Kondensforbedring:Mod praktiske energi- og vandanvendelser

Kondensvand varmeoverførsel spiller en væsentlig rolle i effektiviteten af ​​energiintensive industrielle teknologier, herunder elproduktion, energiforbrug, afsaltning og høst af vand, aircondition, og termisk styring af elektronik. Det er velkendt, at dråbevis kondens på den hydrofobe overflade (fig. 1A), hvor den hyppige udrulning af kondenserede dråber, f.eks. på lodrette overflader, hjælper med at opfriske overfladen, der udsættes for dampen, har en størrelsesorden højere varmeoverførselseffektivitet end den for filmmæssig kondensering på de hydrofile overflader (fig. 1B). Fremme af dråbevis kondens ved overflademodifikation har således været af stor interesse siden dens opdagelse. Imidlertid, den mangeårige udfordring for bedre kondensvandoverførselsydelse er at forbedre både dråbevækst og overfladeopfriskning. Sammenlignet med vandafvisende mikro/nanostrukturerede materialer til selvrensning, trækreduktion, anti-korrosion og anti-dugning, det er ekstremt udfordrende at skabe store superhydrofobe overflader på et stort område omkostningseffektivt på metaller med høj varmeledningsevne for at opfylde både væskemekanik og termiske krav.

Metalliske mikronetværk med vævede væskekanaler, såsom mikro-kobbermasker og mikroskum, er blevet bredt udnyttet i forskellige industrielle applikationer, herunder olie-vand-separation og katalysatorunderstøttelsesmedium på grund af deres lave omkostninger og gode skalerbarhed. Disse kobbermasker og skum er også blevet brugt til at forbedre væsketransporterende evne til høj varme-flux kogning og fordampning varmeoverførsel. Imidlertid, den systematiske undersøgelse af den grundlæggende mekanisme for dampkondensering på de vævede masker mangler stadig. Ronggui Yang og kolleger fra University of Colorado Boulder, Huazhong University of Science and Technology, Beijing Jiaotong University, og Dalian University of Technology, præsenteret en superhydrofobisk hierarkisk mesh-dækket (hi-mesh) overflade for at muliggøre kontinuerlig sugestrøm af flydende kondensat (fig. 1C), som opretholder forbedret kondensering varmeoverførsel ydeevne, under meget stor overfladeunderkøling. Dette arbejde, med titlen "Opretholdelse af forbedret kondens på hierarkiske mesh-dækkede overflader", blev offentliggjort i National Science Review .

I dette arbejde, kommercielt tilgængelige kobbervævede masker anvendes som udgangsmaterialer. De typiske strukturelle træk ved hi-mesh-overfladerne dannes ved at binde et vævet kobbernet på det almindelige kobbersubstrat (fig. 1D). Knivlignende kobberoxid-nanostrukturer med høj densitet dannes på alle de udsatte overflader af substratet og masketråde (fig. 1E), som tjener som kimdannelsessteder for dråbedannelse og vækst. Under dampkondensation, de kerneformede dråber på substratet vokser hurtigt og samler sig for at danne en tynd flydende film i de indbyrdes forbundne kanaler mellem substratet og det vævede netlag. Når små dråber, der vokser på masketrådene, smelter sammen med den tynde flydende film, de kan fjernes effektivt ved at blive trukket ind i flydende film, accelererende overflade forfriskende for dråbe re-nukleation og vækst på masketrådene. Med kontinuerlig dråbe-til-film-koalescens, sammenvævningskanalerne kan fyldes med flydende kondensat. Når den flydende film overvinder Laplace -trykket og vokser ud af det vævede netlag, den omgivende flydende film kan kontinuerligt trækkes ud i form af tyngdekraftdrevne faldende dråber, resulterer i hurtig forfriskning af overfladen (fig. 1F). Ved at koble den højtydende dråbevis kondens på masketråde og tynd flydende filmkondensation i sammenvævningskanalerne, sugestrømskondensationen udkonkurrerer både filmmæssigt og dråbevist kondensvandoverførselsydelse (fig. 1G).

Dette arbejde fremmer betydeligt området for forbedring af kondensvandoverførsel, herunder de skalerbare materialer, ny mekanisme til fjernelse af væsker, og hidtil uset varmeoverførselsforbedring. Især:(1) en superhydrofobisk hi-mesh overflade, der kan fremstilles skalerbart, fremstilles ved hjælp af billige kommercielle masker; (2) en ny mekanisme til fjernelse af sugestrømningsvæske er påvist at fremme både overfladeopfriskning og dråbevækst; (3) Enestående forbedring af kondensvarmeoverførsel demonstreres over en bred vifte af overfladeunderkøling, sammenlignet med topmoderne dråbevis kondens på andre mikro/nanostrukturerede overflader.

Demonstrationen af ​​opretholdelse af forbedret kondens på hi-mesh-overfladerne er ikke kun af grundlæggende videnskabelig betydning, afsløring af den nye sugestrømforbedrede væskefjernelse; det tackler også den mangeårige udfordring med at skubbe mikro/nanostrukturerede materialer ind i de praktiske applikationer. Bygger kløften mellem de vandafvisende overflader og højtydende faseændrende varmeoverførselsprocesser, sådanne billige hi-mesh-overflader er let tilgængelige til at blive anvendt i stor skala til en lang række energi- og vandapplikationer, herunder elproduktion, vandhøstning og afsaltning, aircondition, og termisk styring af elektronik.