征采用光学接触角测量仪OCA H200(Dataphyscics Inst rument s Gmb H ,德国)测量表面的平衡接触角。
采用扫描电镜(KYKY 22800B ,北京中科科仪技术发展有限责任公司)对铜基表面的微纳米结构进行观察。
113 实验装置及流程实验流程如图1所示,实验主体由冷凝室、蒸气系统、冷却系统、数据采集系统4部分组成。
竖直冷凝管为<19mm ×1mm 的紫铜管,长400mm,冷凝段的有效长度为265mm 。
图1 实验装置流程图Fig 11 Schematic diagram of experimental system1—boiler ;2—buffer ;3—vapour 2liquid separator ;4—condensation chamber ;5—measuring tube ;6—secondary condenser ;7—liquid tank ;8,12—pump ;9—air compressor ;10—filter ;11—cooling water tank ;13—flowmeter ;14—mixture不凝气体为空气,由无油气体压缩机9提供,空气经由固定式过滤器减压阀10进入锅炉1底部,混合蒸气通过缓冲罐2稳压,经气液分离器3进入主体冷凝室4。
对主体实验系统的描述见文献[13]。
开启实验后,实时监测冷凝室压力、温度、不凝气体含量等数据,待系统稳定后进行实验数据测定和采集。
管内对流传热系数由经验关联式求得[14]。
由于自组装膜表面非常薄(约217nm )[15],热阻可以忽略不计。
壁面温度、不凝气含量等数据处理过程的详细描述见文献[13]。
2 实验结果与讨论211 表面的表征SAM 21和SAM 22表面接触角分别为162°和・806・化 工 学 报 第61卷 163°,接触较滞后均小于5°。
而SAM 20表面接触角仅为116°。
图2给出了SAM 21与SAM 22超疏水表面的扫描电镜图片。
从图中可以看出,SAM 21表面均匀分布着许多微米与纳米级的团状和乳突状结构,形成了微、纳米双重粗糙度结构;SAM 22表面均匀分布了一层“纳米花”的结构,“花瓣”由一些细长的纳米片组成,“纳米花朵”与“花瓣”共同构成了具有微纳米双重粗糙度的分级结构表面。
图2 SAM 21和SAM 22表面微纳米结构SEM 图片Fig 12 SEM images for SAM 21and SAM 22surfaces212 实验系统可靠性验证首先采用光滑紫铜管进行膜状冷凝实验来确定系统的有效性。
