混合潤濕性圖案化銅基表面冷凝換熱性能研究

朱丹丹，許雄文，2，劉金平，2，盧炯

（1華南理工大學電力學院，廣東廣州510641；2廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東廣州510640）

引 言

冷凝換熱廣泛應用于許多工業工程領域，如：發電廠凝汽器、制冷空調冷凝器等。固體表面上的冷凝換熱存在兩種形式：膜狀凝結和珠狀凝結。當冷凝液較好地潤濕壁面時，冷凝過程易形成膜狀凝結，冷凝表面的液膜會增大傳熱熱阻。相比之下，珠狀凝結能有效強化冷凝換熱[1-2]。珠狀凝結過程中，冷凝液珠的尺寸達到臨界直徑后，會在重力作用下脫落。液珠脫落時，將清掃其脫落路徑上的其他液珠，并為蒸汽提供持續更新的冷凝表面[3-4]。珠狀凝結可通過在無機金屬或硅表面構筑疏水或超疏水表面的方式實現。其中，超疏水表面具有比疏水表面更高的液滴活動性。實驗研究發現，在固體表面構筑柱狀或針狀等微納結構形成的超疏水表面，能使微米級尺寸的液滴在合并之后發生自彈跳運動，并離開固體表面[5-7]。合理設計固體表面的微納結構，還能使液滴在自彈跳運動中出現平行于固體表面的運動，清掃其平移運動路徑上的其他冷凝液，加快冷凝液脫離表面的速率[8]，強化冷凝換熱。

構造超疏水表面的思路主要是增加固體表面微納尺寸的粗糙結構。固體表面的粗糙結構能使液體在固體表面鋪展時將空氣滯留在粗糙結構凹槽內，使固、液兩相間存在一層薄薄的氣相層，從而增大固體表面表觀接觸角[9]。分子模擬研究表明，柱狀粗糙表面會使納米液滴在固體表面的接觸角都增大[10]。在親水金屬基底表面構造超疏水表面的主要思路是先構造一層微納級別的粗糙結構，然后再用低表面能物質對粗糙結構進行修飾[5,11]。對此，在金屬表面構筑超疏水層的常見方法有：化學刻蝕法[12-13]、分子自組裝膜法[14-15]、電鍍法[16-17]和疏水涂層噴涂[18-19]等方式。當然，運用不同的表面處理方法得到的疏水/超疏水表面的耐用程度和傳熱也不相同。例如，用PTFE涂層制備的疏水表面的滴狀冷凝效果和壽命取決于制備工藝和涂層厚度。涂層越厚，表面壽命越高，其傳熱系數與親水表面傳熱系數相比的強化比越低；反之，壽命越低，強化比越高[2]。采用不同表面處理工藝的PTFE疏水表面強化比在1～28.6的范圍，壽命為10～22000 h。再例如，用化學刻蝕法、電化學沉積法、水熱法三種表面處理方法能分別得到接觸角為151.9°、130.5°和124.7°的Cu(OH)2納米線、C36H70CuO4納米片及CuO納米花疏水表面。實驗表明僅Cu(OH)2納米線和CuO納米花結構表面在冷凝實驗中能夠維持穩定珠狀冷凝，且傳熱實驗后兩種表面的性質能保持基本不變，其中，CuO納米花結構表面傳熱性能最佳[20]。還有，用高溫裂解法在紫銅基底上制備一層疏水性碳納米管膜，其冷凝傳熱系數相比膜狀冷凝提高3～4倍，熱通量提高1倍[21]。而用高溫蒸汽氧化、用過氧化氫腐蝕和正十八硫醇浸泡的方式在紫銅基表面制備的疏水性膜，其滴狀冷凝傳熱量是膜狀冷凝傳熱量的2～4倍[22]。可見，超疏水表面的制備工藝對其冷凝換熱特性和實用性有重要的影響。

雖然，理論上超疏水表面具有比疏水表面更高的液滴活動性，但是這種活動性在冷凝過程中會被削弱。研究表明超疏水表面發生的液滴自彈跳運動僅在低冷凝換熱熱通量的情況下能被觀察到[23]。同時，經歷持續的冷凝換熱過程（大換熱溫差下）的超疏水表面，其粗糙結構空隙中會存留冷凝液，弱化了超疏水表面珠狀凝結的效果，導致超疏水表面珠狀冷凝傳熱效率低于疏水表面[24]。除此之外，超疏水表面的冷凝成核壁壘較大，在相同的冷凝換熱溫差下成核密度低，削弱了冷凝換熱能力[25]。

