組合表面強(qiáng)化冷凝傳熱研究綜述

徐澤 鄧梓龍

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

冷凝廣泛存在于集水、海水淡化、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。冷凝可分為膜狀和滴狀冷凝，膜狀冷凝主要發(fā)生在親水表面或高過冷度情況。滴狀冷凝通常發(fā)生在疏水表面，其傳熱系數(shù)比膜狀冷凝高一個數(shù)量級[1-2]，這是由于冷凝液能夠及時脫除，但在高過冷度下，液滴成核速率增加，若不能及時排除冷凝液，將導(dǎo)致冷凝表面淹沒，轉(zhuǎn)化為膜狀冷凝，增加熱阻，使得傳熱惡化[3-4]。表面潤濕性是影響冷凝表面液滴運(yùn)動特性的主要因素，因此改變冷凝表面潤濕特性是提高冷凝傳熱系數(shù)的重要方法。近年來，研究人員提出親水-疏水組合表面，結(jié)合膜狀冷凝、滴狀冷凝特點，能夠有效增強(qiáng)冷凝傳熱系數(shù)。本文將介紹影響冷凝傳熱性能的主要因素，并重點總結(jié)組合表面在強(qiáng)化冷凝傳熱中的作用。

1 冷凝傳熱性能影響因素

冷凝是復(fù)雜的氣液相變過程，影響冷凝傳熱性能因素很多，冷凝表面潤濕性，實驗環(huán)境，蒸汽性質(zhì)如流速、溫度、壓力等均會影響冷凝傳熱性能。

1.1 表面潤濕性對冷凝的影響

潤濕性是影響冷凝傳熱性能的重要因素。潤濕性用來描述液滴在固體表面鋪展能力，接觸角、接觸角滯后是表征潤濕性的主要參數(shù)。

1）表面潤濕性：理想光滑固體表面接觸角θ可以根據(jù)Young方程表述為：

其示意圖如圖1（a）所示，其中γsv，γsl，γlv分別為固-氣，固 -液，液 -氣表面張力，當(dāng)θ=0°則液體完全鋪展表面，當(dāng)θ=180°，則液體完全不能潤濕表面，0°＜θ＜ 180°時，則液滴部分潤濕表面。光滑表面接觸角主要取決于表面化學(xué)性質(zhì)。

實際表面接觸角受到表面粗糙度的影響，描述液滴形態(tài)的有 Wenzel理論及 Cassie 理論，相應(yīng)的形態(tài)也稱為Wenzel形態(tài)及Cassie形態(tài)。

根據(jù) Wenzel 理論，若液滴全部潤濕粗糙表面時，如圖1（b）所示，實際表面表觀接觸角θapp為：

式中：r為固液實際接觸面積與表觀接觸面積之比，θapp＜ 90°則為親水表面，90°＜θapp則為疏水表面，從該式可推斷出親水表面增加粗糙度則會越親水，疏水表面增加粗糙度則會表現(xiàn)出越疏水。

若液滴懸在粗糙結(jié)構(gòu)頂部時，根據(jù) Cassie理論，可將接觸角表述為：

式中：f1+f2=1，f，θ分別為空氣與固體組分占總面積比例及其接觸角，其示意圖如圖 1（c）所示。

圖1 不同潤濕形態(tài)

接觸角滯后是描述液滴動態(tài)潤濕特性的重要參數(shù)，受到表面非均勻性、雜質(zhì)及粗糙度的影響。當(dāng)從液滴內(nèi)部吸走液體，接觸角不斷減小，三相接觸線發(fā)生移動前的接觸角稱為后退接觸角θrev。當(dāng)向液滴內(nèi)部注射液體時，接觸角不斷增大，三相接觸線發(fā)生移動前的接觸角稱為前進(jìn)接觸角θadv，接觸角滯后為兩者差值，即θCHA=θadv-θrev。接觸角滯后是制約液滴運(yùn)動的阻力，常通過降低接觸角滯后來提高液滴脫落速度，從而提升冷凝傳熱效率。

