表面微观结构影响膜状冷凝的实验研讨.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083377 表面微观结构影响膜状冷凝的实验研究 马学虎 王四芳 兰忠 汪明哲 （大连理工大学化工研究所，大连 116012 ） (Tel: 0411 Email: xuehuma@dlut.edu.cn) 摘要：研究了通过氧化刻蚀处理得到具有纳米微观结构的铜基表面与光滑铜基表面的润湿性，并实验 研究两种表面上的水蒸气冷凝传热特性。空气中，水在具有纳米微观结构的铜基表面上的表观接触角 为 30.3 °，并且纳米结构使蒸气环境中的表面更亲水。传热实验中，发现纳米微观结构导致的铜基表 面亲水特性，降低了膜状冷凝传热性能。研究表明了膜状冷凝区域，液固自由能差和接触角滞后等界 面效应仍旧影响传热性能，表面纳米微观结构抑制了膜状冷凝传热性能。 关键词：膜状冷凝，纳米微观结构，表面自由能差 0 前言 蒸气冷凝传热过程在化工、制冷、发电、动力、航天热控等领域具有广泛应用背景。 该过程换热性能的强化对节约能源、原材料以及操作费用具有重要的意义。蒸气的冷凝 方式根据冷凝液与冷凝表面的润湿程度可分为膜状冷凝和滴状冷凝。 膜状冷凝是工业应用中最为常见的情况，它受重力、汽液相界面效应等多种因素的 影响，是一个很复杂的过程。许多研究者在膜状冷凝传热强化方面做了大量的实验与理 论研究工作。由于膜状冷凝传热阻力集中在冷凝液膜内，原则上可采用增大传热面积或 利用表面张力作用减薄冷凝液膜以实现强化传热，多数是通过改变冷凝表面的几何形状 来实现的。林纪方等[1]就光滑、沟槽、多孔以及带吸液芯沟槽表面进行了一系列的实验， 结果表明沟槽表面对减薄冷凝液膜有显著的效果。马学虎[2]等从固液界面接触角入手对 膜状冷凝传热强化进行了初步分析，并以水蒸气在直径为 28mm 的竖直圆形表面冷凝进 行模拟计算，表面过冷度为 5～30K，接触角为 1°～50°，研究发现传热系数随着接触 角的增大而增大。 滴状冷凝是利用冷凝的界面效应来强化冷凝传热的最理想方式，其传热系数是膜状 冷凝的数倍至数十倍。马学虎[3]把 0 和 33.3mJ•m-2 分别作为第 1 临界值和第 2 临界值。 当固液表面自由能差小于第 1 临界值时，冷凝形态为传统的膜状冷凝。当大于第2 临界 值时，冷凝形态为完美的滴状冷凝，其传热性能远远优于膜状冷凝。因此，固体表面的 低表面能性质与疏水性在滴状冷凝过程中发挥着重要的作用。人们往往认为表面疏水性 越强，蒸气冷凝时越容易形成滴状冷凝。钱[4]指出固体表面的润湿性取决于它的化学组 资助项目：国家自然科学基金 (No ；大连理工大学青年教师基金(兰忠) 成(或表面自由能)和几何微细结构(或表面粗糙度) 。在平表面上，通过降低表面自由能最 多只能够将接触角提高至大约 119°，因此，人工制备超疏水表面的关键就在于构建合 适的表面微细结构，如针状结构、具有双(多)重粗糙度的阶层结构等。 本课题组实验发现具有表面纳米微观结构的十八烷基硫醇自组装膜表面在空气中 表现了很好的超疏水性能，但该表面的传热性能却低于普通的十八烷基硫醇自组装膜表 面。本文在此基础上考察了表面纳米微观结构对膜状冷凝的影响，进一步考察表面纳米 微观结构对冷凝传热的影响特征。本文考察了光滑铜基表面（记为 Cu-1 ）与通过氧化刻 蚀处理得到具有纳米微观结构的铜基表面（记为 Cu-2 ）的润湿性；并实验研究了两种表 面上水蒸气的冷凝传热特性，结果表明 Cu-2 表面形成膜状冷凝，且液膜厚度较 Cu-1 更 大，表现出的传热性能更差。 1 实验部分 本实验中通过双氧水氧化刻蚀制备了具有纳米微观结构的铜基表面，并通过竖直壁 面蒸汽冷凝实验考察了该表面与光滑铜表面的传热性能。 1.1 铜基表面的制备 Cu-1 表面采用 2000＃砂纸沿同一方向细细打磨铜块表面，依次用无水乙醇和去离子 水清洗干净，自然晾干。 Cu-2 表面制备过程如下：用 2000＃砂纸沿同一方向细细打磨铜块表面，依次用无水 乙醇和去离子水清洗干净；将铜块表面完全浸入 30 ％的过氧化氢溶液中，在室温常压下 密封浸泡 3.5h；3