對此，人們提出了混合潤濕性表面，該表面能有效地平衡超疏水表面在冷凝換熱中存在的優缺點。合理的混合潤濕性表面圖案設計，構造一定比例的親疏水區域，能有效地利用疏水區域高效的珠狀凝結方式和親水區域高效的冷凝水導流。即使疏水區域冷凝的珠狀冷凝液在觸碰到親水區域后，在表面能差的作用下，被快速拖離疏水區域，并在親水區域被導走，從而加速超疏水區域表面的更新。因此，對混合潤濕性表面而言，合理的圖案設計是強化冷凝換熱的重要因素。Chatterjee等[26-27]在研究中提出了兩種圖案化混合潤濕性表面。如圖1所示，在疏水表面上構造點狀圓形陣列排布的親水區域和樹枝狀的親水區域。實驗結果表明：當圖案中親水圓點的直徑為0.25 mm時，其冷凝傳熱系數相比全疏水表面高出約7.5%，而枝狀圖案排布冷凝傳熱系數與全疏水表面相比沒有提高。Yang等[28]提出了一種倒V形的親疏水混合潤濕性表面圖案，在大氣壓力下，該混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數分別是全疏水表面的1.03～1.09倍，全親水表面的1.06～1.16倍。Derby等[29]在水力直徑為1.06 mm，尺寸為0.56 mm×9.6 mm的細縫中構造四個圖案不同但親水區域占比面積相近的混合潤濕性表面，其中，平行條紋圖案表面冷凝傳熱系數高于枝狀圖案表面。Peng等[30]在銅表面構造平行條紋圖案的混合潤濕性表面，在常壓下的蒸汽冷凝實驗中，條紋圖案混合潤濕性表面存在最優的疏水區域寬度為0.55 mm，對應的最大冷凝液滴半徑為0.25 mm。針對上述條紋圖案的混合潤濕性表面，理論研究認為珠狀冷凝的最佳冷凝液珠直徑與冷凝傳熱溫差、膜狀冷凝的區域寬度以及接觸角有關，而與冷凝液的滯后接觸角無關。最佳冷凝液珠的直徑隨著傳熱溫差和膜狀冷凝區域寬度的增加而增大，同時，隨著冷凝液的接觸角增大而減小[31]。另外，根據植物葉片疏水結構，Ghosh等[32-33]設計了楔形結構圖案[圖2(a)]表面，并在后期實驗中進行改進[圖2(b)][32-33]。結果表明，該楔形結構能有效限制冷凝液珠最大直徑，并將冷凝液導走，冷凝傳熱系數高于全疏水表面，且改進后的楔形圖案能更有效地排走冷凝液。Lo等[34]制作了以硅板為基底，帶微米級凹槽的三維親疏水混合性質表面：凹槽內為親水結構，而突起的肋面則為疏水結構。該混合潤濕性表面的三維結構能有效阻礙冷凝過程中液橋的形成，且在冷凝換熱溫差為18 K的條件下，獲得了高達37 kW/(m2·K)的冷凝傳熱系數和655 kW/m2的熱通量。另外，Alwazzan等[35-36]在水平管上制備了豎直條紋狀的兩種不同潤濕性區域相間的疏水表面，在冷凝換熱溫差為9 K的條件下，條紋寬度設計最優的銅管其冷凝傳熱系數可以達到85 kW/m2，分別是膜狀凝結和全珠狀凝結的4.8倍和1.8倍。

圖1 點狀與樹狀混合潤濕性表面示意圖[27]Fig.1 Schematic diagramof the hybrid wettability surfaces with dots pattern and branches pattern[27]

總而言之，對混合潤濕性表面的圖案設計研究對強化冷凝換熱有著重要的意義。本研究工作采用聚四氟乙烯納米粒子涂層噴涂法制備超疏水表面，并應用到50 mm×100 mm的銅基板上，通過冷凝實驗探究該超疏水表面的冷凝換熱特點。同時，為了探究平行條紋圖案的傾角對冷凝液動態運輸過程和冷凝傳熱的影響，具有60°和90°傾角條紋圖案的親疏水相間混合潤濕性表面也被用于本次研究工作中。本研究將根據實驗數據給出不同圖案聚四氟乙烯超疏水涂層表面冷凝換熱特性，對混合潤濕性表面冷凝理論發展及其圖案設計具有一定的科學及工程意義。

圖2 仿生楔形結構示意圖[33]Fig.2 Schematic diagramof the bionic wedgestructure[33]

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料

為了保證冷凝實驗的一致性與可靠性，本研究的實驗中所有的冷凝表面統一采用純度為99.8%的紫銅板。考慮到實際用于冷凝換熱過程的表面面積較大，導致用小尺寸表面進行實驗的意義在一定程度上被削弱。因此，本實驗統一采用長度100 mm，寬度50 mm，厚度2 mm的銅板作為冷凝實驗基板，而實際換熱面積為95 mm×45 mm。制作超疏水涂層的材料和設備分別如表1和表2所示。

表1 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層制作材料Table 1 Fabrication material of PTFE nanoparticle superhydrophobic coating

表2 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層制作設備Table 2 Fabrication equipment of PTFE nanoparticle superhydrophobic coating

1.2 冷凝實驗表面制備

1.2.1 聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層表面的制備 聚四氟乙烯（PTFE）具有良好的化學穩定性和耐腐蝕性，是良好的疏水材料。聚四氟乙烯乳液覆蓋在銅基表面便能形成一層較好的保護層。然而，單純地覆蓋聚四氟乙烯涂層，并不能使表面達到超疏水效果，而且涂層在銅表面的黏附性也較差。因此，研究學者多采用在涂料乳液中加入納米粒子的方法對乳液改性，增強涂層的黏附性和疏水性等。在本研究中，為了制備PTFE超疏水表面，涂料加入了平均粒徑為500 nm的聚四氟乙烯納米顆粒。

聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層的制備過程如下。首先，用300目（粒徑42μm）的砂紙將紫銅基板打磨平整，按順序將基板依次放入去離子水、無水乙醇、去離子水、稀鹽酸（1 mol/L）和去離子水中超聲清洗各2 min以去除在紫銅基板表面附著的顆粒物、污垢和有機物，隨后用氮氣吹干備用。然后，將聚四氟乙烯乳液、Xylan黑色涂料以及聚四氟乙烯納米粒子分別按25%、25%和50%的質量比混合，并用磁力攪拌器混合攪拌30 min。攪拌過程中根據涂料的黏度適當加入N-甲基吡咯烷酮溶劑進行稀釋。攪拌后的涂料繼續超聲分散20 min，便可得到混合均勻的噴涂涂料。

將上述備好的銅板鉛垂放置并固定，在空氣壓力為0.5～0.6 MPa的條件下，用噴槍在距離銅板150 mm的位置，垂直于銅板噴涂制備好的涂料。噴涂完畢后，取下銅板，放入干燥箱中，加熱至232℃，保溫5 min后，退火至室溫，便可得到覆蓋聚四氟乙烯納米粒子涂層的超疏水銅基表面(圖3)。

圖3 聚四氟乙烯納米粒子涂層覆蓋的超疏水表面Fig.3 The superhydrophobic surface coated by the PTFE nanoparticle

1.2.2 混合潤濕性表面的制備 圖4所示為混合潤濕性表面圖案的示意圖，混合潤濕性表面由超疏水條紋與親水條紋組成。其中，白色區域所示是被聚四氟乙烯納米粒子涂層覆蓋的超疏水區域，黑色區域所示則是紫銅表面，每個超疏水區域都與兩個親水區域的條紋平行且相鄰。圖案條紋與基板的寬度方向呈一定角度，圖4(a)所示的圖案表面條紋與銅板寬度方向呈90°，圖4(b)的圖案表面條紋與銅板寬度方向呈60°。表3為實驗表面的表面特征。考慮到制作流程的工藝和實用性，混合潤濕性表面的親、疏水區域的條紋寬度都為1 mm。兩混合潤濕性表面（表面2#和表面3#）的親水區域面積占比相近，分別為48.8%和48.7%。

圖4 混合潤濕性表面圖案的示意圖Fig.4 Schematic diagram of the hybrid surfaces’patterns

混合潤濕性表面的具體制作流程如下：首先，用300目（粒徑42μm）的砂紙將紫銅基板打磨平整，按順序將紫銅基板依次放入去離子水、無水乙醇、去離子水、稀鹽酸（1 mol/L）和去離子水中超聲清洗各2 min以去除在紫銅基板表面附著的顆粒物、污垢和有機物，隨后用氮氣吹干備用。然后，將熱轉印機工作溫度設置為80℃，并開機預熱5 min。在清潔好的銅基表面上平整地貼上光刻膠干膜，將貼合好干膜的銅板放入熱轉印機，使干膜在其熱壓作用下緊緊地附著在銅板表面。隨后，將如圖4所示的圖案用菲林打印機打印在透明膠片上。將印有黑色條紋圖案的透明膠片放置在表面貼有干膜的銅基板表面上，并一起放入曝光機中。確保貼有干膜的銅板表面面向曝光機光源，并在帶圖案的透明膠片的保護下，曝光20 s。曝光后，銅基板上的干膜將發生變化，被透明膠片上黑色條紋保護的部分沒有被紫外光源照射，將保持原有的性質不變，未被黑色條紋保護的部分將在紫外光源的照射下發生化學性質的改變——干膜變脆、變黑并更為緊密地附著在銅基表面上。緊接著將曝光后的銅板放入顯影液中進行顯影，在顯影過程中，未被紫外光源照射的干膜被移除，被紫外光源照射到的部分依舊附著在銅板表面，并在后面的涂層噴涂過程中起到保護銅板的作用。圖5為經過顯影步驟后的紫銅基板表面，顏色偏淺部分為裸露的紫銅表面，并將在噴涂涂層的過程中被涂層附著，最后，變為超疏水區域；顏色偏暗部分為附著在紫銅表面起到保護作用的干膜，將在經過后續的脫模過程后變為親水銅表面。顯影后的銅板用去離子水清洗干凈，氮氣吹干，然后鉛垂放置并固定，在空氣壓力為0.5～0.6 MPa的條件下，用噴槍在距離銅板150 mm的位置，垂直于銅板噴涂。噴涂完畢后，取下銅板，放入干燥箱中，60℃下烘干40 min以固化涂層。然后，待銅板冷卻到室溫后，將銅板放入脫模液中，讓銅板上剩余的干膜在脫模液作用下被移除，露出噴涂過程中被保護的紫銅表面。完成脫模過程后的銅基板用去離子水清洗干凈后，再次放入干燥箱中232℃固化10 min。退火至室溫后取出，便能得到如圖6所示的聚四氟乙烯納米粒子超疏水表面與親水紫銅表表面混合的混合潤濕性表面。

圖5 經過顯影過程后的紫銅基板表面Fig.5 The cooper substrates after being applied to the development procedure

表3 冷凝實驗所用表面特征Table 3 Characteristic of the experimental condensing surfaces

圖6 制備好的具有傾斜條紋圖案的混合潤濕性表面Fig.6 The copper substrates with inclined stripes pattern and hybrid wettability

