蒸气冷凝传热强化研究进展
温荣福, 杜宾港, 杨思艳, 刘渊博, 李启迅, 程雅琦, 兰忠, 马学虎    
大连理工大学 化工学院, 辽宁省化工资源清洁利用重点实验室, 大连 116024
摘要:蒸气冷凝传热强化对于实现能源系统的高效化与集成化具有重要的科学意义,在众多工业过程中有广泛的应用,如电力能源、石油化工、电子工业、建筑节能、食品加工、海水淡化等领域。其中,利用界面结构调控凝液的形成、输运与移除是强化冷凝传热的重要手段和关键科学问题。近年来,随着微纳加工技术和新材料的快速发展,研究者开发了大量的功能结构表面,并发现了许多新的界面传递现象,从新视角拓展了蒸气冷凝传热机理和强化技术。该文从蒸气冷凝中气-液-固界面间热量传递的基本过程出发,首先介绍了冷凝传热的关键控制因素和强化原理,然后总结了近年来在界面调控方面强化冷凝传热的新策略和典型的代表性工作,最后讨论了强化传热表面在工业应用中面临的挑战和未来的发展方向。
关键词蒸气冷凝    强化传热    界面润湿    微纳结构    液滴和液膜    系统优化    
Advances in condensation heat transfer enhancement
WEN Rongfu, DU Bingang, YANG Siyan, LIU Yuanbo, LI Qixun, CHENG Yaqi, LAN Zhong, MA Xuehu    
Liaoning Key Laboratory of Clean Utilization of Chemical Resources, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
Abstract: Efficient condensation heat transfer is critical in high-efficiency, highly integrated conventional and emerging energy systems for power generation, chemical processing, electronics cooling, building energy systems, food processing, and water treatment and purification. The formation, transport, and removal of the liquid condensate by interfacial structures significantly enhances the condensation heat transfer. Recent advances in micro/nano-fabrication techniques and advanced materials have led to the rapid development of many functional structured surfaces, exciting improvements in interfacial transport, and better understanding of the underlying mechanisms. This review presents an overview of the basic heat and mass transfer processes from the hot vapor to the cold substrate to illustrate the condensation heat transfer enhancement principles. Some new strategies and important studies for enhancing condensation are then reviewed to illustrate the power of surface modification and system optimization. Finally, this review analyzes the challenges and perspective for advanced heat transfer surfaces in future industrial applications.
Key words: condensation    heat transfer enhancement    interfacial wetting    micro/nano-structures    droplets and liquid films    system optimization    

蒸气冷凝作为一种高效的相变传热技术在各种工业生产以及航空航天等领域广泛应用,相应的过程调控及强化一直是国内外学术研究的前沿,也成为该领域面临解决的关键科学问题之一[1-5]。冷凝过程可以在非常小的温差条件下释放大量相变潜热,成倍地增加换热表面的传热性能,提高整个系统的能量输运和转换效率,在电力能源、石油化工、电子工业、建筑节能、余热回收利用等领域均发挥着关键作用。同时,冷凝过程作为有效的分离和资源回收手段,也广泛应用于海水淡化、湿气回收、产品纯化、湿度控制等领域。因此,开发蒸气冷凝传热强化技术对于解决高热流散热、降低能源消耗以及实现能源系统的高效化与集成化具有重要意义,且对于微电子系统和大数据中心散热、发电能量转化、空间站热管理与水回收等技术领域也具有广阔的应用前景。

冷凝过程涉及多尺度界面演化与相间传递现象。从热质传递的角度,蒸气冷凝过程可以描述为蒸气分子迁移、在气液界面发生相变释放潜热、热量经凝液层传递到固体壁面[6]。对于目前能量系统中经常使用的工业材料,如铜、铝、不锈钢、硅等,蒸气在这些高表面能固体上通常发生膜状冷凝,即凝液在表面铺展形成连续液膜,并在重力作用下从表面移除。相对应的,蒸气在低表面能表面易发生滴状冷凝,即表面呈现疏水性,凝液在表面形成分散的小液滴,生长至脱落尺寸后移除。与膜状冷凝相比,滴状冷凝模式具有更复杂的界面现象和更高的传热性能,是近年来蒸气冷凝传热领域研究的聚焦点[1, 4-8]。这主要归因于滴状冷凝的过程特性:1) 液滴行为具有明显的周期性和动态特征,即液滴从核化、生长、合并到脱落,加快了表面凝液的更新,降低了从蒸气到换热表面的传递热阻,并且液滴动态行为会扰动气液界面,有利于蒸气分子向界面输运,特别是对于含不凝气的蒸气冷凝过程尤为重要;2) 液滴生长过程具有多尺度特征,即从初始核化的纳米尺度到脱离的毫米尺度,其中90%以上潜热是通过尺寸小于10 μm的小液滴传递;3) 处于不同阶段的冷凝液滴对表面物化性质有差异化需求,比如具有高表面能的亲水表面可以降低蒸气成核能垒促进液滴核化,而低表面能的疏水表面能降低表面黏附,有利于液滴脱落。因此,从冷凝过程特性出发,通过设计表面结构和化学改性来调控凝液行为是实现冷凝传热强化的关键。

