微米級余弦槽表面疏水性及冷凝傳熱實驗研究

齊寶金,李翔

(1.西安交通大學化學工程與技術學院,710049,西安; 2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

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微米級余弦槽表面疏水性及冷凝傳熱實驗研究

齊寶金1,2,李翔1

(1.西安交通大學化學工程與技術學院,710049,西安; 2.西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)

為了研究余弦微槽結構的疏水性和冷凝傳熱性能,首先制備了不同槽峰高度和槽距的微米級余弦槽結構表面,實驗研究了不同結構微槽表面的靜態接觸角及其對滴狀冷凝傳熱性能的影響,并對冷凝傳熱過程中液滴在微槽表面合并、脫落過程進行實驗研究和熱力學分析。結果表明,液滴在微槽表面的疏水性和傳熱性能都呈現明顯的各向異性,橫向靜態接觸角θ⊥明顯高于縱向接觸角θ∥。同時,冷凝傳熱過程中豎直縱槽阻礙液滴的橫向合并,但其對液滴脫落過程起到極大促進作用,傳熱性能較光滑表面提高30%～50%,且峰距比越大液滴的脫落半徑越小、脫落頻率越高,表面傳熱效率也越高。水平橫槽則相反,雖然增大峰距比促進了液滴合并,但卻對其脫落過程產生不利影響,導致整體傳熱性能較縱向槽表面大幅下降,與光滑表面接近。引入表面潤濕率對微槽表面的液滴脫落半徑進行熱力學計算,計算值與實驗結果吻合較好,誤差在20%以內。

滴狀冷凝;微槽;傳熱強化;疏水性

冷凝過程廣泛存在于能源、化工、電力及海水淡化等工業領域。研究表明,蒸汽與低于其飽和溫度的疏水表面接觸會形成高效的滴狀冷凝。通過對滴狀冷凝傳熱過程的對比分析可以發現,冷凝液滴的脫落直徑及其脫離時對其下方小液滴的掃落過程顯著影響了冷凝表面的傳熱性能。Tanasawa等通過實驗研究發現,滴狀冷凝傳熱系數隨液滴尺寸增大而降低并與液滴尺度成一定比例關系[1],該結論得到Rose、Ma及Lee等研究的證實[2-5]。Izumi及Yamali等分別通過實驗研究和理論分析證實了液滴脫離頻率是滴狀冷凝傳熱過程中必須考慮的重要影響因素[6-7]。

Watanabe等在1999年最早提出,在超疏水表面構造滿足特定幾何結構的微米級槽能夠顯著降低液滴的滑移阻力,進而影響液滴在其表面的黏附性能[8]。Sommers等研究了液滴在30 μm寬幾十微米深的矩形微槽表面的潤濕性,實驗結果表明脫落液滴的體積較光滑表面下降50%以上[9]。Zhong等對深度為20～180 μm、間距為20～40 μm的矩形微槽表面潤濕性進行實驗觀察和數值分析,指出幾何尺寸對液滴滑落影響顯著,且液滴在微槽表面的滑移存在明顯的各向異性[10]。Ma等研究液滴在矩形微槽表面滑移過程的各向異性,實驗結果表明液滴沿微槽方向和垂直微槽方向的接觸角存在15.7°～47.4°的差別,且受微槽的幾何結構影響[11]。Li系統研究了液滴在不同槽距V型槽表面的滑移脫落過程,理論和實驗研究結果表明槽越深、槽齒越尖,接觸角越大,且增大槽距有利于液滴滑移,同時液滴滑移存在各向異性,縱向接觸角明顯高于沿槽方向的接觸角[12]。Kannan等實驗對比U型表面不同槽向對液滴靜態接觸角的影響,指出垂直槽向的接觸角優于沿槽向的接觸角,兩者都比液滴在平面的接觸角有大幅提高[13]。Izumi及Lara等實驗研究了不同尺度的半圓形槽對滴狀冷凝傳熱過程的影響,指出半圓槽對冷凝傳熱過程強化作用顯著[6,14]。