1.2.3 冷凝實驗表面表征 圖7為液滴在不同表面上所表現出來的潤濕性特征，圖7(a)為銅板的潤濕性特征，表現為親水性；圖7(b)為聚四氟乙烯納米涂層的潤濕性特征，表現為超疏水；圖7(c)、(d)都是混合潤濕性表面的潤濕性特征，圖7(c)是從銅板長度方向進行拍攝得到，可以看到，液滴在沿銅板長度方向沒有超疏水條紋的限制并在此方向上能較好地潤濕表面，而圖7(d)是從銅板寬度方向進行拍攝得到，可以觀察到，液滴在銅板寬度方向的延展性與潤濕性受到超疏水區域條紋的限制。

圖8為接觸角測量儀（Dataphysics,OCA40 Micro）測得的紫銅表面以及聚四氟乙烯超疏水涂層表面的接觸角。用于接觸角測量的液滴體積為3 μl，兩種表面的接觸角如表4所示，其中，紫銅表面測得靜態接觸角平均值為86.4°，超疏水表面測得靜態接觸角平均值為151.2°。

圖9為使用場發射掃描電子顯微鏡（ZEISS,MERLIN）對打磨后的銅板表面與聚四氟乙烯納米粒子涂層超疏水表面的形貌表征。圖9(a)、(b)是打磨后的銅板表面，在放大500倍的情況下可觀察到其表面的不平整結構。圖9(c)～(e)為超疏水涂層的形貌表征，在放大500倍情況下，可以觀察到涂層的厚度存在不均勻性，在放大到10000倍和30000倍的情況下，可以觀察到分布在涂層中的橢球體聚四氟乙烯納米顆粒，納米顆粒在銅板表面較為均勻地分布與堆疊。納米顆粒的堆疊給銅板表面增加了粗糙度，且顆粒之間存在納米級別的縫隙，這些縫隙將使液滴在潤濕涂層表面的時候存留一定量的空氣，使液體在涂層表面的潤濕模型為Cassie潤濕模型，從而實現水在聚四氟乙烯涂層表面的超疏水潤濕特性。

表4 光滑銅表面與超疏水表面的接觸角Table 4 Contact angles of cooper surface and superhydrophobic surface

圖7 不同表面的潤濕性特征Fig.7 Wettability characteristic of the experimental surfaces

圖8 不同表面的接觸角Fig.8 Contact angle of the experimental surfaces

1.3 實驗裝置與流程

1.3.1 實驗裝置 圖10為冷凝實驗系統示意簡圖以及冷凝實驗系統的實物圖，冷凝實驗系統由四個部分組成，分別是：蒸汽發生段、冷凝段、噴淋水冷卻段和數據采集系統。

蒸汽發生段由一個直徑為25 cm的圓柱形容器構成，容器的底部嵌入一個最大功率為3kW的電加熱棒，加熱功率由調壓器控制，調節范圍為0～3 kW。蒸汽發生器出口處放置一個壓力傳感器（SISEN,K09），以測量冷凝實驗系統內的蒸汽壓力，保證蒸汽發生段為整個冷凝系統穩定地提供維持系統壓力約0.104 MPa（微正壓）的蒸汽量。

蒸汽發生段產生的蒸汽，通過直徑為30 mm的蒸汽管道后，被運送到尺寸為260 mm×220 mm×280 mm的長方體冷凝室內，蒸汽在冷凝室內將接觸換熱表面并發生冷凝。冷凝過程產生的冷凝水在重力作用下，流到冷凝室的底部，并通過直徑為20 mm的冷凝水管道回流到蒸汽發生容器中。

噴淋水冷卻段由一個散熱銅塊、兩個霧化噴頭、一個散熱風扇以及冷卻水水箱構成。如圖11所示，散熱銅塊的前半部分為50 mm×100 mm的矩形凸臺，后半部分為直徑12 cm的圓柱體。冷凝換熱銅板被聚四氟乙烯壓蓋按壓在散熱銅塊的矩形凸臺上，再由四顆螺釘固定壓緊。固定螺釘擰緊后，用絕熱膠將其密封起來，防止熱量通過螺釘散失。冷凝換熱銅板與散熱銅塊之間涂有熱導率為1.2 W/(m·K)的導熱硅脂，保證冷凝銅板與散熱銅塊之間的連接緊密。整個散熱銅塊外層包裹厚度約為5 mm聚四氟乙烯絕熱套材料，為防止冷凝散熱量沿銅塊的徑向進行傳導，冷凝實驗過程中，蒸汽在冷凝換熱銅板表面進行冷凝，熱量從銅板換熱面向銅板背面進行傳導，依次經過導熱硅脂和散熱銅塊，最后，由冷卻水的噴淋蒸發過程將熱量帶走。

圖9 打磨后的銅板與聚四氟乙烯納米粒子超疏水涂層表面的SEM表征Fig.9 SEM of theexperimental copper substrate and the PTFEnanoparticle coating

冷凝實驗過程的現象由高速攝像機（Phantom,Miro Ex4）通過冷凝室前方直徑為135 mm的玻璃視窗進行拍攝記錄。實驗過程中，蒸汽發生裝置、冷凝室以及所有的蒸汽、冷凝液運輸管道都由保溫材料包裹以減少熱量從除冷凝實驗表面外的其他位置散失。

