混合潤濕性圖案化銅基表面冷凝換熱性能研究

朱丹丹，許雄文，2，劉金平，2，盧炯

（1華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州510641；2廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640）

引 言

冷凝換熱廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)工程領(lǐng)域，如：發(fā)電廠凝汽器、制冷空調(diào)冷凝器等。固體表面上的冷凝換熱存在兩種形式：膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)。當(dāng)冷凝液較好地潤濕壁面時(shí)，冷凝過程易形成膜狀凝結(jié)，冷凝表面的液膜會(huì)增大傳熱熱阻。相比之下，珠狀凝結(jié)能有效強(qiáng)化冷凝換熱[1-2]。珠狀凝結(jié)過程中，冷凝液珠的尺寸達(dá)到臨界直徑后，會(huì)在重力作用下脫落。液珠脫落時(shí)，將清掃其脫落路徑上的其他液珠，并為蒸汽提供持續(xù)更新的冷凝表面[3-4]。珠狀凝結(jié)可通過在無機(jī)金屬或硅表面構(gòu)筑疏水或超疏水表面的方式實(shí)現(xiàn)。其中，超疏水表面具有比疏水表面更高的液滴活動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在固體表面構(gòu)筑柱狀或針狀等微納結(jié)構(gòu)形成的超疏水表面，能使微米級(jí)尺寸的液滴在合并之后發(fā)生自彈跳運(yùn)動(dòng)，并離開固體表面[5-7]。合理設(shè)計(jì)固體表面的微納結(jié)構(gòu)，還能使液滴在自彈跳運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)平行于固體表面的運(yùn)動(dòng)，清掃其平移運(yùn)動(dòng)路徑上的其他冷凝液，加快冷凝液脫離表面的速率[8]，強(qiáng)化冷凝換熱。

構(gòu)造超疏水表面的思路主要是增加固體表面微納尺寸的粗糙結(jié)構(gòu)。固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)能使液體在固體表面鋪展時(shí)將空氣滯留在粗糙結(jié)構(gòu)凹槽內(nèi)，使固、液兩相間存在一層薄薄的氣相層，從而增大固體表面表觀接觸角[9]。分子模擬研究表明，柱狀粗糙表面會(huì)使納米液滴在固體表面的接觸角都增大[10]。在親水金屬基底表面構(gòu)造超疏水表面的主要思路是先構(gòu)造一層微納級(jí)別的粗糙結(jié)構(gòu)，然后再用低表面能物質(zhì)對(duì)粗糙結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾[5,11]。對(duì)此，在金屬表面構(gòu)筑超疏水層的常見方法有：化學(xué)刻蝕法[12-13]、分子自組裝膜法[14-15]、電鍍法[16-17]和疏水涂層噴涂[18-19]等方式。當(dāng)然，運(yùn)用不同的表面處理方法得到的疏水/超疏水表面的耐用程度和傳熱也不相同。例如，用PTFE涂層制備的疏水表面的滴狀冷凝效果和壽命取決于制備工藝和涂層厚度。涂層越厚，表面壽命越高，其傳熱系數(shù)與親水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相比的強(qiáng)化比越低；反之，壽命越低，強(qiáng)化比越高[2]。采用不同表面處理工藝的PTFE疏水表面強(qiáng)化比在1～28.6的范圍，壽命為10～22000 h。再例如，用化學(xué)刻蝕法、電化學(xué)沉積法、水熱法三種表面處理方法能分別得到接觸角為151.9°、130.5°和124.7°的Cu(OH)2納米線、C36H70CuO4納米片及CuO納米花疏水表面。實(shí)驗(yàn)表明僅Cu(OH)2納米線和CuO納米花結(jié)構(gòu)表面在冷凝實(shí)驗(yàn)中能夠維持穩(wěn)定珠狀冷凝，且傳熱實(shí)驗(yàn)后兩種表面的性質(zhì)能保持基本不變，其中，CuO納米花結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵝阅茏罴裑20]。還有，用高溫裂解法在紫銅基底上制備一層疏水性碳納米管膜，其冷凝傳熱系數(shù)相比膜狀冷凝提高3～4倍，熱通量提高1倍[21]。而用高溫蒸汽氧化、用過氧化氫腐蝕和正十八硫醇浸泡的方式在紫銅基表面制備的疏水性膜，其滴狀冷凝傳熱量是膜狀冷凝傳熱量的2～4倍[22]?？梢姡杷砻娴闹苽涔に噷?duì)其冷凝換熱特性和實(shí)用性有重要的影響。

雖然，理論上超疏水表面具有比疏水表面更高的液滴活動(dòng)性，但是這種活動(dòng)性在冷凝過程中會(huì)被削弱。研究表明超疏水表面發(fā)生的液滴自彈跳運(yùn)動(dòng)僅在低冷凝換熱熱通量的情況下能被觀察到[23]。同時(shí)，經(jīng)歷持續(xù)的冷凝換熱過程（大換熱溫差下）的超疏水表面，其粗糙結(jié)構(gòu)空隙中會(huì)存留冷凝液，弱化了超疏水表面珠狀凝結(jié)的效果，導(dǎo)致超疏水表面珠狀冷凝傳熱效率低于疏水表面[24]。除此之外，超疏水表面的冷凝成核壁壘較大，在相同的冷凝換熱溫差下成核密度低，削弱了冷凝換熱能力[25]。