上述理論及實驗研究主要集中于結構不連續的微槽結構(如矩形槽、V型槽、U形槽及半圓形槽)。然而,Park和Promraksa等通過數值分析發現,結構連續的微槽結構(如波紋槽、余弦槽等)更有利于液滴的合并、脫落,能夠大幅提高冷凝傳熱效率,但并未給出實驗驗證[15-16]。基于此,本文針對不同幾何參數的微米級余弦槽表面的潤濕性,以及冷凝傳熱過程中微槽對液滴脫落直徑和生長周期的影響進行實驗研究和熱力學分析,并通過實驗對比分析了不同微槽結構對滴狀冷凝傳熱的影響。

1 實驗裝置及試樣制備

1.1 實驗裝置

1:電加熱鍋爐;2、4、6、10:微調閥;3:過熱器;5:隔膜泵;7:三通;8:流量計;9、15:水箱;11:冷凝腔體;12:LED光源;13:疏水閥;14:計量瓶;16:數據采集儀;17:高速攝像機圖1 實驗系統圖

實現系統如圖1所示,實驗所需蒸汽由電加熱鍋爐產生,在蒸汽進入冷凝腔之前,先流經過熱器來獲得干飽和蒸汽。冷凝腔內蒸汽進口處安裝有導流板,以達到均布蒸汽和減緩蒸汽對冷凝面橫向剪切的目的。蒸汽在冷凝表面凝結成的水經設置在試樣底部的集液漏斗收集后,導入計量瓶內計量并儲存。冷凝腔內蒸汽的溫度和流量通過電加熱鍋爐和輔助加熱器來調節和控制,并由腔內熱電阻進行測量和反饋。在冷卻腔內,冷卻水由隔膜泵加壓后,通過霧化噴嘴噴射到試樣背面進行冷卻。試樣表面的過冷度通過調節噴霧量進行控制。冷卻水流量、進出口溫度、壓力等參數通過轉子流量計、熱電阻和壓力變送器分別進行控制和測量。實驗系統溫度的測量誤差為±0.1 ℃,流量測量誤差為±1%,壓力測量誤差為±0.1%。整個實驗裝置的蒸汽管路以及冷凝腔體都采用保溫棉進行保溫處理,以減少實驗過程中系統的熱量損失。

1.2 試樣制備

實驗制備的試樣外形結構為邊長80 mm的正方形,分A、B兩面,A面中間為邊長50 mm、厚度3 mm的正方形突臺,如圖2所示。凸臺側在實驗過程中直接與蒸汽接觸,定義為冷凝側。凸臺四周為厚1 mm、寬15 mm開12個Φ8 mm孔的回形薄板,起固定試樣作用,且實驗過程中由絕熱材料覆蓋。試樣B面在實驗過程中與冷卻水接觸,定義為冷卻側。在凸臺側面距冷凝表面1.5 mm處分別打Φ1 mm×25 mm和Φ1 mm×15 mm的孔并布置熱電偶(T型鎧裝)來測量溫度,取兩測點溫度的平均值作為實驗測量值,測量誤差為±0.1%,測點布置位置如圖2所示。

圖2 試樣外形結構及溫度測點布置

試樣的材質為工業純鈦TA2(寶鈦集團提供),通過干式光刻腐蝕在試樣表面加工不同幾何結構的μm級余弦槽,各試樣的槽峰高度H、槽距P、峰距比H·P-1等數據列于表1中。試樣表面微槽結構SEM照片如圖3所示。