上述理論可以看出，表面化學(xué)性質(zhì)及粗糙度是影響潤濕性的主要因素，調(diào)控表面潤濕性也常通過改變表面化學(xué)性質(zhì)及粗糙度實現(xiàn)。

2）潤濕性對冷凝成核影響：表面潤濕性除了影響液滴形態(tài)，在冷凝過程中也會影響成核，蒸汽在冷凝表面冷凝需克服成核能壘ΔG：

式中：θ為接觸角，根據(jù)經(jīng)典成核理論，液滴最小半徑表述為：

式中：ρl為液體密度，σlv為液體表面張力，h為相變潛熱，ΔT為冷凝表面過冷度。由上式可看出，對于接觸角較小的親水表面，冷凝成核需克服的能壘越小，更容易成核。相反，對于接觸角較大的疏水表面，成核需要克服較大能壘，不易成核。

3）液滴形態(tài)對冷凝液滴運(yùn)動影響：從能量角度分析，C assie狀態(tài)能量高于Wenzel狀態(tài)能量，潤濕狀態(tài)傾向于從 Cassie 狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^低的 Wenzel 狀態(tài)。由于Wenzel狀態(tài)增大了固液接觸面積，粘附力更大，較難移動，冷凝過程中 Wenzel 狀態(tài)的液滴更難脫落，不益于冷凝傳熱，而 Cassie 狀態(tài)恰恰相反，粘附力小更容易移動脫落，因此促使液滴從 Wenzel 狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie 狀態(tài)也成為研究熱點。從 Wenzel 狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie狀態(tài)往往不能自發(fā)進(jìn)行，通過加熱[5]，電響應(yīng)[6]，磁響應(yīng)[7]等外部刺激可以從Wenzel恢復(fù)為Cassie接觸狀態(tài)。此外，非均勻表面特殊的結(jié)構(gòu)如溝槽、凹坑等，其內(nèi)部液滴借助拉普拉斯壓差也能實現(xiàn)從 Wenzel到Cassie 狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[3,8]。實際冷凝過程中，液滴形態(tài)還取決于成核位置以及成核密度。若成核位置在粗糙結(jié)構(gòu)底部或側(cè)壁，隨著液滴體積增大，容易發(fā)展為Wenzel狀態(tài)，所以控制液滴在粗糙結(jié)構(gòu)頂部成核也是實現(xiàn)Cassie狀態(tài)的有效方法。其次，若成核密度過大，且液滴無法快速脫落，大量聚集的冷凝液會擠出結(jié)構(gòu)中空氣，形成Wenzel狀態(tài)，并逐步發(fā)展為“ 淹沒”現(xiàn)象，惡化傳熱效果。因此對于成核密度高的實驗環(huán)境，發(fā)展高效的液滴脫落方式是避免“ 淹沒”的可靠方法。

綜上所述，表面化學(xué)性質(zhì)及粗糙度是影響潤濕性的主要因素，潤濕性會影響冷凝液滴成核，生長以及脫落。通過生成Cassie狀態(tài)液滴，減小接觸角滯后，從而加快液滴脫落是用來調(diào)控冷凝效果最常用的方法。

1.2 影響蒸汽冷凝的外部因素

除了表面潤濕性，表面冷凝傳熱性能還受到不凝性氣體含量，蒸汽壓力，蒸汽流速，表面過冷度等諸多因素影響，因此比較不同表面冷凝傳熱性能時，需要注意不同實驗外部因素的影響。不凝性氣體是影響冷凝傳熱性能的主要外部因素。不凝性氣體會聚集在冷凝表面[9-10]，增大蒸汽擴(kuò)散阻力，大大降低冷凝傳熱性能，但部分研究結(jié)果表明一定量不凝性氣體存在條件下，具有納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面因液滴呈現(xiàn) Cassie 接觸狀態(tài)，能快速脫離表面，使得超疏水表面冷凝效果優(yōu)于普通疏水表面[11-12]，但仍不及其在純蒸汽下冷凝傳熱系數(shù)。冷凝傳熱系數(shù)通常隨著蒸汽壓力的增大而增大，增大壓力會降低冷凝液表面張力，降低氣液界面阻力，從而影響傳熱性能。提高蒸汽流速會減小不凝性氣體對傳熱的阻礙作用[9]，在蒸汽剪切力作用下加快冷凝液流動，從而提高冷凝傳熱性能。表面過冷度是冷凝驅(qū)動力，增大過冷度有利于強(qiáng)化滴狀冷凝。但較高過冷度下，液滴成核速度更快，部分表面滯留大量液滴無法有效脫落，發(fā)生“ 淹沒”，滴狀冷凝會失效轉(zhuǎn)化為膜狀冷凝，形成液膜，從而降低冷凝傳熱性能。