圖10 實驗裝置Fig.10 Experimental setup

1.3.2 實驗流程 實驗過程中不凝性氣體的存在將會阻礙蒸汽與冷凝表面的接觸，增大冷凝換熱熱阻，降低冷凝換熱效率。因此，冷凝實驗裝置內部需要先進行不凝性氣體的排氣過程，以保證沒有不凝性氣體的存在。實驗開始前，先將去離子水注入蒸汽發生裝置內，并通過液位計觀察蒸汽發生器內的液位情況，確保液位能沒過電加熱棒，防止加熱棒在工作過程中干燒。注入去離子水后，打開冷凝室的冷凝液出口閥門，以及其與大氣連通管的閥門，關閉冷凝液回流到蒸汽發生器的入口閥門，打開電加熱棒功率調節到1.5 kW進行加熱。持續生成的蒸汽將逐漸充滿整個冷凝實驗系統，待產生的蒸汽形成較高的正壓后，打開冷凝室的冷凝液出口閥門，以及其與大氣連通管的閥門，利用持續產生的蒸汽將裝置內的不凝性氣體排擠出，該過程持續10 min。然后，關閉冷凝室的冷凝液出口閥門，打開冷凝液回流到蒸汽發生器的入口閥門，冷凝室的冷凝液出口與大氣連通管的閥門保持打開，此時排擠冷凝液回流管段內的空氣，此過程持續10 min，確保實驗裝置中不凝氣的完全排出。

完成上述排氣操作流程后，關閉系統冷凝室的冷凝液出口與大氣連通管閥門，打開從冷凝室到蒸汽發生器的冷凝液回水管道的全部閥門，冷凝系統開始循環。此時，降低電加熱棒加熱功率，使壓力傳感器測得的Pl維持在某一穩定微正壓的狀態，防止空氣滲入，此系統狀態維持5 min。然后，打開冷卻噴淋系統（冷卻水霧化噴頭以及散熱風扇），調高蒸汽發生器的加熱功率，通過調節冷卻水噴淋流量以及散熱風扇的風量來實現冷凝表面冷凝換熱溫差ΔTsub的調節。每個ΔTsub下，系統參數穩定維持10 min之后，才開始記錄實驗數據，每組實驗數據取20個測量點，且每個ΔTsub做3次重復實驗。冷凝實驗過程中始終保持微正壓的狀態，保證冷凝裝置內沒有不凝氣滲入。

1.4 實驗數據處理

圖11 冷凝換熱銅板的固定安裝和散熱方式示意圖Fig.11 Schematic diagram of the installation method and the heat dissipation of the condensation cooper substrates

式中，Acu為散熱銅塊圓柱體的截面面積，λcu為紫銅的熱導率。冷凝過程中，冷凝換熱表面的熱通量q可以由式(2)計算得到：

式中，Ac為實驗銅板的冷凝換熱面積，Δx為散熱銅塊圓柱體側面測溫孔的中心距。冷凝換熱面的壁溫Tw可由銅板背面壁溫Tw,b計算得到：

式中，Δl為實驗銅板的板厚。但是，由于銅板背面的壁溫Tw,b是由插入與實驗銅板緊密貼合的散熱銅塊表面凹槽內的熱電偶測得，測溫熱電偶與實驗銅板之間存在無法完全緊密接觸的情況。因此，考慮測溫熱電偶與銅板背面存在接觸熱阻R，且認為每組實驗中R為定值。接觸熱阻R是根據考慮上接觸熱阻后，光滑銅板的膜狀凝結實驗結果與Nusselt膜狀凝結理論值吻合的原則進行確定。對此，Tw,b可以表示為：

式中，Tw,b(m)為實驗過程中銅板測溫熱電偶測得的溫度，而Tw,b為銅板背面實際壁溫。聯立式(3)與式(4)，可得Tw表達式：

根據測溫裝置給出的測量精度范圍，得到冷凝實驗中各測量不確定度，如表5所示。

表5 實驗測量不確定度Table 5 The uncertainty of the experimental measurement

2 實驗結果與討論

2.1 冷凝實驗條件

圖12 冷凝實驗過程測得蒸汽溫度與冷凝壓力隨時間的變化Fig.12 Vapor temperature and condensation pressure changes with time during experiments

圖12為實驗過程中測得的冷凝室內蒸汽溫度與壓力隨時間的變化。從圖中可看出，實驗過程中冷凝室內的壓力始終大于101.325 kPa，維持微正壓的狀態。同時，蒸汽飽和溫度始終在100℃附近，且略大于100℃。實驗過程中，測得的冷凝室壓力隨時間會有略微的波動，蒸汽溫度的波動趨勢與測得冷凝室內壓力波動的趨勢相同，可確保實驗過程不漏入不凝性空氣。

2.2 不同表面上的冷凝實驗現象

圖13為實驗表面在冷凝換熱過程中的冷凝現象。圖13(a)為ΔTsub分別是5、9和14 K的紫銅表面冷凝換熱現象。從圖中可看出，ΔTsub從5 K到14 K的變化過程中，銅板表面被液膜覆蓋的區域沒有明顯的變化。然而，從高速攝像機拍攝到的動態畫面中可觀察到燈光照射下液膜的動態特征——隨著冷凝換熱溫差的增大，銅表面冷凝液膜的流動速度明顯增加，液膜的波動性增加，液膜厚度也明顯增大。