表1 試樣表面微結構尺寸

圖3 試樣表面微槽結構SEM照片

采用自組裝膜技術在各試樣表面沉積一層疏水膜:①將試樣浸沒在25 ℃的體積分數為5%的HF溶液內刻蝕5 min,然后用去離子水清洗;②將試樣浸沒在體積分數為30%的H2O2溶液中氧化10 h以形成一層氧化膜,溶液溫度保持在25 ℃,并通過攪拌器進行攪拌以保證溶液溫度和濃度的均勻性,試樣氧化后用去離子水清洗;③將氧化好的試樣浸沒于2.5 mmol/L的十八硫醇乙醇溶液中20 h,然后用無水乙醇清洗晾干。步驟①、②是為了增加自組裝膜與基底的吸附強度,提高自組裝膜的壽命。試樣制備過程中,光滑表面也采取相同處理工藝,以保證其表面的粗糙度及化學組分等參數與微槽試樣表面一致。

1.3 數據處理

由傳熱學理論,通過試樣冷凝面的熱通量q可表示為總傳熱量與冷凝面積之比

(1)

式中:Q1由收集冷凝液的質量求得;Q2則根據冷卻水所獲得熱量求解。實驗測量的Q1與Q2值的偏差在5%范圍內。

采用Fourier一維導熱公式,可根據測點溫度Ti計算出冷凝面的壁面溫度

(2)

式中:λ為試樣的導熱系數;Δl為熱電偶測溫點至冷凝壁面的距離。

2 實驗結果與討論

2.1 試樣表面疏水性研究

圖4列出了液滴在試樣1#表面及光滑表面的潤濕形貌,液滴體積為0.12 μL。從圖4a可以明顯觀察到,試樣1#表面的液滴呈Cassie接觸模式,并未完全潤濕槽谷。與光滑表面相比可知,液滴橫向接觸角(垂直余弦槽向的接觸角)θ⊥明顯大于光滑表面接觸角θ,但其縱向接觸角(沿余弦槽向的接觸角)θ∥則與其在光滑表面的接觸角θ接近(但θ∥略大于θ),即液滴在微槽表面呈現明顯的各向異性。這主要是由于液滴在微槽結構表面沿不同方向的潤濕過程中需要克服的能壘不同。如果液滴沿余弦槽縱向潤濕只需要克服表面張力作用,這與液滴在平板表面潤濕過程類似。然而,液滴在垂直于槽的橫向潤濕過程中,不僅需克服表面張力,而且在液滴邊緣越過槽峰的過程中其勢能會逐漸升高,因此液滴向該方向潤濕更加困難。

(a)橫向 (b)縱向 (c)光滑表面θ⊥=127.6° θ∥=102.8° θ=106.2°圖4 液滴在試樣1#和光滑表面的接觸角

液滴在不同微槽結構表面的接觸角和潤濕深度列于表2。由于表面張力和重力的協同作用,液滴在微槽表面的潤濕深度隨著槽峰高度的增加幾乎保持不變,均呈Cassie潤濕狀態。對比液滴在不同幾何結構的微槽表面的潤濕性數據可知,液滴的兩向接觸角(θ⊥和θ∥)隨著槽峰高度的增大略有增加,但卻隨著槽距的增大呈減小趨勢。這主要是由于槽距增大時,微槽輪廓線曲率降低,液滴潤濕需要克服的能壘降低,潤濕更加容易,進而導致靜態接觸角下降。若槽距繼續增大,微槽表面的潤濕性將逐步趨于光滑表面。通過對比可知,H和P的變化對橫向接觸角θ⊥影響較為顯著,但對縱向接觸角θ∥的作用十分有限。總之,在槽距保持不變的前提下,增加槽峰高度有利于提高液滴表觀接觸角,但槽距增大對微槽表面的疏水性不利。