對(duì)此，人們提出了混合潤濕性表面，該表面能有效地平衡超疏水表面在冷凝換熱中存在的優(yōu)缺點(diǎn)。合理的混合潤濕性表面圖案設(shè)計(jì)，構(gòu)造一定比例的親疏水區(qū)域，能有效地利用疏水區(qū)域高效的珠狀凝結(jié)方式和親水區(qū)域高效的冷凝水導(dǎo)流。即使疏水區(qū)域冷凝的珠狀冷凝液在觸碰到親水區(qū)域后，在表面能差的作用下，被快速拖離疏水區(qū)域，并在親水區(qū)域被導(dǎo)走，從而加速超疏水區(qū)域表面的更新。因此，對(duì)混合潤濕性表面而言，合理的圖案設(shè)計(jì)是強(qiáng)化冷凝換熱的重要因素。Chatterjee等[26-27]在研究中提出了兩種圖案化混合潤濕性表面。如圖1所示，在疏水表面上構(gòu)造點(diǎn)狀圓形陣列排布的親水區(qū)域和樹枝狀的親水區(qū)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)圖案中親水圓點(diǎn)的直徑為0.25 mm時(shí)，其冷凝傳熱系數(shù)相比全疏水表面高出約7.5%，而枝狀圖案排布冷凝傳熱系數(shù)與全疏水表面相比沒有提高。Yang等[28]提出了一種倒V形的親疏水混合潤濕性表面圖案，在大氣壓力下，該混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數(shù)分別是全疏水表面的1.03～1.09倍，全親水表面的1.06～1.16倍。Derby等[29]在水力直徑為1.06 mm，尺寸為0.56 mm×9.6 mm的細(xì)縫中構(gòu)造四個(gè)圖案不同但親水區(qū)域占比面積相近的混合潤濕性表面，其中，平行條紋圖案表面冷凝傳熱系數(shù)高于枝狀圖案表面。Peng等[30]在銅表面構(gòu)造平行條紋圖案的混合潤濕性表面，在常壓下的蒸汽冷凝實(shí)驗(yàn)中，條紋圖案混合潤濕性表面存在最優(yōu)的疏水區(qū)域?qū)挾葹?.55 mm，對(duì)應(yīng)的最大冷凝液滴半徑為0.25 mm。針對(duì)上述條紋圖案的混合潤濕性表面，理論研究認(rèn)為珠狀冷凝的最佳冷凝液珠直徑與冷凝傳熱溫差、膜狀冷凝的區(qū)域?qū)挾纫约敖佑|角有關(guān)，而與冷凝液的滯后接觸角無關(guān)。最佳冷凝液珠的直徑隨著傳熱溫差和膜狀冷凝區(qū)域?qū)挾鹊脑黾佣龃?，同時(shí)，隨著冷凝液的接觸角增大而減小[31]。另外，根據(jù)植物葉片疏水結(jié)構(gòu)，Ghosh等[32-33]設(shè)計(jì)了楔形結(jié)構(gòu)圖案[圖2(a)]表面，并在后期實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行改進(jìn)[圖2(b)][32-33]。結(jié)果表明，該楔形結(jié)構(gòu)能有效限制冷凝液珠最大直徑，并將冷凝液導(dǎo)走，冷凝傳熱系數(shù)高于全疏水表面，且改進(jìn)后的楔形圖案能更有效地排走冷凝液。Lo等[34]制作了以硅板為基底，帶微米級(jí)凹槽的三維親疏水混合性質(zhì)表面：凹槽內(nèi)為親水結(jié)構(gòu)，而突起的肋面則為疏水結(jié)構(gòu)。該混合潤濕性表面的三維結(jié)構(gòu)能有效阻礙冷凝過程中液橋的形成，且在冷凝換熱溫差為18 K的條件下，獲得了高達(dá)37 kW/(m2·K)的冷凝傳熱系數(shù)和655 kW/m2的熱通量。另外，Alwazzan等[35-36]在水平管上制備了豎直條紋狀的兩種不同潤濕性區(qū)域相間的疏水表面，在冷凝換熱溫差為9 K的條件下，條紋寬度設(shè)計(jì)最優(yōu)的銅管其冷凝傳熱系數(shù)可以達(dá)到85 kW/m2，分別是膜狀凝結(jié)和全珠狀凝結(jié)的4.8倍和1.8倍。

圖1 點(diǎn)狀與樹狀混合潤濕性表面示意圖[27]Fig.1 Schematic diagramof the hybrid wettability surfaces with dots pattern and branches pattern[27]

總而言之，對(duì)混合潤濕性表面的圖案設(shè)計(jì)研究對(duì)強(qiáng)化冷凝換熱有著重要的意義。本研究工作采用聚四氟乙烯納米粒子涂層噴涂法制備超疏水表面，并應(yīng)用到50 mm×100 mm的銅基板上，通過冷凝實(shí)驗(yàn)探究該超疏水表面的冷凝換熱特點(diǎn)。同時(shí)，為了探究平行條紋圖案的傾角對(duì)冷凝液動(dòng)態(tài)運(yùn)輸過程和冷凝傳熱的影響，具有60°和90°傾角條紋圖案的親疏水相間混合潤濕性表面也被用于本次研究工作中。本研究將根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出不同圖案聚四氟乙烯超疏水涂層表面冷凝換熱特性，對(duì)混合潤濕性表面冷凝理論發(fā)展及其圖案設(shè)計(jì)具有一定的科學(xué)及工程意義。

圖2 仿生楔形結(jié)構(gòu)示意圖[33]Fig.2 Schematic diagramof the bionic wedgestructure[33]

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了保證冷凝實(shí)驗(yàn)的一致性與可靠性，本研究的實(shí)驗(yàn)中所有的冷凝表面統(tǒng)一采用純度為99.8%的紫銅板。考慮到實(shí)際用于冷凝換熱過程的表面面積較大，導(dǎo)致用小尺寸表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的意義在一定程度上被削弱。因此，本實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一采用長度100 mm，寬度50 mm，厚度2 mm的銅板作為冷凝實(shí)驗(yàn)基板，而實(shí)際換熱面積為95 mm×45 mm。制作超疏水涂層的材料和設(shè)備分別如表1和表2所示。

表1 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層制作材料Table 1 Fabrication material of PTFE nanoparticle superhydrophobic coating

表2 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層制作設(shè)備Table 2 Fabrication equipment of PTFE nanoparticle superhydrophobic coating

1.2 冷凝實(shí)驗(yàn)表面制備

1.2.1 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層表面的制備 聚四氟乙烯（PTFE）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，是良好的疏水材料。聚四氟乙烯乳液覆蓋在銅基表面便能形成一層較好的保護(hù)層。然而，單純地覆蓋聚四氟乙烯涂層，并不能使表面達(dá)到超疏水效果，而且涂層在銅表面的黏附性也較差。因此，研究學(xué)者多采用在涂料乳液中加入納米粒子的方法對(duì)乳液改性，增強(qiáng)涂層的黏附性和疏水性等。在本研究中，為了制備PTFE超疏水表面，涂料加入了平均粒徑為500 nm的聚四氟乙烯納米顆粒。

聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層的制備過程如下。首先，用300目（粒徑42μm）的砂紙將紫銅基板打磨平整，按順序?qū)⒒逡来畏湃肴ルx子水、無水乙醇、去離子水、稀鹽酸（1 mol/L）和去離子水中超聲清洗各2 min以去除在紫銅基板表面附著的顆粒物、污垢和有機(jī)物，隨后用氮?dú)獯蹈蓚溆?。然后，將聚四氟乙烯乳液、Xylan黑色涂料以及聚四氟乙烯納米粒子分別按25%、25%和50%的質(zhì)量比混合，并用磁力攪拌器混合攪拌30 min。攪拌過程中根據(jù)涂料的黏度適當(dāng)加入N-甲基吡咯烷酮溶劑進(jìn)行稀釋。攪拌后的涂料繼續(xù)超聲分散20 min，便可得到混合均勻的噴涂涂料。

將上述備好的銅板鉛垂放置并固定，在空氣壓力為0.5～0.6 MPa的條件下，用噴槍在距離銅板150 mm的位置，垂直于銅板噴涂制備好的涂料。噴涂完畢后，取下銅板，放入干燥箱中，加熱至232℃，保溫5 min后，退火至室溫，便可得到覆蓋聚四氟乙烯納米粒子涂層的超疏水銅基表面(圖3)。

圖3 聚四氟乙烯納米粒子涂層覆蓋的超疏水表面Fig.3 The superhydrophobic surface coated by the PTFE nanoparticle

1.2.2 混合潤濕性表面的制備 圖4所示為混合潤濕性表面圖案的示意圖，混合潤濕性表面由超疏水條紋與親水條紋組成。其中，白色區(qū)域所示是被聚四氟乙烯納米粒子涂層覆蓋的超疏水區(qū)域，黑色區(qū)域所示則是紫銅表面，每個(gè)超疏水區(qū)域都與兩個(gè)親水區(qū)域的條紋平行且相鄰。圖案條紋與基板的寬度方向呈一定角度，圖4(a)所示的圖案表面條紋與銅板寬度方向呈90°，圖4(b)的圖案表面條紋與銅板寬度方向呈60°。表3為實(shí)驗(yàn)表面的表面特征。考慮到制作流程的工藝和實(shí)用性，混合潤濕性表面的親、疏水區(qū)域的條紋寬度都為1 mm。兩混合潤濕性表面（表面2#和表面3#）的親水區(qū)域面積占比相近，分別為48.8%和48.7%。

圖4 混合潤濕性表面圖案的示意圖Fig.4 Schematic diagram of the hybrid surfaces’patterns

混合潤濕性表面的具體制作流程如下：首先，用300目（粒徑42μm）的砂紙將紫銅基板打磨平整，按順序?qū)⒆香~基板依次放入去離子水、無水乙醇、去離子水、稀鹽酸（1 mol/L）和去離子水中超聲清洗各2 min以去除在紫銅基板表面附著的顆粒物、污垢和有機(jī)物，隨后用氮?dú)獯蹈蓚溆?。然后，將熱轉(zhuǎn)印機(jī)工作溫度設(shè)置為80℃，并開機(jī)預(yù)熱5 min。在清潔好的銅基表面上平整地貼上光刻膠干膜，將貼合好干膜的銅板放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)，使干膜在其熱壓作用下緊緊地附著在銅板表面。隨后，將如圖4所示的圖案用菲林打印機(jī)打印在透明膠片上。將印有黑色條紋圖案的透明膠片放置在表面貼有干膜的銅基板表面上，并一起放入曝光機(jī)中。確保貼有干膜的銅板表面面向曝光機(jī)光源，并在帶圖案的透明膠片的保護(hù)下，曝光20 s。曝光后，銅基板上的干膜將發(fā)生變化，被透明膠片上黑色條紋保護(hù)的部分沒有被紫外光源照射，將保持原有的性質(zhì)不變，未被黑色條紋保護(hù)的部分將在紫外光源的照射下發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的改變——干膜變脆、變黑并更為緊密地附著在銅基表面上。緊接著將曝光后的銅板放入顯影液中進(jìn)行顯影，在顯影過程中，未被紫外光源照射的干膜被移除，被紫外光源照射到的部分依舊附著在銅板表面，并在后面的涂層噴涂過程中起到保護(hù)銅板的作用。圖5為經(jīng)過顯影步驟后的紫銅基板表面，顏色偏淺部分為裸露的紫銅表面，并將在噴涂涂層的過程中被涂層附著，最后，變?yōu)槌杷畢^(qū)域；顏色偏暗部分為附著在紫銅表面起到保護(hù)作用的干膜，將在經(jīng)過后續(xù)的脫模過程后變?yōu)橛H水銅表面。顯影后的銅板用去離子水清洗干凈，氮?dú)獯蹈?，然后鉛垂放置并固定，在空氣壓力為0.5～0.6 MPa的條件下，用噴槍在距離銅板150 mm的位置，垂直于銅板噴涂。噴涂完畢后，取下銅板，放入干燥箱中，60℃下烘干40 min以固化涂層。然后，待銅板冷卻到室溫后，將銅板放入脫模液中，讓銅板上剩余的干膜在脫模液作用下被移除，露出噴涂過程中被保護(hù)的紫銅表面。完成脫模過程后的銅基板用去離子水清洗干凈后，再次放入干燥箱中232℃固化10 min。退火至室溫后取出，便能得到如圖6所示的聚四氟乙烯納米粒子超疏水表面與親水紫銅表表面混合的混合潤濕性表面。

圖5 經(jīng)過顯影過程后的紫銅基板表面Fig.5 The cooper substrates after being applied to the development procedure

表3 冷凝實(shí)驗(yàn)所用表面特征Table 3 Characteristic of the experimental condensing surfaces

圖6 制備好的具有傾斜條紋圖案的混合潤濕性表面Fig.6 The copper substrates with inclined stripes pattern and hybrid wettability

