摘要
蒸汽冷凝广泛应用于工业生产和生活中，通常情况下，超疏水表面具有较高的冷凝传热系数，但也有研究指出，纯蒸汽环境下，如热管或高效工业冷凝器中，部分超疏水表面会出液滴“钉扎”现象，液滴脱落难度较大，对冷凝传热产生不利影响。于是，为了提高纯蒸汽环境下超疏水表面液滴脱离频率，基于协同排液思想，设计并制作了双层组合表面，实现了冷凝表面的集液和排液功能，强化了冷凝传热性能，对提高工业生产的经济性和安全性具有重要意义。 首先，利用粉末烧结和化学氧化技术制备了具有超亲水特性的锥形乳突阵列表面，并将乳突尖峰与超疏水表面直接接触，实现冷凝表面液滴的排出，提高冷凝表面更新频率。蒸汽冷凝传热实验结果表明，超亲水乳突表面具有良好的排液能力，提高了超疏水表面上“钉扎”液滴和光滑铜表面上铺展液膜的脱离速度，降低了冷凝热阻，强化了冷凝传热性能。实验结果显示，增加超亲水乳突表面后，冷凝传热系数最高为光滑铜表面的2.12倍。 其次，在超疏水表面的基础上进一步制备了亲-疏水条纹表面。冷凝过程中，蒸汽在疏水区凝结为液滴并不断长大，当液滴与亲水区接触时，亲-疏水条纹表面的润湿性梯度会驱动液滴向亲水区移动，实现液滴的转移和收集;令亲水条纹与乳突尖峰直接接触，使收集的冷凝液通过乳突排出，强化了亲-疏水条纹表面的集液能力和乳突的排液能力。对乳突-条纹双层组合表面进行冷凝传热实验，结果表明，亲-疏水条纹表面和超亲水乳突表面的具有良好的协同排液能力，进一步增强了冷凝传热性能，冷凝传热系数最高为光滑铜表面的3.33倍。 最后，从沸腾传热领域受到启发，利用热扩散技术将铜网粘结在冷凝表面上，并进行超疏水改性，制备了铜网覆盖表面。研究发现，铜网覆盖表面上的液滴存在一种特殊行为:液滴在Laplace力作用下渗入铜网，使整个表面的小液滴汇聚成一个大液滴。因此冷凝表面的集液范围由亲水区附近扩展到整个冷凝表面，进一步增强了乳突的排液能力。对乳突-铜网双层组合表面进行冷凝传热实验，结果表明，铜网覆盖表面和超亲水乳突表面具有更好的协同排液能力，极大地增强了冷凝传热性能，冷凝传热系数最高为光滑铜表面的3.64倍。 综上所述，本文提出的双层组合表面实现了协同排液过程，冷凝表面的集液和超亲水乳突表面的排液设计，最大可使冷凝传热系数提高264％，为强化冷凝传热性能提供了新的方法和思路。
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