表2 試樣表面接觸角和潤濕深度

2.2 液滴冷凝形貌

蒸汽在試樣表面的冷凝形貌如圖5所示,實驗過程保持恒定的過冷度ΔT=8.5 K±1.0 K。實驗過程中,蒸汽在不同試樣表面都維持穩定滴狀冷凝,但微槽幾何結構和槽的安裝方向都對冷凝液滴的合并、脫落、滑移速率有顯著的影響。對于縱向槽表面,由于縱槽的引導使液滴呈長軸沿縱向的橢球形,且液滴難以橫向合并,導致液滴長大速度明顯低于光滑表面,這對傳熱過程不利,但縱槽的引導使液滴的脫落半徑較光滑表面減小,液滴滑移速率較光滑表面更快,該過程有利于冷凝傳熱。同時,在槽距恒定的前提下,隨著槽峰高度的增加液滴滑移速度增大、脫落半徑和冷凝周期減小,但在槽峰高度不變時,增大槽距則導致液滴的滑移速度略有下降、脫落半徑和冷凝周期也呈增大趨勢。與縱向槽表面不同,橫向槽的槽峰阻礙液滴從冷凝面脫離,導致液滴滑移速度顯著降低且液滴脫落半徑較縱槽和光滑表面明顯增大,但槽峰高度和槽距對液滴脫落半徑和冷凝周期影響很小。此外,實驗中可觀察到液滴明顯的橫向合并運動,且液滴脫落時的滑移路徑成Z字形。

液滴的滑移速度隨著槽峰高度的增大而減緩,液滴脫落半徑和冷凝周期則呈增大趨勢。實驗過程中蒸汽在各試樣表面的冷凝周期都隨著過冷度的增大而減小,兩者呈冪函數關系,如圖6所示。通過上述實驗現象的對比可以推斷出,微槽結構及布置方式對近壁區的熱量傳遞和動量交換過程影響顯著,蒸汽在微槽表面的冷凝過程呈現明顯的各向異性。

(a)橫向 (b)縱向 (c)光滑表面θ⊥=127.6° θ∥=102.8° θ=106.2°圖5 微槽表面冷凝形貌

圖6 液滴在不同試樣表面的冷凝周期

3 液滴脫落過程熱力學分析

當液滴尺寸達到mm級,則液滴在重力作用下會產生接觸角滯后現象。若接觸角滯后現象輕微,可將液滴形狀等效為球冠形液滴,前進角、后退角和接觸角的關系可表示為

(3)

(4)

從熱力學角度,液滴從壁面脫落必須在外力作用下克服黏附功才能實現,為便于計算,可將液滴近似為等體積的球冠受力,如圖7所示。

圖7 液滴受力分析

液滴與壁面的接觸面積為

(5)

式中:η為表面潤濕率,與冷凝表面結構相關。對于光滑表面,η=1,對于微槽表面

(6)

式中:α為槽峰浸潤初始點;Δα為單槽峰浸潤寬度。顯然,微槽表面η<1。

液滴在冷凝表面的黏附功為

(7)

由上述兩式可得液滴脫落所需克服的總功為

(8)

將式(3)、(4)代入式(8),可得

(9)

液滴對壁面的重力矩為

(10)

當液滴對壁面的重力矩與液滴脫落所需克服的黏附功相等時,求得平衡時球冠半徑即液滴脫落半徑為

(11)

從式(11)可以發現,液滴的脫落半徑rmax與表面潤濕率η及平均接觸角等參數相關,而兩者在本研究中都受冷凝表面微槽結構的影響。當冷凝試樣豎直放置時,假設液滴在不同結構和方向的微槽表面的潤濕深度相同,且靜態接觸角等于平均接觸角,則H值越大液滴與冷凝表面的固液接觸面積越小,η值也相應減小,反之,P值越大液滴與冷凝表面的固液接觸面積越大,η值也相應增大。圖8給出了峰距比H/P與液滴脫落半徑關系的實驗值及理論計算值的對比。由圖可以看出,理論計算值與實驗結果都表明液滴脫落半徑隨峰距比的增大而減小,且相同峰距比情況下,大尺寸對脫落有利。