圖13（b）是ΔTsub分別為5、9和15 K時超疏水表面的冷凝現象——典型的珠狀凝結。實驗現象表明：液滴在超疏水表面冷凝成核，隨著冷凝過程持續進行，液珠的直徑不斷增大，并不斷與相鄰液滴接觸發生合并，脫落。但是，超疏水表面生成的冷凝液滴在冷凝面上有明顯的“釘扎效應”，液珠與超疏水表面的潤濕表現為Wenzel潤濕模式。即冷凝液珠更為緊密地附著在冷凝面上，需要在較大的重力作用下才能脫離壁面。因此，冷凝液珠脫離壁面的臨界直徑增大，實驗中觀察到超疏水表面冷凝液滴的最大直徑可達到3.99 mm。從圖中也可以看到，超疏水表面無論在大冷凝換熱溫差下，還是小冷凝換熱溫差下都布滿冷凝液珠，液珠僅在重力作用下，或者被其他滾落的液珠合并才得以脫離表面，使得冷凝表面得以更新，如圖13（b）所示，冷凝液滴的脫落路徑顏色變暗，即液滴脫落的過程掃落了其他液滴。實驗還發現，在冷凝換熱溫差較高的情況下，冷凝換熱熱通量較大，液滴的成長速度和脫落速率加快，使冷凝表面的更新速率加快。冷凝實驗過程中，并未觀察到冷凝液滴由合并驅動的自跳躍現象。

圖13（c）、（d）分別為兩種混合潤濕性表面在冷凝換熱溫差為5～15 K條件下的冷凝換熱現象。冷凝過程中，混合潤濕性表面超疏水區域的冷凝液珠的尺寸能被有效控制，實驗過程中沒有觀察到液珠直徑大于疏水條紋寬度（1 mm）的情況。疏水區域上，小液珠隨著冷凝持續進行而發生相互合并，較大的液珠則容易觸碰到親水區域邊緣，如圖14所示，在超疏水區域冷凝成核的部分液滴，在邊緣觸碰到親水區域時，被瞬間拉到親水區域中，并被快速地導走。實驗過程中還觀察到，當親水區域的冷凝液剛被導離，該區域將迅速形成珠狀凝結（圖15）。隨著冷凝過程的持續進行，冷凝液滴不斷與（親水區域或疏水區域的）其他液滴合并，并快速成膜狀覆蓋親水區域，最終形成較大尺寸的掛珠（圖16）。親水區域形成的冷凝液掛珠的尺寸甚至超過親水區域寬度。

2.3 混合潤濕性表面的液橋現象的比較

一般情況下，混合潤濕性表面在表面能差的作用下，親水區域的冷凝液將被限制在單條親水區域內，并在重力作用下被導離壁面。偶爾也會發生冷凝液突破親水區域的限制，跨過一個疏水條紋區域，并同時接觸兩個親水條紋區域的現象——液橋，如圖13(c)、(d)所示。

實驗表明，即使是在冷凝換熱溫差較低的情況下，圖13(c)、(d)所示的兩種混合潤濕性表面在冷凝實驗中都存在液橋，兩種混合潤濕性表面的液橋現象出現的頻率和脫落的動態特征有所區別。為了獲得冷凝表面液橋出現的頻率，實驗用高速攝像機拍攝記錄同一區域（45.0 mm×36.5 mm）相同時間段（13.2 s）內，兩種潤濕性表面液橋出現的頻數，示于圖17。結果表明，液橋出現的頻率隨著冷凝換熱溫差的增加而增大。相同的冷凝換熱溫差下，圖案傾角為60°的混合潤濕性表面，液橋出現的頻率更高。這是因為相比于90°傾角的混合潤濕性表面，60°傾角的圖案表面能使冷凝液掛珠在重力的作用下，向相間的親水區域偏離，增加了親水區域間冷凝液相互接觸的橫向合并，更容易形成液橋。90°傾角的混合潤濕性表面，液橋的出現沒有特別固定的區域，而60°傾角的混合潤濕性表面，液橋常常出現在條紋圖案的末端，冷凝液也多在此處匯集。

圖13 不同表面在高速攝像機記錄下的冷凝換熱現象Fig.13 Condensation phenomenon of the experimental surfaces

圖14 混合潤濕性表面疏水區域液珠被拖拽到親水區域Fig.14 Image of condensation droplet being dragged from the hydrophobic region to the hydrophilic region on the hybrid wettability surfaces

圖15 混合潤濕性表面親水區域瞬時的珠狀冷凝現象Fig15 Transient dropwise condensation phenomenon on the hydrophilic region of the hybrid wettability surfaces

圖16 混合潤濕性表面親水區域冷凝液形成較大的掛珠Fig.16 Formation of large droplets on the hydrophilic region of the hybrid wettability surfaces