随着微纳加工技术和新材料的快速发展,研究者设计开发了大量的功能结构表面用于调控凝液的润湿行为和动态特性[3, 9-16]。其中,发现了许多新界面传递现象,从新视角拓展了蒸气冷凝传热机理,也为研发新一代蒸气冷凝传热强化技术提供了基础。相关综述文章[1-4, 6, 17-18]从新材料结构以及界面润湿角度,对蒸气冷凝调控进行了总结。本文从蒸气冷凝中气-液-固之间热量传递的根本过程出发,首先介绍了冷凝传热的关键控制因素和强化机理,然后总结了近期在界面调控方面强化冷凝传热的新策略和典型代表性工作,最后讨论了强化传热表面在未来工业应用中面临的挑战和发展方向。

1 冷凝传热特性及控制机理

图 1所示,在冷凝过程中,蒸气分子在冷壁面附近首先形成团簇体,进而在壁面上发生核化形成凝液相;蒸气分子继续从气相主体向气液界面迁移并在凝液表面发生相变,释放出的大量潜热经凝液层(液滴或者液膜)传递给冷凝壁面,最终凝液从壁面移除,完成整个蒸气冷凝热量传递过程。随着各种微纳结构表面和涂层用来调控凝液的分布与移除,通常会在凝液层与基底之间存在一个微纳结构复合层。蒸气冷凝整体传热性能由各相及界面间的热量传递决定[19]。其中,蒸气冷凝中气-液-固相内及界面间传热过程由不同的控制因素影响,例如,蒸气相内的不凝性气体浓度以及蒸气压力和流速,凝液分布状态和动态行为,微纳复合层的固相分率、热导率以及结构尺度和形状等。下文将从蒸气冷凝的热量传递过程出发,探讨冷凝传热特性及其控制机理,主要包括蒸气相及气液界面热量传递、凝液层分布及传热特性、微纳结构复合层传热特性。

图 1 冷凝过程的热质传递特性及其关键控制因素

基于分子团簇理论,冷凝环境中蒸气分子在近壁相发生团聚,以分子团聚体的形式在冷凝表面沉积、徙动和融合,达到临界尺寸后团簇体持续长大,最终发生核化。如图 2a所示,对于纯蒸气冷凝,蒸气分子向气液界面运动,发生初始核化或者在液层表面冷凝,气相中蒸气分子不存在明显的浓度梯度[8, 20]。而对于含不凝性气体蒸气冷凝,不凝气分子伴随蒸气分子一同向气液界面运动,蒸气分子在气液界面发生凝结,而不凝气分子在气液界面积聚,形成一个高浓度不凝气层,并随着传热通量的提高而加剧,大大降低了气液界面传热效率[21-22]。特别说明的是,即使微量不凝气的存在也会导致气液界面热阻的显著增加,成为冷凝传热过程的控制因素。如图 2b所示,为了探究蒸气团簇体的形成机理,Lan等[23]基于Rayleigh散射原理,测量了冷凝过程中壁面附近团簇体的尺寸分布特征。结果表明,团簇体的尺寸和密度随着远离壁面分别降低和减少。基于团簇内部的氢键网络,Lan等[24]进一步利用衰减全反射Fourier红外光谱技术,实时测量了近壁面薄层内蒸气分子凝结过程中的动态行为。在纯蒸气冷凝中,气液界面热阻在冷凝总热阻中所占比例较小,但受蒸气压力的影响明显[25-26]。随着蒸气压力降低,气液界面热阻在总热阻中占的比例逐渐增加[27]。此外,在含不凝气蒸气冷凝中,不凝气分子会侵占固体表面上的部分核化点,减少有效核化点密度,减慢表面的初始核化速率[28]。近期相关研究通过构建凸起表面结构来穿透不凝气聚集层,缩短蒸气分子从气相主体到表面的传输距离,促进了蒸气分子在结构顶部核化生长[22, 29]。另一方面,利用凝液的动态行为增加不凝气传质边界层的扰动也是改善蒸气分子扩散的有效手段[30-32]