此外,從圖8中可以明顯看出,橫槽表面液滴的脫落半徑的計算值也明顯大于縱槽表面,這與2.2節實驗結果一致。對于縱槽表面,液滴的表面潤濕率較光滑表面降低,使液滴底部的黏附功降低,同時接觸角增大使液滴重心外移,對壁面的重力矩增大。上述兩因素協同作用使得液滴的脫落半徑大幅降低,而對于橫槽表面,液滴在冷凝表面黏附功低于光滑表面,但液滴脫落過程中跨越橫槽需要克服一定的勢壘,這又阻礙了液滴的脫落,最終導致液滴在橫槽表面的脫落半徑比光滑表面略高。脫落半徑計算值和實驗結果吻合較好,誤差不超過20%。

圖8 液滴脫落半徑與H/P的關系

圖9 熱通量隨過冷度變化的曲線

4 冷凝傳熱分析

不同試樣表面的熱通量隨過冷度的變化規律如圖9所示。由圖可知,隨著過冷度的增加,各試樣表面的熱通量也逐漸增大。相同過冷度條件下,豎直布置的微槽表面熱通量明顯高于水平布置微槽表面和光滑表面,而橫槽表面的熱通量與光滑表面相當。隨著槽峰高度增大,豎直布置微槽表面傳熱性能有所提高,但高的槽峰對橫向布置的微槽道表面傳熱會產生不利影響,熱通量呈降低趨勢。這表明微槽表面的傳熱過程也呈現明顯的各向異性,實驗結果與上述冷凝傳熱形貌分析相互印證。

5 結 論

制備了不同槽峰高度和槽距的μm級余弦槽結構表面,實驗研究了不同結構微槽表面的疏水性及其對滴狀冷凝傳熱性能的影響,并對冷凝傳熱過程中液滴在微槽表面合并、脫落過程進行實驗研究和熱力學分析。結果表明,液滴在微槽表面的疏水性和傳熱性能都呈現明顯的各向異性,橫向的靜態接觸角θ⊥明顯高于縱向接觸角θ∥。同時,冷凝傳熱過程中豎直縱槽阻礙液滴的橫向合并,但對液滴脫落過程起到了極大促進作用,傳熱性能較光滑表面提高30%～50%,且峰距比越大液滴的脫落半徑越小,脫落頻率越高,表面傳熱效率也越高。水平橫槽則相反,雖然增大峰距比促進了液滴合并,但卻對脫落過程產生不利影響,導致整體傳熱性能較縱向槽表面大幅下降,與光滑表面接近。引入表面潤濕率對微槽表面的液滴脫落半徑進行熱力學計算,計算值與實驗結果吻合較好,誤差在20%以內。

[1] TANASAWA I, OCHIAI J. Experimental study on dropwise condensation [J]. Bull Jpn Soc Mech Eng, 1972, 16(4/5): 1184-1192.

[2] ROSE J W. Dropwise condensation theory and experiment: a review [J]. Journal of Power and Energy, 2002, 216(A2): 115-128.

[3] MA X H, CHEN X F, BAI T. A new mechanism for condensation heat transfer enhancement: effect of the surface free energy difference of condensate and solid surface [J]. J Enhanc Heat Transfer, 2004, 11(4): 257265.

[4] PENG B L, MA X H, LAN Z, et al. Analysis of condensation heat transfer enhancement with dropwise-filmwise hybrid surface: droplet sizes effect [J]. Int J Heat and Mass Transfer, 2014, 77(5): 785794.

[5] LEE S, YOON H K, KIM K J, et al. A dropwise condensation model using a nano-scale, pin structured surface [J]. Int J Heat and Mass Transfer, 2013, 60(1): 664-671.

[6] IZUMI M, KUMAGAI S, SHIMADA R, et al. Heat transfer enhancement of dropwise condensation on a vertical surface with round shaped grooves [J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2014, 28(2/3): 243-248.

[7] YAMALI C, MERTE H. A theory of dropwise condensation at large subcooling including the effect of the sweeping [J]. Heat and Mass Transfer, 2002, 38(3): 191-202.

