文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123478
刻蚀表面冷凝核化点分布的实验研究
徐威,彭本利,温荣福, 兰忠,马学虎资助项目:国家自然科学基金()
(大连理工大学化学工程研究所,辽宁省大连市 116024)
(0411-84986159, ******@dlut.)
摘要:实验制备了不同氧化刻蚀程度的疏水表面,并进行相应的露点冷凝实验。实验结果显示,通过氧化刻蚀制备的疏水表面存在不同程度的表面不均匀性,受局部微观结构差异的影响,冷凝初始液滴优先在表面上未发生明显刻蚀的区域出现,而刻蚀部分基本不发生有效核化。两种不同刻蚀程度表面之间的对比实验表明,刻蚀程度差异导致的表面微观结构差异明显改变了表面冷凝液滴个数,通过调控表面的刻蚀程度,构造具有特定微观结构特征参数的结构表面,有可能在保证实现表面超疏水性能的同时对表面核化点密度进行调控和优化。
关键词:露点冷凝,润湿性,核化速率,微观结构,核化位置

蒸汽冷凝作为一种重要的换热形式,在工业生产中被广泛应用,也一直成为学者研究的重点课题。作为一种高效的蒸汽冷凝模式,滴状冷凝从被发现的那一刻起,就引起了学者的广泛关注。随着研究的不断深入,对于滴状冷凝换热过程的认识不断趋于更加微观的领域,越来越多的学者试图通过实验[1-3]或者模拟[4,5]从最贴近冷凝过程物理图景的层面对过程发生的本质进行理论描述,从而进一步为传热过程的强化和控制提供理论指导。然而,由于实验手段探测尺度的限制,关于冷凝过程本质的探讨仍然难以获得清晰的定论。同时,由于含不凝气条件下蒸汽冷凝的具体应用背景,以及低压、超低压蒸汽冷凝的应用前景,都对冷凝过程的微观理论提出了更高要求。在这些冷凝条件下,决定换热效率的控制步骤可能发生转换,作为冷凝过程开端的初始核化可能扮演更加重要的角色。因此,对于冷凝初始核化的研究具有非常重要的理论意义。
无论蒸汽冷凝的最终形态是膜状还是滴状,冷凝的初始阶段都是从液滴的核化开始的。冷凝过程中,表面单位面积上的初始成核个数称为核化点密度,一般认为,表面的核化点密度介于109~1013m-2之间[6]。根据经典的传热理论模型[7],表面核化点密度对于滴状冷凝的传热具有较大的影响,一般认为,较大的核化点密度条件下,液滴可以在较小的液滴半径下就发生合并,从而加快液滴周期,利于传热。但是,核化点密度也不能无限制的增大,可以预见,当核化点密度增加到一定程度时,液滴之间间距很小,液滴很小就发生合并,而由于接触角滞后等因素影响,液滴无法在合并瞬间就完成接触线的收缩,而与此同时液滴体积继续增长,最终大量
微小液滴并在一起,最终形成液膜,而无法成滴,因此对于传热不利。表面核化点的控制和优化可能成为强化传热的一个新的方向,这对于超低压环境等条件下的冷凝更为重要。
经典核化速率理论显示,接触相的表面性能对于核化速率有着非常重要的影响[8],同一条件下,接触角为25º的表面上的核化速率甚至是接触角为110º的表面上核化速率的10129倍。根据该结论,Kripa K. Varanasi等[9]构建了在疏水基体上均匀排布亲水顶端的特殊表面,实验显示冷凝仅在亲水的柱端上发生,而疏水的基体上几乎没有液滴出现。通过表面不同区域润湿性能的调控,可以控制液滴出现位置,改变初始核化点分