1.2.3 冷凝實(shí)驗(yàn)表面表征 圖7為液滴在不同表面上所表現(xiàn)出來的潤濕性特征，圖7(a)為銅板的潤濕性特征，表現(xiàn)為親水性；圖7(b)為聚四氟乙烯納米涂層的潤濕性特征，表現(xiàn)為超疏水；圖7(c)、(d)都是混合潤濕性表面的潤濕性特征，圖7(c)是從銅板長度方向進(jìn)行拍攝得到，可以看到，液滴在沿銅板長度方向沒有超疏水條紋的限制并在此方向上能較好地潤濕表面，而圖7(d)是從銅板寬度方向進(jìn)行拍攝得到，可以觀察到，液滴在銅板寬度方向的延展性與潤濕性受到超疏水區(qū)域條紋的限制。

圖8為接觸角測量儀（Dataphysics,OCA40 Micro）測得的紫銅表面以及聚四氟乙烯超疏水涂層表面的接觸角。用于接觸角測量的液滴體積為3 μl，兩種表面的接觸角如表4所示，其中，紫銅表面測得靜態(tài)接觸角平均值為86.4°，超疏水表面測得靜態(tài)接觸角平均值為151.2°。

圖9為使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（ZEISS,MERLIN）對(duì)打磨后的銅板表面與聚四氟乙烯納米粒子涂層超疏水表面的形貌表征。圖9(a)、(b)是打磨后的銅板表面，在放大500倍的情況下可觀察到其表面的不平整結(jié)構(gòu)。圖9(c)～(e)為超疏水涂層的形貌表征，在放大500倍情況下，可以觀察到涂層的厚度存在不均勻性，在放大到10000倍和30000倍的情況下，可以觀察到分布在涂層中的橢球體聚四氟乙烯納米顆粒，納米顆粒在銅板表面較為均勻地分布與堆疊。納米顆粒的堆疊給銅板表面增加了粗糙度，且顆粒之間存在納米級(jí)別的縫隙，這些縫隙將使液滴在潤濕涂層表面的時(shí)候存留一定量的空氣，使液體在涂層表面的潤濕模型為Cassie潤濕模型，從而實(shí)現(xiàn)水在聚四氟乙烯涂層表面的超疏水潤濕特性。

表4 光滑銅表面與超疏水表面的接觸角Table 4 Contact angles of cooper surface and superhydrophobic surface

圖7 不同表面的潤濕性特征Fig.7 Wettability characteristic of the experimental surfaces

圖8 不同表面的接觸角Fig.8 Contact angle of the experimental surfaces

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

1.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置 圖10為冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意簡圖以及冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖，冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，分別是：蒸汽發(fā)生段、冷凝段、噴淋水冷卻段和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

蒸汽發(fā)生段由一個(gè)直徑為25 cm的圓柱形容器構(gòu)成，容器的底部嵌入一個(gè)最大功率為3kW的電加熱棒，加熱功率由調(diào)壓器控制，調(diào)節(jié)范圍為0～3 kW。蒸汽發(fā)生器出口處放置一個(gè)壓力傳感器（SISEN,K09），以測量冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽壓力，保證蒸汽發(fā)生段為整個(gè)冷凝系統(tǒng)穩(wěn)定地提供維持系統(tǒng)壓力約0.104 MPa（微正壓）的蒸汽量。

蒸汽發(fā)生段產(chǎn)生的蒸汽，通過直徑為30 mm的蒸汽管道后，被運(yùn)送到尺寸為260 mm×220 mm×280 mm的長方體冷凝室內(nèi)，蒸汽在冷凝室內(nèi)將接觸換熱表面并發(fā)生冷凝。冷凝過程產(chǎn)生的冷凝水在重力作用下，流到冷凝室的底部，并通過直徑為20 mm的冷凝水管道回流到蒸汽發(fā)生容器中。

噴淋水冷卻段由一個(gè)散熱銅塊、兩個(gè)霧化噴頭、一個(gè)散熱風(fēng)扇以及冷卻水水箱構(gòu)成。如圖11所示，散熱銅塊的前半部分為50 mm×100 mm的矩形凸臺(tái)，后半部分為直徑12 cm的圓柱體。冷凝換熱銅板被聚四氟乙烯壓蓋按壓在散熱銅塊的矩形凸臺(tái)上，再由四顆螺釘固定壓緊。固定螺釘擰緊后，用絕熱膠將其密封起來，防止熱量通過螺釘散失。冷凝換熱銅板與散熱銅塊之間涂有熱導(dǎo)率為1.2 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅脂，保證冷凝銅板與散熱銅塊之間的連接緊密。整個(gè)散熱銅塊外層包裹厚度約為5 mm聚四氟乙烯絕熱套材料，為防止冷凝散熱量沿銅塊的徑向進(jìn)行傳導(dǎo)，冷凝實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽在冷凝換熱銅板表面進(jìn)行冷凝，熱量從銅板換熱面向銅板背面進(jìn)行傳導(dǎo)，依次經(jīng)過導(dǎo)熱硅脂和散熱銅塊，最后，由冷卻水的噴淋蒸發(fā)過程將熱量帶走。

圖9 打磨后的銅板與聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層表面的SEM表征Fig.9 SEM of theexperimental copper substrate and the PTFEnanoparticle coating

冷凝實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)象由高速攝像機(jī)（Phantom,Miro Ex4）通過冷凝室前方直徑為135 mm的玻璃視窗進(jìn)行拍攝記錄。實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽發(fā)生裝置、冷凝室以及所有的蒸汽、冷凝液運(yùn)輸管道都由保溫材料包裹以減少熱量從除冷凝實(shí)驗(yàn)表面外的其他位置散失。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 Experimental setup

