一种混合蒸气冷凝传热强化表面、制备方法及其应用技术

本发明专利技术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。

Mixed steam condensation heat transfer enhancement surface, preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of enhanced heat transfer and energy saving technology, in particular to a V groove super hydrophobic surface and its application in condensation heat transfer enhancement of mixed steam. The condensation surface is a two stage structure, consisting of sub millimeter V groove structure and nano rough structure. In the process of condensation, based on the accumulation of the non condensable gas in the submillimeter V groove, the condensate at the top of the V groove is the Wenzel wetting mode, which can realize the rapid condensation of the droplet, and the condensate at the bottom of the V groove is a Cassie wetting mode and grows slowly. As Wenzel droplets grow, the droplets move to the V trough under the action of Laplace pressure, and the contact area of solid and liquid decreases, that is, the adhesion between the droplets and the surface is reduced. When the diameter of the droplet is equal to the width of the V slot, it will fall off in the form of the scour, and the condensation wall is updated, and the disturbance of the non condensable gas reservoir can be realized, thus strengthening the condensation heat transfer of the mixed vapor.

【技术实现步骤摘要】
一种混合蒸气冷凝传热强化表面、制备方法及其应用
本专利技术属于强化传热与节能
，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。
技术介绍
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.MILJKOVICN,ENRIGHTR,NAMY,etal.Jumping-droplet-enhancedcondensationonscalablesuperhydrophobicnanostructuredsurfaces[J].Nanoletters,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.HOUY,YUM,CHENX,etal.RecurrentFilmwiseandDropwiseCondensationonaBeetleMimeticSurface[J].ACSNANO,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.XUW,LANZ,PENGB,etal.DirectionalMovementofDropletsinGrooves:SuspendedorImmersed[J].ScientificReports,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合蒸气冷凝传热强化表面，其特征在于：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； 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。

【技术特征摘要】
1.一种混合蒸气冷凝传热强化表面，其特征在于：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；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。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，其特征在于：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；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。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的制备方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马学虎，程雅琦，兰忠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21