图 2 冷凝过程中气液界面间的热质传递特征

表面润湿性直接决定了冷凝过程中凝液的分布状态及凝液层内的传热特性。其中,平衡接触角判据和界面自由能差判据,从不同角度对冷凝模式进行了预测[8, 33-34]。膜状冷凝和滴状冷凝是两种基本的冷凝模式,凝液层的热阻主要呈现为连续液膜和分散液滴的传递热阻,如图 3a所示。基于膜状冷凝传热理论[35],Nusselt模型通过稳态下凝液流量释放的相变潜热与穿过液膜传热速率之间的热平衡,可以求得膜状冷凝传热速率,是目前工业换热器设计的基础。对于竖直壁面上的膜状冷凝,沿重力方向液膜厚度增加,凝液层热阻占主导[36]。在水平管膜状冷凝中,凝液膜在管壁的分布和液膜表面波动及涟漪特征是影响传热效率的主要因素[37],如图 3b所示,在气速剪切作用下,底部液膜滞留区面积减小,且存在明显的液膜波动。对于滴状冷凝,分散在固体壁面上不同尺寸的液滴表面为蒸气冷凝提供了场所,如图 3c所示。单液滴传热、液滴尺寸分布及脱落规律的理论分析和实验研究是探求滴状冷凝传热机理的主要途径[19, 38-42]。通过表面结构和润湿性调控[43-47],可以优化液滴形态和尺寸分布及演化,提高滴状冷凝的传热性能。当冷凝壁面同时存在液膜和液滴时,即滴膜混合冷凝模式,液滴与液膜的相互作用会显著改变整个凝液层的分布状态[48],如液滴的移除尺寸和液膜的厚度等。在具有不同润湿性的组合表面上,亲水/超亲水区域内形成的液膜可以抽吸疏水/超疏水区域内的液滴,降低疏水/超疏水区域内液滴的移除尺寸[49-50],如图 3d3e所示。

图 3 凝液层形态及分布特征对传热的影响

近年来,人们开发了大量的微纳结构表面用于调控凝液形态、输运与移除。其中,液滴弹跳、液滴润滑和定向迁移等界面现象为滴状冷凝传热强化带来了新机遇。通常基于聚合物涂层的微纳结构表面具有良好的疏水性能,可以实现滴状冷凝,甚至液滴弹跳冷凝。然而,如图 4a4b所示,有机聚合物材料热导率一般低于1 W/(m·K) [51-53],而无机非金属和金属及其氧化物材料具有较高的热导率(10~102 W/(m·K)),更广泛地应用于能源应用系统。如图 4c-4h所示,其中包括硅纳米锥[54]、硅纳米线[55]、纳米金属氧化物[54-56]、金纳米线[57]、碳纳米管[58]、石墨烯纳米片[59]和石墨烯纤维[59]等。然而,这些材料通常具有高表面能,基于这些材料构建的微纳结构具有良好的液体润湿性,在液体蒸发和沸腾中具有重要的应用[55]。因此,需要低表面能涂层修饰完成从超亲水到超疏水的转变,这也是目前超疏水表面制备的重要手段[56]。此外,金等贵金属材料可以直接展现疏水性,且具有高的导热系数,是非常理想的强化冷凝传热的基底材料[57]。然而,贵金属的高成本大大地限制了其应用场景。相对而言,新开发的石墨烯等高导热材料通过调控制备工艺,可以形成丰富的结构形态[58-59]。同时,此类材料具备高的热导率,能够有效地降低微纳结构复合层的附加热阻。

图 4 用于冷凝传热的各种微纳结构材料的导热性能

在微纳结构上实现滴状冷凝大多是以化学改性涂层或浸油涂层为基础,通过单分子自组装、化学气相沉积和物理吸附等制备工艺来完成。这主要是考虑到滴状冷凝传热对疏水涂层的热导率和厚度很敏感,即使微米级有机物涂层的附加热阻就会将滴状冷凝本身的优势抵消[6]。如何同时实现疏水涂层的低热阻和耐久性仍存在着巨大挑战[18, 60-63]。目前用于滴状冷凝的疏水涂层主要包括单分子涂层[60, 64]、高分子聚合物[61]、离子注入涂层[65]、稀土氧化物[66]、石墨烯[62]、浸油表面[67]等。综合考虑材料成本、工艺复杂程度、实际应用环境等因素,高分子聚合物是实现滴状冷凝传热最有潜力的材料之一。