1.3.2 實(shí)驗(yàn)流程 實(shí)驗(yàn)過程中不凝性氣體的存在將會(huì)阻礙蒸汽與冷凝表面的接觸，增大冷凝換熱熱阻，降低冷凝換熱效率。因此，冷凝實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部需要先進(jìn)行不凝性氣體的排氣過程，以保證沒有不凝性氣體的存在。實(shí)驗(yàn)開始前，先將去離子水注入蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)，并通過液位計(jì)觀察蒸汽發(fā)生器內(nèi)的液位情況，確保液位能沒過電加熱棒，防止加熱棒在工作過程中干燒。注入去離子水后，打開冷凝室的冷凝液出口閥門，以及其與大氣連通管的閥門，關(guān)閉冷凝液回流到蒸汽發(fā)生器的入口閥門，打開電加熱棒功率調(diào)節(jié)到1.5 kW進(jìn)行加熱。持續(xù)生成的蒸汽將逐漸充滿整個(gè)冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，待產(chǎn)生的蒸汽形成較高的正壓后，打開冷凝室的冷凝液出口閥門，以及其與大氣連通管的閥門，利用持續(xù)產(chǎn)生的蒸汽將裝置內(nèi)的不凝性氣體排擠出，該過程持續(xù)10 min。然后，關(guān)閉冷凝室的冷凝液出口閥門，打開冷凝液回流到蒸汽發(fā)生器的入口閥門，冷凝室的冷凝液出口與大氣連通管的閥門保持打開，此時(shí)排擠冷凝液回流管段內(nèi)的空氣，此過程持續(xù)10 min，確保實(shí)驗(yàn)裝置中不凝氣的完全排出。

完成上述排氣操作流程后，關(guān)閉系統(tǒng)冷凝室的冷凝液出口與大氣連通管閥門，打開從冷凝室到蒸汽發(fā)生器的冷凝液回水管道的全部閥門，冷凝系統(tǒng)開始循環(huán)。此時(shí)，降低電加熱棒加熱功率，使壓力傳感器測得的Pl維持在某一穩(wěn)定微正壓的狀態(tài)，防止空氣滲入，此系統(tǒng)狀態(tài)維持5 min。然后，打開冷卻噴淋系統(tǒng)（冷卻水霧化噴頭以及散熱風(fēng)扇），調(diào)高蒸汽發(fā)生器的加熱功率，通過調(diào)節(jié)冷卻水噴淋流量以及散熱風(fēng)扇的風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)冷凝表面冷凝換熱溫差ΔTsub的調(diào)節(jié)。每個(gè)ΔTsub下，系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定維持10 min之后，才開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取20個(gè)測量點(diǎn)，且每個(gè)ΔTsub做3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。冷凝實(shí)驗(yàn)過程中始終保持微正壓的狀態(tài)，保證冷凝裝置內(nèi)沒有不凝氣滲入。

1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖11 冷凝換熱銅板的固定安裝和散熱方式示意圖Fig.11 Schematic diagram of the installation method and the heat dissipation of the condensation cooper substrates

式中，Acu為散熱銅塊圓柱體的截面面積，λcu為紫銅的熱導(dǎo)率。冷凝過程中，冷凝換熱表面的熱通量q可以由式(2)計(jì)算得到：

式中，Ac為實(shí)驗(yàn)銅板的冷凝換熱面積，Δx為散熱銅塊圓柱體側(cè)面測溫孔的中心距。冷凝換熱面的壁溫Tw可由銅板背面壁溫Tw,b計(jì)算得到：

式中，Δl為實(shí)驗(yàn)銅板的板厚。但是，由于銅板背面的壁溫Tw,b是由插入與實(shí)驗(yàn)銅板緊密貼合的散熱銅塊表面凹槽內(nèi)的熱電偶測得，測溫?zé)犭娕寂c實(shí)驗(yàn)銅板之間存在無法完全緊密接觸的情況。因此，考慮測溫?zé)犭娕寂c銅板背面存在接觸熱阻R，且認(rèn)為每組實(shí)驗(yàn)中R為定值。接觸熱阻R是根據(jù)考慮上接觸熱阻后，光滑銅板的膜狀凝結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Nusselt膜狀凝結(jié)理論值吻合的原則進(jìn)行確定。對(duì)此，Tw,b可以表示為：

式中，Tw,b(m)為實(shí)驗(yàn)過程中銅板測溫?zé)犭娕紲y得的溫度，而Tw,b為銅板背面實(shí)際壁溫。聯(lián)立式(3)與式(4)，可得Tw表達(dá)式：

根據(jù)測溫裝置給出的測量精度范圍，得到冷凝實(shí)驗(yàn)中各測量不確定度，如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)測量不確定度Table 5 The uncertainty of the experimental measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷凝實(shí)驗(yàn)條件

圖12 冷凝實(shí)驗(yàn)過程測得蒸汽溫度與冷凝壓力隨時(shí)間的變化Fig.12 Vapor temperature and condensation pressure changes with time during experiments

圖12為實(shí)驗(yàn)過程中測得的冷凝室內(nèi)蒸汽溫度與壓力隨時(shí)間的變化。從圖中可看出，實(shí)驗(yàn)過程中冷凝室內(nèi)的壓力始終大于101.325 kPa，維持微正壓的狀態(tài)。同時(shí)，蒸汽飽和溫度始終在100℃附近，且略大于100℃。實(shí)驗(yàn)過程中，測得的冷凝室壓力隨時(shí)間會(huì)有略微的波動(dòng)，蒸汽溫度的波動(dòng)趨勢與測得冷凝室內(nèi)壓力波動(dòng)的趨勢相同，可確保實(shí)驗(yàn)過程不漏入不凝性空氣。

2.2 不同表面上的冷凝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖13為實(shí)驗(yàn)表面在冷凝換熱過程中的冷凝現(xiàn)象。圖13(a)為ΔTsub分別是5、9和14 K的紫銅表面冷凝換熱現(xiàn)象。從圖中可看出，ΔTsub從5 K到14 K的變化過程中，銅板表面被液膜覆蓋的區(qū)域沒有明顯的變化。然而，從高速攝像機(jī)拍攝到的動(dòng)態(tài)畫面中可觀察到燈光照射下液膜的動(dòng)態(tài)特征——隨著冷凝換熱溫差的增大，銅表面冷凝液膜的流動(dòng)速度明顯增加，液膜的波動(dòng)性增加，液膜厚度也明顯增大。