2 組合表面調(diào)控冷凝特性

由上述分析可知，潤濕性是影響冷凝傳熱性能的主要因素。高效的冷凝強(qiáng)化傳熱效果往往需要高成核效率以及保證液滴快速脫除，盡管疏水表面能夠?qū)崿F(xiàn)快速的液滴脫除，但較高的能壘使得液滴成核變得困難，且均一性質(zhì)的表面，液滴成核及運(yùn)動是隨機(jī)無序的，成核更容易發(fā)生在微結(jié)構(gòu)角落或邊緣，生長后會形成粘滯力較大的 Wenzel接觸狀態(tài)，在過冷度較大的情況下會導(dǎo)致液滴不能及時脫離表面，發(fā)生聚集，形成淹沒，惡化傳熱。采用親水-疏水組合表面可以控制冷凝表面的液滴成核及運(yùn)動，有利于強(qiáng)化冷凝傳熱性能。

2.1 組合表面控制成核

通過合理設(shè)計冷凝液滴成核位置可以調(diào)控液滴成核，生長等一系列行為。由于親水區(qū)域更低的表面自由能差 ΔG，在混合表面的親水區(qū)會優(yōu)先發(fā)生液滴核化與生長[13]，如圖2（a）所示?；旌媳砻嬷袨榱丝朔杷砻娉珊诵实偷娜秉c，會適當(dāng)布置親水區(qū)域以增加成核效率，親水區(qū)域位置的選擇，面積的控制均會對整個混合表面冷凝性能產(chǎn)生影響。對于微柱結(jié)構(gòu)，V aranasi 等[13]構(gòu)建了一種親 -疏水微柱陣列，實驗結(jié)果表明，表面全為疏水陣列上液滴的成核生長是隨機(jī)無序的，在微柱間生長的滴液容易變?yōu)?Wenzel 接觸狀態(tài)，增大粘附力難以脫落，而同實驗條件下親疏水組合表面頂部親水區(qū)域優(yōu)先發(fā)生液滴的成核、生長，形成 Cassie接觸形態(tài)液滴，更利于液滴脫離表面。Mishchenko等[14]發(fā)現(xiàn)液滴成核的選擇性與幾何形狀及尺寸有很大關(guān)系，如圖2（b）所示，濕空氣冷凝中，頂部為親水的刀片，蜂巢，磚結(jié)構(gòu)中，液滴成核、生長、合并狀態(tài)均呈現(xiàn)不同特征。Mondal等[15]將親水釘與超疏水表面組合，冷凝過程中液滴優(yōu)先在親水的釘尖成核，長大后在超疏水基底作用下，保持穩(wěn)定 Cassie 接觸狀態(tài)，最后在重力作用下脫落，其冷凝速率是銅板的 4倍。親水區(qū)域還可以控制液滴尺寸，增大液滴彈跳幾率，可以通過設(shè)計特定結(jié)構(gòu)來限制親水成核區(qū)尺寸，He 等[16]通過控制方形微孔底部親水區(qū)域尺寸來控制液滴大小，使其合并后更易發(fā)生彈跳脫離表面。

圖2 組合表面控制成核

2.2 組合表面控制運(yùn)動

組合表面親水區(qū)域除了可以控制成核外，還能控制表面液滴運(yùn)動。通常親水區(qū)充當(dāng)排水通道，在潤濕梯度作用或合并運(yùn)動下帶走冷凝液滴，能夠加快液滴脫落，強(qiáng)化冷凝傳熱。親水區(qū)形狀、尺寸均是影響組合表面冷凝特性的重要因素。

