蒸汽冷凝傳熱強化：新型高效的滴-膜混合冷凝

【背景介紹】

作為高效的相變傳熱形式，蒸汽冷凝被廣泛地應用于石油化工、熱電廠、水淡化與回收、電子器件熱管理等工業系統中。開發高效的冷凝傳熱強化技術對于解決高熱流散熱和降低能源消耗具有極其重要的意義。與水蒸汽在親水表面的膜狀冷凝模式相比（圖1A），疏水表面上的滴狀冷凝可以促進冷凝液的快速移除，從而顯著地提高傳熱效率（圖1B）。而具有微納米結構的超疏水表面表現出的“荷葉效應”可以進一步改善液滴的移除。更為有趣的是，超疏水表面上小液滴之間的合并會誘發液滴自發彈離表面，為蒸汽冷凝傳熱強化提供了新思路。然而，在實際的蒸汽冷凝應用環境中，目前大多數超疏水表面上的“荷葉效應”會失效，導致冷凝液滴“釘在”微納結構里而難以被移除，引起傳熱性能的急劇惡化。

【成果簡介】

最近幾年，美國科羅拉多大學博爾德分校楊榮貴教授課題組和李永正教授與大連理工大學馬學虎教授課題組通力合作，在超疏水表面強化蒸汽冷凝傳熱領域做出了一系列的工作：揭示了表面結構與冷凝條件共同作用引起的超疏水失效機制（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 13770-13777）；提出了利用緊密排列的銅納米線來控制液滴初始成核和生長脫落，顯著地提高了蒸汽冷凝傳熱性能（Nano Energy, 2017, 33: 177-183; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9: 44911-44921）；構建了三維銅納米線表面，實現了高效且穩定的液滴彈跳冷凝傳熱（Joule, 2018, 2: 269-279）。?

圖1. 具有微納米復合結構的超疏水銅網表面實現新型高效的滴膜混合冷凝傳熱。

近期，楊榮貴教授（共同通訊作者）課題組、李永正教授、馬學虎教授和華中科技大學劉偉教授（共同通訊作者）以及北京交通大學楊立新教授進一步合作，設計并制備了微納米復合結構超疏水銅網表面，實現了高效的滴-膜混合冷凝模式，可以持續穩定地強化蒸汽冷凝傳熱（圖1C）。這項最新的研究成果以“Sustaining enhanced condensation on hierarchical mesh-covered surfaces”為題發表于《國家科學評論》（National Science Review?2018; doi: 10.1093/nsr/nwy098. https://doi.org/10.1093/nsr/nwy098）。

與已有的微納米結構表面和蒸汽冷凝模式相比，這項研究具有以下亮點：

1）通過簡單工藝制備了具有復合結構的超疏水銅網表面，具有顯著的低成本優勢和大規模生產的潛力；

2）提出了一種新型的滴-膜混合冷凝模式，通過液膜與液滴的抽吸效應同時促進液滴的生長和移除；

3）實現了高效穩定的蒸汽冷凝傳熱，大大地超出了現有的膜狀和滴狀冷凝的傳熱性能。

該研究成果一方面提出了一種新型的在高濕度環境下的液滴快速移除模式，拓寬了超疏水表面在自清潔、抗腐蝕、抗菌、減阻和油水分離等界面控制領域的應用；另一方面實現了表面的低成本和高傳熱性能，有助于將超疏水表面的應用拓展到更廣闊的相變傳熱領域，比如水淡化與回收、防霧與防冰、空調與環境濕度控制以及電子器件的熱管理等（圖2）。

圖2. 新型復合銅網表面有助于將超疏水表面的應用領域拓展到更廣闊的相變傳熱相關領域。

本文由材料人編輯部編譯。

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