冷凝表面上的液橋會導致表面部分區域覆蓋一層較厚的液膜，增加傳熱熱阻。但是，液橋在冷凝表面上滑動脫離的過程，在一定程度上有助于加速將疏水條紋區域的冷凝液珠帶離表面，加快疏水區域冷凝液珠的“更新換代”，提高冷凝換熱效率。在親、疏水區域寬度較小的表面上，液橋更大程度上會削弱換熱效率[36]。這是因為，對納米級寬度的親疏水結構而言，疏水區域的冷凝液能高效地被拖拽至親水區域，并在重力作用下快速脫離表面，而不在疏水區域長時間停留。在這種表面上出現液橋，無疑是給疏水表面增加傳熱熱阻，使液橋對冷凝換熱過程僅產生不利的影響。但在本實驗中，混合潤濕性冷凝表面的親、疏水條紋寬度皆為1 mm，疏水區域冷凝液珠更新換代的周期較長。此時，液橋的出現與脫離，能將其橫跨的疏水區域上的冷凝液滴“掃走”，加快疏水表面“更新”速率。從圖18（a）所示90°傾角的混合潤濕性表面上液橋滑動脫離表面的前后對比可見，液橋掃過的疏水區域冷凝液珠被脫落的液橋帶離冷凝表面（在圖上表現為疏水區域顏色變暗）；圖18（b）為60°傾角的混合潤濕性表面上液橋脫離表面的過程，其液橋脫落的作用與90°傾角的表面相當。

圖17 單位時間與面積下混合潤濕表面液橋出現的頻率Fig.17 Frequency of the liquid bridge on the hybrid wettability surfaces

大冷凝換熱溫差下，冷凝熱通量較大，冷凝液生成的速率加快，因此，液橋出現的頻率較高，液橋脫離表面的速率也隨之增大。即高熱通量有利于液橋的生成和脫離，也有利于冷凝換熱表面冷凝液的更新和冷凝換熱的強化。

2.4 冷凝換熱效果分析

圖19為各表面冷凝換熱表面的換熱實驗數據，以及通過實驗數據擬合的熱通量及傳熱系數與換熱溫差的關系曲線。圖19（a）為各換熱表面冷凝換熱熱通量與ΔTsub的關系，各表面的冷凝換熱熱通量隨ΔTsub的增大而增加。圖19（b）為各換熱表面冷凝傳熱系數隨ΔTsub變化的趨勢。圖中顯示，未進行表面涂層處理的銅板表面冷凝傳熱系數hfwc隨ΔTsub的增大而減小，符合膜狀凝結的特征。與之相反，超疏水表面與混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數都隨著ΔTsub的增大而增大。為探尋其原因，對冷凝表面液滴的脫落頻率進行研究。圖20（a）～（c）為ΔTsub為3、9和15 K時，一段時間內高速攝像機記錄的超疏水表面同一區域（45.0 mm×36.5 mm）內冷凝液脫落的時刻。以液滴接觸到/越過圖中所示的白線位置為標準進行計數，得到圖20（d）所示的超疏水表面液滴脫落頻率。ΔTsub分別為3、9和15 K時，超疏水表面液滴脫落平均頻率分別為2.796×10-2、4.855×10-2和5.341×10-2s-1·cm-2。即隨著ΔTsub的增加，超疏水表面冷凝液滴脫落的頻率增加，冷凝液滴的更新速率也隨之增加，強化冷凝換熱，從而導致超疏水表面hdwc隨ΔTsub的增大而增大。這個機制同樣可以解釋混合潤濕表面的冷凝傳熱系數hhybrid也隨著ΔTsub的增大而增大的現象。如圖17所示，混合潤濕性表面的液橋出現與脫落頻率隨著ΔTsub的增加而增加，而液橋的脫落對橫跨的疏水表面的液滴更新有加速作用，從而強化了表面的冷凝換熱。但是，這種通過增大液橋頻率來實現強化換熱的方式并不會隨著ΔTsub的增大而持續增強。這是因為，液橋在另一方面也增大了部分親、疏水區域的換熱熱阻。即生成的液橋犧牲了部分區域的換熱表面來強化其他區域的冷凝換熱，因此，隨著ΔTsub增大，混合潤濕性表面hhybrid先增加后趨于平緩。

超疏水表面的冷凝傳熱系數雖然會隨ΔTsub的增大而增大，但是在ΔTsub為5～20 K的范圍內，超疏水表面的冷凝傳熱系數始終低于光滑銅板表面的冷凝傳熱系數。這可從超疏水表面冷凝液滴的動態特征得到解釋。前文對超疏水表面冷凝實驗現象的描述中提到，超疏水表面上能觀察到最大冷凝液滴的平均直徑達到3.99 mm。這意味著超疏水表面在冷凝過程中，表面被尺寸較大的液滴所覆蓋，與銅表面所覆蓋的液膜相比大尺寸的液滴會導致更高的傳熱熱阻。同時，冷凝液滴在超疏水表面表現為Wenzel潤濕模型，這種“釘扎效應”使冷凝液滴的脫落頻率較低，導致超疏水表面冷凝傳熱系數始終低于銅表面的傳熱系數。

圖18 混合潤濕性表面液橋脫落的過程Fig.18 Departure of the liquid bridge on the hybrid wettability surfaces

圖19 定量分析不同表面的冷凝換熱效果Fig.19 Quantitative analysis of the condensation efficiency of the experimental surfaces