圖13（b）是ΔTsub分別為5、9和15 K時(shí)超疏水表面的冷凝現(xiàn)象——典型的珠狀凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：液滴在超疏水表面冷凝成核，隨著冷凝過程持續(xù)進(jìn)行，液珠的直徑不斷增大，并不斷與相鄰液滴接觸發(fā)生合并，脫落。但是，超疏水表面生成的冷凝液滴在冷凝面上有明顯的“釘扎效應(yīng)”，液珠與超疏水表面的潤濕表現(xiàn)為Wenzel潤濕模式。即冷凝液珠更為緊密地附著在冷凝面上，需要在較大的重力作用下才能脫離壁面。因此，冷凝液珠脫離壁面的臨界直徑增大，實(shí)驗(yàn)中觀察到超疏水表面冷凝液滴的最大直徑可達(dá)到3.99 mm。從圖中也可以看到，超疏水表面無論在大冷凝換熱溫差下，還是小冷凝換熱溫差下都布滿冷凝液珠，液珠僅在重力作用下，或者被其他滾落的液珠合并才得以脫離表面，使得冷凝表面得以更新，如圖13（b）所示，冷凝液滴的脫落路徑顏色變暗，即液滴脫落的過程掃落了其他液滴。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在冷凝換熱溫差較高的情況下，冷凝換熱熱通量較大，液滴的成長速度和脫落速率加快，使冷凝表面的更新速率加快。冷凝實(shí)驗(yàn)過程中，并未觀察到冷凝液滴由合并驅(qū)動(dòng)的自跳躍現(xiàn)象。

圖13（c）、（d）分別為兩種混合潤濕性表面在冷凝換熱溫差為5～15 K條件下的冷凝換熱現(xiàn)象。冷凝過程中，混合潤濕性表面超疏水區(qū)域的冷凝液珠的尺寸能被有效控制，實(shí)驗(yàn)過程中沒有觀察到液珠直徑大于疏水條紋寬度（1 mm）的情況。疏水區(qū)域上，小液珠隨著冷凝持續(xù)進(jìn)行而發(fā)生相互合并，較大的液珠則容易觸碰到親水區(qū)域邊緣，如圖14所示，在超疏水區(qū)域冷凝成核的部分液滴，在邊緣觸碰到親水區(qū)域時(shí)，被瞬間拉到親水區(qū)域中，并被快速地導(dǎo)走。實(shí)驗(yàn)過程中還觀察到，當(dāng)親水區(qū)域的冷凝液剛被導(dǎo)離，該區(qū)域?qū)⒀杆傩纬芍闋钅Y(jié)（圖15）。隨著冷凝過程的持續(xù)進(jìn)行，冷凝液滴不斷與（親水區(qū)域或疏水區(qū)域的）其他液滴合并，并快速成膜狀覆蓋親水區(qū)域，最終形成較大尺寸的掛珠（圖16）。親水區(qū)域形成的冷凝液掛珠的尺寸甚至超過親水區(qū)域?qū)挾取?/p>

2.3 混合潤濕性表面的液橋現(xiàn)象的比較

一般情況下，混合潤濕性表面在表面能差的作用下，親水區(qū)域的冷凝液將被限制在單條親水區(qū)域內(nèi)，并在重力作用下被導(dǎo)離壁面。偶爾也會(huì)發(fā)生冷凝液突破親水區(qū)域的限制，跨過一個(gè)疏水條紋區(qū)域，并同時(shí)接觸兩個(gè)親水條紋區(qū)域的現(xiàn)象——液橋，如圖13(c)、(d)所示。

實(shí)驗(yàn)表明，即使是在冷凝換熱溫差較低的情況下，圖13(c)、(d)所示的兩種混合潤濕性表面在冷凝實(shí)驗(yàn)中都存在液橋，兩種混合潤濕性表面的液橋現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率和脫落的動(dòng)態(tài)特征有所區(qū)別。為了獲得冷凝表面液橋出現(xiàn)的頻率，實(shí)驗(yàn)用高速攝像機(jī)拍攝記錄同一區(qū)域（45.0 mm×36.5 mm）相同時(shí)間段（13.2 s）內(nèi)，兩種潤濕性表面液橋出現(xiàn)的頻數(shù)，示于圖17。結(jié)果表明，液橋出現(xiàn)的頻率隨著冷凝換熱溫差的增加而增大。相同的冷凝換熱溫差下，圖案傾角為60°的混合潤濕性表面，液橋出現(xiàn)的頻率更高。這是因?yàn)橄啾扔?0°傾角的混合潤濕性表面，60°傾角的圖案表面能使冷凝液掛珠在重力的作用下，向相間的親水區(qū)域偏離，增加了親水區(qū)域間冷凝液相互接觸的橫向合并，更容易形成液橋。90°傾角的混合潤濕性表面，液橋的出現(xiàn)沒有特別固定的區(qū)域，而60°傾角的混合潤濕性表面，液橋常常出現(xiàn)在條紋圖案的末端，冷凝液也多在此處匯集。

圖13 不同表面在高速攝像機(jī)記錄下的冷凝換熱現(xiàn)象Fig.13 Condensation phenomenon of the experimental surfaces

圖14 混合潤濕性表面疏水區(qū)域液珠被拖拽到親水區(qū)域Fig.14 Image of condensation droplet being dragged from the hydrophobic region to the hydrophilic region on the hybrid wettability surfaces

圖15 混合潤濕性表面親水區(qū)域瞬時(shí)的珠狀冷凝現(xiàn)象Fig15 Transient dropwise condensation phenomenon on the hydrophilic region of the hybrid wettability surfaces

圖16 混合潤濕性表面親水區(qū)域冷凝液形成較大的掛珠Fig.16 Formation of large droplets on the hydrophilic region of the hybrid wettability surfaces