最常見的組合表面形狀是間隔親疏水條紋或溝槽結(jié)構(gòu)，液滴在組合條紋或溝槽表面潤濕性呈現(xiàn)各項異性[17]，液滴在平行于條紋方向接觸角滯后及滾動角更小，平行于條紋的方向更有利于液體運(yùn)動脫離表面[18]，所以大多數(shù)實驗中條紋或溝槽方向均沿著重力方向豎直放置，親水區(qū)域常用作排水通道，在潤濕梯度作用下或合并運(yùn)動中將液滴脫離表面。條紋與溝槽的尺寸是影響冷凝傳熱性能的重要因素，不少研究得出存在最佳尺寸比例可以得到最優(yōu)的冷凝傳熱性能。

Kumagai等[19]最早開展了親疏水組合表面對強(qiáng)化膜狀冷凝傳熱的研究，將疏水區(qū)與親水區(qū)進(jìn)行橫向及縱向間隔排列探究其冷凝傳熱熱流，研究結(jié)果表明該組合表面對冷凝傳熱性能提升較小，且文中缺乏對各區(qū)域尺寸優(yōu)化的深入研究。G hosh等[20]構(gòu)造了親水-超親水間隔排列條紋表面，如圖 3（a）所示，調(diào)整親水條紋寬度可有效控制表面液滴最大直徑，表面最大液滴半徑隨著親水條紋寬度減小而減小。當(dāng)親水區(qū)液滴接觸到超親水邊界，會產(chǎn)生毛細(xì)力，驅(qū)動其向超親水區(qū)運(yùn)動，因此超親水區(qū)可作為加快液滴脫離的排液通道。親水區(qū)域過大會導(dǎo)致最大液滴半徑增大，并且使超疏水區(qū)排液困難，但過小的親水區(qū)又會因降低滴狀冷凝區(qū)域使傳熱系數(shù)降低，因此存在一最佳的條紋尺寸使表面冷凝傳熱系數(shù)達(dá)到最大，但濕空氣冷凝中大量不凝性氣體會掩蓋這點傳熱性能的提升。Y ao等[21,22]進(jìn)一步探究了柱頂親水，其余疏水的方形微柱表面潤濕特性與微柱尺寸間關(guān)系，基于能量最小原則建立了混合表面接觸角計算模型以及判斷 Cassie 與 Wenzel狀態(tài)的臨界接觸角計算公式，親疏水方形微柱尺寸會影響濕空氣冷凝實驗中液滴生長特性，因此通過調(diào)控微柱尺寸可改變該結(jié)構(gòu)冷凝特性。M ahapatra等[23]構(gòu)建了楔形親疏水組合表面，如圖 3（b）所示，并對親疏水區(qū)域尺寸進(jìn)行優(yōu)化，在相對濕度為 80%，溫度為 20 ℃的濕空氣環(huán)境下，29.9%的超疏水面積對強(qiáng)化冷凝傳熱效果最好，相比同環(huán)境下的超疏水表面，傳熱強(qiáng)化95.1%。C hatterjee等[24,25]在銅表面構(gòu)建了具有親疏水混合表面的群島結(jié)構(gòu)和分形樹狀結(jié)構(gòu)，如圖 3（c）所示，實驗發(fā)現(xiàn)較小的圓形親水區(qū)域更有助于液滴合并與脫落，冷凝傳熱系數(shù)高于純疏水表面。分形樹狀結(jié)構(gòu)靠近親水區(qū)邊緣的冷凝液會被吸入親水區(qū)，傳熱系數(shù)高達(dá)22600 W/m2K，但不及同實驗條件下群島結(jié)構(gòu)換熱系數(shù)。Yang等[26]構(gòu)建了具有 V形通道的親-疏水混合表面，在濕空氣冷凝實驗中，親疏水混合表面有效降低了液滴脫落直徑，V 型通道作為排液通道，促進(jìn)液滴合并與排除，提高液滴刷新速度，混合表面換熱系數(shù)比疏水表面高出3-9%。Peng等[27]研究了親疏水間隔條紋表面上蒸汽冷凝傳熱特性并深入探究了條紋尺寸結(jié)構(gòu)對冷凝效果的影響，如圖3（d）所示。在純蒸汽冷凝實驗中，冷凝換熱系數(shù)隨疏水區(qū)寬度的增加先增加后減小，存在最佳疏水區(qū)寬度，在 2K 過冷度下，其熱流比疏水表面高出 23%。Xie 等[28]建立了條紋狀親疏水表面混合冷凝傳熱模型，繪制了傳熱強(qiáng)化與傳熱惡化分區(qū)圖，可指導(dǎo)異質(zhì)功能表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

