相变冷凝传热多尺度研究

作     者：周冬冬 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：纪献兵;谢学旺

授予年度：2018年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：超亲水 疏水 组合表面 润湿性 冷凝传热 

摘      要：相变冷凝传热广泛存在于电站、空调、电子散热等工业领域中,其传热的强化有利于这些领域设备的安全运行。而且,相变冷凝良好的传热性能节约了设备占用空间,减小了投资成本,对环境保护和能源高效利用具有重要意义。众所周知,相变冷凝传热与冷凝表面材料有重要联系。从学术上看,相变传热与材料学科的交叉,是未来的发展趋势。特别是,相变传热与仿生功能化多尺度表面的关联,在国际上是新的学科增长点,具有一定的引领作用。动植物界大量存在的不同尺度的微纳米结构,其所发生的主要过程是不同的。由于动植物不需像“相变传热装置那样传递高热流密度,目前相变传热与仿生学的交叉研究还很少。然而,自然界丰富的多尺度界面现象（非受热条件）,可启发我们产生灵感,解决相变传热中两相动力学过程依赖单一尺度带来的冲突。因此,本文基于自然界仿生多尺度结构设想,构造了不同规格的超亲水-疏水组合表面,组合表面上超亲水网格线之间间距分别为1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm。同时,制备了超亲水表面和疏水表面,对超亲水表面的液滴铺展特性和疏水表面的耐高温特性进行了测试,对疏水表面滴状冷凝液滴的生长合并脱落过程进行了分析,并将组合表面的传热性能与光滑表面和疏水表面进行了对比,使用高速摄影仪对疏水表面和组合表面的蒸汽冷凝过程进行了可视化。研究发现,液滴从接触超亲水表面到完全铺展开来仅历时短暂的10.5 ms,超亲水表面具有良好的的液滴铺展特性。疏水表面在常压4小时沸水恶劣环境下仍能保持疏水特性,具备良好的物理和化学特性,可以满足高温条件下的蒸汽冷凝传热。由于超亲水-疏水组合表面可以较好地调控冷凝液滴大小和较快的更新冷凝表面,其冷凝传热性能要优于光滑表面和疏水表面。在⊿T4.3 K时,2.5 mm间距组合表面的传热系数分别是光滑表面和疏水表面的2.2倍和1.6倍。同时,研究还发现,超亲水-疏水组合表面中较小网格间距的组合表面可以实现较小的液滴半径,但不是网格间距越小越好,随着组合表面网格间距的减小,组合表面上的疏水部分会有暂时的连续液膜产生,连续液膜的存在不利于强化传热。在三个超亲水网格线间距的组合表面中,网格间距为2.5 mm的组合表面传热性能最佳。在⊿T=9.0 K时,2.5 mm间距组合表面的传热系数分别是1.5 mm间距组合表面和3.5 mm间距组合表面传热系数的1.2倍和1.8倍。