冷凝表面上的液橋會(huì)導(dǎo)致表面部分區(qū)域覆蓋一層較厚的液膜，增加傳熱熱阻。但是，液橋在冷凝表面上滑動(dòng)脫離的過程，在一定程度上有助于加速將疏水條紋區(qū)域的冷凝液珠帶離表面，加快疏水區(qū)域冷凝液珠的“更新?lián)Q代”，提高冷凝換熱效率。在親、疏水區(qū)域?qū)挾容^小的表面上，液橋更大程度上會(huì)削弱換熱效率[36]。這是因?yàn)?，?duì)納米級(jí)寬度的親疏水結(jié)構(gòu)而言，疏水區(qū)域的冷凝液能高效地被拖拽至親水區(qū)域，并在重力作用下快速脫離表面，而不在疏水區(qū)域長時(shí)間停留。在這種表面上出現(xiàn)液橋，無疑是給疏水表面增加傳熱熱阻，使液橋?qū)淠龘Q熱過程僅產(chǎn)生不利的影響。但在本實(shí)驗(yàn)中，混合潤濕性冷凝表面的親、疏水條紋寬度皆為1 mm，疏水區(qū)域冷凝液珠更新?lián)Q代的周期較長。此時(shí)，液橋的出現(xiàn)與脫離，能將其橫跨的疏水區(qū)域上的冷凝液滴“掃走”，加快疏水表面“更新”速率。從圖18（a）所示90°傾角的混合潤濕性表面上液橋滑動(dòng)脫離表面的前后對(duì)比可見，液橋掃過的疏水區(qū)域冷凝液珠被脫落的液橋帶離冷凝表面（在圖上表現(xiàn)為疏水區(qū)域顏色變暗）；圖18（b）為60°傾角的混合潤濕性表面上液橋脫離表面的過程，其液橋脫落的作用與90°傾角的表面相當(dāng)。

圖17 單位時(shí)間與面積下混合潤濕表面液橋出現(xiàn)的頻率Fig.17 Frequency of the liquid bridge on the hybrid wettability surfaces

大冷凝換熱溫差下，冷凝熱通量較大，冷凝液生成的速率加快，因此，液橋出現(xiàn)的頻率較高，液橋脫離表面的速率也隨之增大。即高熱通量有利于液橋的生成和脫離，也有利于冷凝換熱表面冷凝液的更新和冷凝換熱的強(qiáng)化。

2.4 冷凝換熱效果分析

圖19為各表面冷凝換熱表面的換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的熱通量及傳熱系數(shù)與換熱溫差的關(guān)系曲線。圖19（a）為各換熱表面冷凝換熱熱通量與ΔTsub的關(guān)系，各表面的冷凝換熱熱通量隨ΔTsub的增大而增加。圖19（b）為各換熱表面冷凝傳熱系數(shù)隨ΔTsub變化的趨勢。圖中顯示，未進(jìn)行表面涂層處理的銅板表面冷凝傳熱系數(shù)hfwc隨ΔTsub的增大而減小，符合膜狀凝結(jié)的特征。與之相反，超疏水表面與混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數(shù)都隨著ΔTsub的增大而增大。為探尋其原因，對(duì)冷凝表面液滴的脫落頻率進(jìn)行研究。圖20（a）～（c）為ΔTsub為3、9和15 K時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)高速攝像機(jī)記錄的超疏水表面同一區(qū)域（45.0 mm×36.5 mm）內(nèi)冷凝液脫落的時(shí)刻。以液滴接觸到/越過圖中所示的白線位置為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到圖20（d）所示的超疏水表面液滴脫落頻率。ΔTsub分別為3、9和15 K時(shí)，超疏水表面液滴脫落平均頻率分別為2.796×10-2、4.855×10-2和5.341×10-2s-1·cm-2。即隨著ΔTsub的增加，超疏水表面冷凝液滴脫落的頻率增加，冷凝液滴的更新速率也隨之增加，強(qiáng)化冷凝換熱，從而導(dǎo)致超疏水表面hdwc隨ΔTsub的增大而增大。這個(gè)機(jī)制同樣可以解釋混合潤濕表面的冷凝傳熱系數(shù)hhybrid也隨著ΔTsub的增大而增大的現(xiàn)象。如圖17所示，混合潤濕性表面的液橋出現(xiàn)與脫落頻率隨著ΔTsub的增加而增加，而液橋的脫落對(duì)橫跨的疏水表面的液滴更新有加速作用，從而強(qiáng)化了表面的冷凝換熱。但是，這種通過增大液橋頻率來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱的方式并不會(huì)隨著ΔTsub的增大而持續(xù)增強(qiáng)。這是因?yàn)?，液橋在另一方面也增大了部分親、疏水區(qū)域的換熱熱阻。即生成的液橋犧牲了部分區(qū)域的換熱表面來強(qiáng)化其他區(qū)域的冷凝換熱，因此，隨著ΔTsub增大，混合潤濕性表面hhybrid先增加后趨于平緩。

超疏水表面的冷凝傳熱系數(shù)雖然會(huì)隨ΔTsub的增大而增大，但是在ΔTsub為5～20 K的范圍內(nèi)，超疏水表面的冷凝傳熱系數(shù)始終低于光滑銅板表面的冷凝傳熱系數(shù)。這可從超疏水表面冷凝液滴的動(dòng)態(tài)特征得到解釋。前文對(duì)超疏水表面冷凝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述中提到，超疏水表面上能觀察到最大冷凝液滴的平均直徑達(dá)到3.99 mm。這意味著超疏水表面在冷凝過程中，表面被尺寸較大的液滴所覆蓋，與銅表面所覆蓋的液膜相比大尺寸的液滴會(huì)導(dǎo)致更高的傳熱熱阻。同時(shí)，冷凝液滴在超疏水表面表現(xiàn)為Wenzel潤濕模型，這種“釘扎效應(yīng)”使冷凝液滴的脫落頻率較低，導(dǎo)致超疏水表面冷凝傳熱系數(shù)始終低于銅表面的傳熱系數(shù)。

圖18 混合潤濕性表面液橋脫落的過程Fig.18 Departure of the liquid bridge on the hybrid wettability surfaces

圖19 定量分析不同表面的冷凝換熱效果Fig.19 Quantitative analysis of the condensation efficiency of the experimental surfaces