目前, 主要的涂层导热改性方式包括:聚合物本征改性、掺杂高导热填料和预制高导热网络。其中,本征聚合物改性是在材料合成加工过程中,通过改变材料分子和链节结构来优化结构,增大分子自由度,提升聚合物导热性能[68]。然而,受限于聚合物材料本身的分子结构,本征改性工艺对热导率的提高非常有限,而且制备工艺复杂、难度大。此外,可以在聚合物内掺杂高导热材料来提高有效热导率。其中,分散填料的种类、大小、填充量、形状、取向对聚合物热导率具有明显的影响。通过在基底上构建结构可控的低填量高导热网络,可以在涂层内部建立有效的导热通道,从而大幅度地提高涂层导热系数[69]

微纳结构表面上冷凝液滴的润湿状态直接影响液滴与壁面间的传热阻力,如图 5a所示。相比处于完全浸润模式的Wenzel液滴,悬于结构上的Cassie液滴具有更低表面黏附和更高动态特性,显著减小了液滴脱离尺寸。而Cassie态液滴底部的空气层会降低单液滴传热速率和生长速度。因此,调控冷凝液滴在Wenzel态与Cassie态之间转换对于实现高效冷凝传热十分关键。已有研究者分析了振动[70-71]、重力[72]、电润湿[73]、液滴撞击[74-75]等不同条件引起液滴润湿模式转变的机理。在超疏水表面上,如图 5b所示,Cassie态到Wenzel态转变过程需要经历一个中间的复合润湿状态[76-77],跨越转变能垒W2。此外,从Wenzel态到复合润湿状态的能垒W1远大于W2,故一旦液滴发生Wenzel润湿态转换,很难恢复为Cassie态。Wen等[78]系统地研究了冷凝条件和表面结构对初始液滴润湿模式的影响,揭示了纳米结构对液滴核化及润湿铺展的空间限制效应。如图 5c所示,随着核化液滴尺寸减小,纳米结构对液滴的空间限制效应降低。随着表面过冷度增加,微液滴润湿模式表现为由悬挂的Cassie态转变为浸润的Wenzel态;冷凝液滴表现为由弹跳转变为液滴钉扎。相比单一纳米结构的超疏水表面,具有微纳双重结构的表面更容易维持Cassie态液滴[12, 79-80]

图 5 微纳结构内液滴润湿形态及其对传递热阻的影响

2 界面调控新策略及传热性能强化 2.1 滴状冷凝强化:液滴弹跳和液滴减阻

在超疏水表面上,当液滴合并所释放的表面自由能足以克服表面黏附功时,合并液滴会自发弹离表面[81]。目前实验中观测到的冷凝弹跳液滴的最小直径约为500 nm[82]。液滴弹跳极大地降低了脱离尺寸,有效促进冷凝表面的更新。

基于冷凝润湿模式转变机理,众多研究者开发了紧密排列的纳米结构来防止超疏水表面在冷凝环境中的失效[10, 13]。Wen等[10]制备了紧密排列的Cu纳米线结构,实现了较大过冷度下的冷凝液滴弹跳。如图 6a所示,紧密的纳米线结构可减轻蒸气在纳米线之间核化,降低了核化引起的冷凝液滴与纳米结构之间的黏附,使得冷凝液滴在较高过冷度下以弹跳的形式脱离表面。在二维纳米线的基础上,Wen等[83]又进一步优化制备了三维纳米线结构,如图 6b所示,通过在纳米线侧壁构建突起结构,进一步拓宽了弹跳冷凝的操作范围。Seo等[84]也研究了纳米结构致密程度和疏水涂层均一性对冷凝液滴的动态特性的影响,如图 6c所示。结果表明,纳米结构抗淹没冷凝的能力受核化密度、结构致密度、纳米级疏水层的均一性的共同影响。随着核化密度的减小、结构致密度增大和疏水层均一性的增强,纳米超疏水表面的抗淹没冷凝能力增强。具有结构曲率梯度的表面[52, 79, 85-88],如图 6d所示,当冷凝液滴生长于V形结构内,在Laplace压力作用下,液滴发生由底部到顶部的自驱运动,减小了液滴和壁面结构之间的黏附面积,进一步改善合并引发的液滴弹跳。He等[85]在铝结构上构建了由多层纳米片结构堆积而成的塔状微纳二级结构超疏水表面,多层塔状结构与液滴之间相较于圆锥状结构具有更低的黏附力,如图 6e所示。此外,上窄下宽的受限空间结构可以导致液滴在生长中不断形变,产生过剩的表面势能驱动液滴运动[89-91]。Sharma等[89]在铝表面上制备了具有不规则微腔的微纳米二级结构超疏水表面,微腔中的小液滴具有更高生长速率,可达顶部液滴生长速率的4倍,且微腔中的液滴可通过与外液滴的合并从微腔中脱离。