圖3 多種組合表面

相比平面結(jié)構(gòu)，溝槽結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)冷凝液體拖曳現(xiàn)象，從而加快液體排除表面，也是強(qiáng)化膜狀冷凝的重要方法之一[29-31]。在親疏水相間溝槽的研究方面，Ji等[32]通過在疏水不銹鋼表面布置超親水溝槽網(wǎng)絡(luò)用于強(qiáng)化冷凝傳熱。該工作利用超親水溝槽代替了傳統(tǒng)親疏水異質(zhì)表面中的親水條紋，強(qiáng)化了親水區(qū)液膜輸運(yùn)性能。研究表明，利用超親水溝槽的毛細(xì)抽吸作用可以及時將疏水區(qū)域冷凝液滴抽吸送走，如圖4（a）所示，加快表面冷凝液滴脫離，減小液滴脫離直徑，進(jìn)而提高滴狀冷凝傳熱性能，該表面?zhèn)鳠崮芰ψ罡呖蛇_(dá)無溝槽疏水表面滴狀冷凝傳熱性能的3.4倍。Lo等[33]構(gòu)建了槽底親水-脊部超疏水的溝槽結(jié)構(gòu)，在中高過冷度下，如圖4（b）所示，疏水脊部的液滴除了能夠自發(fā)移動到親水槽內(nèi)，表面形成的液塊也可以通過溝槽排除，使得混合表面液滴脫離頻率增大，在純蒸汽實驗中傳熱系數(shù)高于平面親水及平面疏水表面，過冷度 18K 下，最高熱流約是平面疏水表面的3倍。

圖4 組合表面控制運(yùn)動

3 總結(jié)及展望

由上述內(nèi)容可知，表面潤濕性是影響冷凝液滴運(yùn)動特性及傳熱性能的重要因素，通過設(shè)計組合潤濕性表面能夠控制液滴成核，成長，合并，脫落等一系列過程，實現(xiàn)高效的成核與脫落，從而強(qiáng)化冷凝傳熱性能。

影響冷凝換熱性能的除了表面特征外，不同蒸汽流速帶來的剪切力，蒸汽溫度壓力，不凝性氣體含量，實驗裝置測試誤差等均會對冷凝換熱系數(shù)產(chǎn)生影響，因此很難將不同研究者通過不同實驗裝置測得的冷凝換熱系數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ取?/p>

目前已發(fā)展出很多表面制備方法，但實際應(yīng)用中復(fù)雜的環(huán)境對表面耐久性是個挑戰(zhàn)，液滴的持續(xù)剪切力，高溫蒸汽沖刷，污垢污染等都是削弱表面性能的重要因素。其次，部分表面加工方法復(fù)雜，費(fèi)用高，僅停留在實驗研究階段，不利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，并且實際應(yīng)用環(huán)境往往存在空氣之類的不凝性氣體，傳熱系數(shù)不能達(dá)到實驗值。此外，在高過冷度條件下，冷凝液滴覆蓋表面，疏水表面滴狀冷凝會因表面發(fā)生“淹沒”變?yōu)槟罾淠杷?，惡化傳熱效果，所以高過冷度下如何設(shè)計相應(yīng)結(jié)構(gòu)控制成核，加速排液還有待進(jìn)一步研究。因此，制備高性能的工業(yè)應(yīng)用表面，提升非均勻表面在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性與可靠性，還有很大研究空間。