雖然，超疏水表面的冷凝換熱由于大尺寸液滴的附著而低于銅板表面的傳熱系數，但是，混合潤濕性表面能有效地限制冷凝液滴在疏水區域增長的尺寸，因此，兩種混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數都比超疏水表面的傳熱系數高。超疏水表面在ΔTsub約為15.6 K時，得到最高冷凝傳熱系數h為8.5 kW/(m2·K)，冷凝換熱熱通量q為132.95 kW/m2；圖案傾角為60°混合潤濕表面在ΔTsub約為11.3 K時測得最高冷凝傳熱系數，為16.64 kW/(m2·K)，熱通量為188 kW/m2，與相同ΔTsub下的超疏水表面相比，其傳熱系數是超疏水表面傳熱系數的2.14倍；圖案傾角為90°混合潤濕表面在ΔTsub約為13.78 K時測得最高冷凝傳熱系數為13.63 kW/(m2·K)，熱通量為187.83 kW/m2，與相同ΔTsub下的超疏水表面相比，其傳熱系數是超疏水表面傳熱系數的1.68倍。

圖20 超疏水表面冷凝液珠脫落計數Fig.20 Counting of the shedding droplets on the superhydrophobic surfaces

兩種混合潤濕性表面相比于超疏水表面都有強化冷凝換熱溫差的作用，但是，兩種表面的強化效果卻有所差異。大部分情況下，圖案傾角為60°混合潤濕表面的冷凝傳熱系數要高于圖案傾角為90°混合潤濕表面的冷凝傳熱系數，這樣兩種表面冷凝液更新的現象有較大關系。因此，在條紋圖案的混合潤濕性表面中具有一定傾角的條紋圖案對超疏水表面的冷凝換熱強化作用更明顯。

3結 論

本研究采用聚四氟乙烯納米粒子涂層在銅基板表面制備超疏水以及條紋圖案傾角分別為60°和90°的混合潤濕性表面。根據冷凝實驗數據和高速攝像機記錄的實驗現象，分析上述表面的冷凝換熱特性，得到如下結論。

（1）超疏水表面與混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數隨ΔTsub的增大而增大，這是因為其冷凝換熱效果與冷凝液滴/液橋的脫落頻率存在強相關性。液滴/液橋的脫落頻率越高，冷凝表面的冷凝液珠的迭代更新速率就越快，冷凝傳熱系數越高。冷凝液滴或液橋的脫落頻率與冷凝液的生成速率呈正比，即與ΔTsub呈正比關系。

（2）冷凝液珠在超疏水表面的潤濕模型為Wenzel潤濕模型，液珠在冷凝表面表現出“釘扎效應”，脫落速率降低，使冷凝表面長時間覆蓋大尺寸液珠，且實驗觀測到的最大液滴尺寸可達3.99 mm。這導致超疏水表面傳熱熱阻的增加，使其冷凝傳熱系數hdwc始終低于銅板表面的冷凝傳熱系數hfwc。

（3）混合潤濕性表面能有效限制冷凝液滴在超疏水區域的生成尺寸，同時，液橋的形成與脫落清掃了其沿途疏水區域懸掛的液珠，加速疏水區域表面的更新速率，有效提高超疏水表面的冷凝傳熱系數。

（4）圖案傾角為60°混合潤濕表面在ΔTsub約為11.3 K時測得最高冷凝傳熱系數，為16.64 kW/(m2·K)，是相同ΔTsub下疏水表面傳熱系數的2.14倍；圖案傾角為90°混合潤濕表面在ΔTsub約為13.78 K時測得最高冷凝傳熱系數為13.63 kW/(m2·K)，是相同ΔTsub下超疏水表面傳熱系數的1.68倍。

另外，在實驗中發現，表面換熱溫差ΔTsub范圍為0～10 K時，本研究采用的混合潤濕性表面的冷凝傳熱系數都低于銅板表面的傳熱系數。可見，上述兩種混合潤濕性表面在加快表面親、疏水區域的冷凝液的導流速率、提高冷凝表面冷凝液迭代更新的速率上還有較大的改進空間。將來應設置更小疏水區域的寬度對其換熱能力強化進行進一步研究。

符號說明

Ac——實驗銅板的冷凝換熱面積，m2

Acu——散熱銅塊圓柱體部分的截面面積，m2

fdwc——冷凝換熱表面膜狀凝結（親水）區域面積占比

Δl——實驗銅板厚度，m

Pl——壓力傳感器測得冷凝系統壓力，Pa

Pv——飽和蒸汽溫度下對應的飽和壓力，Pa

Q——冷凝換熱量，kW

q——熱通量，kW/m2

R——測溫熱電偶與實驗銅板背壁面間的接觸熱

阻，m2·K/W

Tv——飽和蒸汽溫度，K

Tw——冷凝換熱表面壁溫，K

Tw,b——冷凝換熱表面背面壁溫，K

T1,T2,T3——分別為散熱銅塊圓柱體部分軸向測溫孔1、2、3的測得溫度，K

ΔTsub——冷凝換熱溫差，K

Wdwc——冷凝換熱表面珠裝凝結區域（超疏水）條紋寬度，mm

Wfwc——冷凝換熱表面膜狀凝結區域（親水）條紋寬度，mm

Δx——散熱銅塊圓柱體側面測溫孔的中心距，m

λcu——紫銅的熱導率，W/(m·K)

下角標

dwc——珠裝凝結表面

fwc——膜狀凝結表面

hybrid——混合潤濕性表面

60——條紋圖案與銅板寬度方向傾角為60°的表面

90——條紋圖案與銅板寬度方向傾角為90°的表面