[8] WATANABE K, YANUAR H. Drag reduction of Newtonian fluid in a circular pipe with highly water-repellent wall [J]. Fluid Mech, 1999, 381(2): 225-238.

[9] SOMMERS A D, JACOBIB A M. Wetting phenomena on micro-grooved aluminum surfaces and modeling of the critical droplet size [J]. J Micromech Microeng, 2006, 16(2): 1571-1578.

[10]ZHONG Y F, JACOBIB A M, GEORGIADIS J G. Effects of surface chemistry and groove geometry on wetting characteristics and droplet motion of water condensate on surfaces with rectangular microgrooves [J]. Int J Heat and Mass Transfer, 2013, 57(4): 629-641.

[11]MA C H, BAI S X, PENG X D, et al Anisotropic wettability of laser micro-grooved SiC surfaces [J]. Appl Surf Sci, 2013, 284: 930-935.

[12]LI P, XIE J, CHENG J, et al. Anisotropic wetting properties on a precision-ground micro V-grooved Si surface related to their micro-characterized variables [J]. J Micromech Microeng, 2014, 24(7): 075004.

[13]KANNAN R, SIVAKUMA D. Drop impact process on a hydrophobic grooved surface, colloids and surfaces: a physicochem [J]. Eng Aspects, 2008, 317(1/2/3): 694-704.

[14]LARA J R, HOLTZAPPLE M T. Experimental investigation of dropwise condensation on hydrophobic heat exchangers: part II Effect of coatings and surface geometry [J]. Desalination, 2011, 280(1/2/3): 363-369.

[15]PARK I S. Numerical analysis for flow, heat and mass transfer in film flow along a vertical fluted tube [J]. Int J Heat and Mass Transfer, 2010, 53(3): 309-319.

[16]PROMRAKSA A, CHUANG Y C, CHEN L J. Study on the wetting transition of a liquid droplet sitting on a square array cosine wave-like patterned surface [J]. J Colloid Interf Sci, 2014, 418: 8-19.

(編輯 荊樹蓉)

Experimental Study on the Hydrophobicity and Condensation Heat Transfer of Cosine Micro-Grooved Surfaces

QI Baojin1,2,LI Xiang1

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to study the effects of cosine micro-grooved structures on hydrophobicity and condensation heat transfer, the cosine micro-grooved surfaces with depth of 12-24 μm and width of 30-60 μm were prepareed using dry etching. The wettability and heat transfer characteristics of these micro-grooved surfaces were investigated experimentally, and the coalescence and sweeping processes of droplets on micro-grooved surfaces were thermodynamically analyzed. The results showed that the wetting behavior and heat transfer characteristics of the micro-grooved surfaces presented anisotropic characteristics, and the static contact angle in perpendicular directionθ⊥was significantly larger than that in parallel directionθ∥. In heat transfer experiment, the plates were set vertically and the grooves were arranged in both vertical and horizontal positions. For the vertically grooved surface, the sweeping effect of falling drops was enhanced and the heat transfer in the dropwise condensation was increased to 30%-50%, and a better heat transfer performance was achieved when the ratio of peak to interval increased. Different from vertical grooved surface, the experimental results obtained from horizontal grooved surface were similar to the results of smooth surface. This might be due to the dual effect of horizontal grooves, promoting droplet coalescence and hindering the departure process. The surface wetting rate was introduced in developing thermodynamic model to solve the departure radius of droplets, and the calculated values were in good agreement with the experimental results with a largest error less than 20%.

dropwise condensation; micro-groove; heat transfer enhancement; hydrophobicity

10.7652/xjtuxb201605005

2015-07-30。作者簡介:齊寶金(1980—),男,博士,講師。基金項目:國家自然科學基金資助項目(51306141);教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120201120068)。

時間:2016-02-02

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160202.1550.002.html

TQ026.2

A

0253-987X(2016)05-0032-06