雖然，超疏水表面的冷凝換熱由于大尺寸液滴的附著而低于銅板表面的傳熱系數(shù)，但是，混合潤濕性表面能有效地限制冷凝液滴在疏水區(qū)域增長的尺寸，因此，兩種混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數(shù)都比超疏水表面的傳熱系數(shù)高。超疏水表面在ΔTsub約為15.6 K時(shí)，得到最高冷凝傳熱系數(shù)h為8.5 kW/(m2·K)，冷凝換熱熱通量q為132.95 kW/m2；圖案傾角為60°混合潤濕表面在ΔTsub約為11.3 K時(shí)測得最高冷凝傳熱系數(shù)，為16.64 kW/(m2·K)，熱通量為188 kW/m2，與相同ΔTsub下的超疏水表面相比，其傳熱系數(shù)是超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的2.14倍；圖案傾角為90°混合潤濕表面在ΔTsub約為13.78 K時(shí)測得最高冷凝傳熱系數(shù)為13.63 kW/(m2·K)，熱通量為187.83 kW/m2，與相同ΔTsub下的超疏水表面相比，其傳熱系數(shù)是超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的1.68倍。

圖20 超疏水表面冷凝液珠脫落計(jì)數(shù)Fig.20 Counting of the shedding droplets on the superhydrophobic surfaces

兩種混合潤濕性表面相比于超疏水表面都有強(qiáng)化冷凝換熱溫差的作用，但是，兩種表面的強(qiáng)化效果卻有所差異。大部分情況下，圖案傾角為60°混合潤濕表面的冷凝傳熱系數(shù)要高于圖案傾角為90°混合潤濕表面的冷凝傳熱系數(shù)，這樣兩種表面冷凝液更新的現(xiàn)象有較大關(guān)系。因此，在條紋圖案的混合潤濕性表面中具有一定傾角的條紋圖案對(duì)超疏水表面的冷凝換熱強(qiáng)化作用更明顯。

3結(jié) 論

本研究采用聚四氟乙烯納米粒子涂層在銅基板表面制備超疏水以及條紋圖案傾角分別為60°和90°的混合潤濕性表面。根據(jù)冷凝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高速攝像機(jī)記錄的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析上述表面的冷凝換熱特性，得到如下結(jié)論。

（1）超疏水表面與混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數(shù)隨ΔTsub的增大而增大，這是因?yàn)槠淅淠龘Q熱效果與冷凝液滴/液橋的脫落頻率存在強(qiáng)相關(guān)性。液滴/液橋的脫落頻率越高，冷凝表面的冷凝液珠的迭代更新速率就越快，冷凝傳熱系數(shù)越高。冷凝液滴或液橋的脫落頻率與冷凝液的生成速率呈正比，即與ΔTsub呈正比關(guān)系。

（2）冷凝液珠在超疏水表面的潤濕模型為Wenzel潤濕模型，液珠在冷凝表面表現(xiàn)出“釘扎效應(yīng)”，脫落速率降低，使冷凝表面長時(shí)間覆蓋大尺寸液珠，且實(shí)驗(yàn)觀測到的最大液滴尺寸可達(dá)3.99 mm。這導(dǎo)致超疏水表面?zhèn)鳠釤嶙璧脑黾?，使其冷凝傳熱系?shù)hdwc始終低于銅板表面的冷凝傳熱系數(shù)hfwc。

（3）混合潤濕性表面能有效限制冷凝液滴在超疏水區(qū)域的生成尺寸，同時(shí)，液橋的形成與脫落清掃了其沿途疏水區(qū)域懸掛的液珠，加速疏水區(qū)域表面的更新速率，有效提高超疏水表面的冷凝傳熱系數(shù)。

（4）圖案傾角為60°混合潤濕表面在ΔTsub約為11.3 K時(shí)測得最高冷凝傳熱系數(shù)，為16.64 kW/(m2·K)，是相同ΔTsub下疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的2.14倍；圖案傾角為90°混合潤濕表面在ΔTsub約為13.78 K時(shí)測得最高冷凝傳熱系數(shù)為13.63 kW/(m2·K)，是相同ΔTsub下超疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的1.68倍。

另外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，表面換熱溫差ΔTsub范圍為0～10 K時(shí)，本研究采用的混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數(shù)都低于銅板表面的傳熱系數(shù)。可見，上述兩種混合潤濕性表面在加快表面親、疏水區(qū)域的冷凝液的導(dǎo)流速率、提高冷凝表面冷凝液迭代更新的速率上還有較大的改進(jìn)空間。將來應(yīng)設(shè)置更小疏水區(qū)域的寬度對(duì)其換熱能力強(qiáng)化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

符號(hào)說明

Ac——實(shí)驗(yàn)銅板的冷凝換熱面積，m2

Acu——散熱銅塊圓柱體部分的截面面積，m2

fdwc——冷凝換熱表面膜狀凝結(jié)（親水）區(qū)域面積占比

Δl——實(shí)驗(yàn)銅板厚度，m

Pl——壓力傳感器測得冷凝系統(tǒng)壓力，Pa

Pv——飽和蒸汽溫度下對(duì)應(yīng)的飽和壓力，Pa

Q——冷凝換熱量，kW

q——熱通量，kW/m2

R——測溫?zé)犭娕寂c實(shí)驗(yàn)銅板背壁面間的接觸熱

阻，m2·K/W

Tv——飽和蒸汽溫度，K

Tw——冷凝換熱表面壁溫，K

Tw,b——冷凝換熱表面背面壁溫，K

T1,T2,T3——分別為散熱銅塊圓柱體部分軸向測溫孔1、2、3的測得溫度，K

ΔTsub——冷凝換熱溫差，K

Wdwc——冷凝換熱表面珠裝凝結(jié)區(qū)域（超疏水）條紋寬度，mm

Wfwc——冷凝換熱表面膜狀凝結(jié)區(qū)域（親水）條紋寬度，mm

Δx——散熱銅塊圓柱體側(cè)面測溫孔的中心距，m

λcu——紫銅的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

下角標(biāo)

dwc——珠裝凝結(jié)表面

fwc——膜狀凝結(jié)表面

hybrid——混合潤濕性表面

60——條紋圖案與銅板寬度方向傾角為60°的表面

90——條紋圖案與銅板寬度方向傾角為90°的表面