图 6 微纳结构强化液滴弹跳冷凝

此外,受到猪笼草的启发,有学者提出将润滑液体注入微纳米结构来增强液滴的运动能力,减小液滴脱落尺寸[38, 93],如图 7a所示。Anand等[94]制备了BMIm浸油表面,如图 7b所示,由于油层在液滴底部的润滑作用,液滴表现出低接触角滞后和较高移动性,而超疏水表面上的冷凝液滴钉扎效应明显,大液滴不易移动和移除。结果表明,浸油表面的冷凝液滴运动速度量级约为102~105 μm/s,且随着液滴尺寸增大,液滴的运动速度增加,如图 7c所示,大大减小了液滴脱落尺寸和凝液热阻。然而,油膜的引入导致额外的热阻,且油层的稳定性较差。在冷凝过程中,液滴外侧包裹的油膜会随液滴脱落而被带走,造成油膜层损失,如图 7d所示,目前浸油表面在实际冷凝强化中的应用仍面临巨大的挑战[95]

图 7 浸油表面液滴润滑及其对动态行为的影响

2.2 膜状冷凝强化:毛细薄液膜

光滑壁面上的冷凝液膜具有自由气-液界面,其厚度通常为亚毫米级,具体与冷凝表面在重力方向的有效长度以及放置方位有关。由于冷凝水的热导率较低,液膜占据了传热热阻的主要部分。因此,增强膜状冷凝传热的关键是最大程度减薄液膜厚度[7]

图 8a所示,近年来相关学者研究设计制备了结构表面以限制液膜在厚度方向的生长,减薄液膜厚度。Ölçeroǧlu等[96]设计了具有疏水柱顶的亲水性微柱阵列来限制液膜的纵向生长,如图 8b所示。在该亲疏水圆柱阵列表面冷凝的过程中,蒸气首先在亲水区域冷凝,并逐渐充满柱阵列,实现了厚度较小的薄膜冷凝,但由于该表面无法实现有效的凝液迁移,随着冷凝过程不断的进行,液膜厚度增加会导致凝液溢出。此外,利用高导热的毛细结构,将液膜限制于结构内部,也可以控制液膜厚度,并增加液膜和毛细结构组成的复合层的有效导热系数,从而实现冷凝传热强化。如图 8c所示,Preston等[97]在铜表面制备了一层毫米级毛细芯层,将冷凝液膜限制于毛细芯层内部,并在重力作用下实现毛细芯内凝液的移除。相对于传统膜状冷凝模式,该毛细液膜冷凝方式可以提高凝液层的导热能力,并且同样适用于低表面能工质的冷凝传热强化。Oh等[98]通过在亲水多孔结构顶部制备疏水层,利用非对称界面张力将液膜限制在亲水多孔结构内部,有效改善了冷凝液溢流的现象,如图 8c所示。然而,该设计仅适用于较低的表面过冷度和冷凝传热通量的条件下,随着冷凝热通量提高,凝液溢流的现象仍然会发生。

图 8 毛细液膜减薄凝液层强化膜状冷凝

2.3 滴-膜冷凝强化:液滴抽吸与自迁移

受大自然的启发,研究者们开始聚焦同时兼具不同润湿性的组合表面,调控冷凝过程中的核化、润湿和液滴动态特性。对于二维润湿组合表面,当疏水区液滴生长至与亲水区接触时,液滴被抽吸至液膜中,通过改变疏水区和亲水区宽度,可调控疏水区最大液滴尺寸。如图 9a所示,相对于疏水表面液滴脱落尺寸,亲疏水组合表面的液滴尺寸大大减小。Hou等[99]在纳米槽超疏水表面上构建了具有亲水顶的微柱,实现了减小液滴脱落尺寸的同时改善了液滴核化和液滴生长速率。对于三维润湿组合沟槽表面,沟槽底部亲水顶部疏水,导致沟槽内形成连续液膜,而顶部形成的液滴可在液膜的连通作用下实现长程合并,减小大液滴残留,加速表面更新。Bintein等[100]构建了亚毫米尺度的沟槽结构,沟槽底部为亲水的二氧化硅,沟槽侧壁为疏水的环氧树脂。如图 9b所示,冷凝过程中,沟槽内逐渐充满冷凝水,沟槽顶部逐渐生长出液滴,在沟槽内凝液的连接作用下,顶部液滴实现了长程合并。如图 9c所示,长程液滴合并加速了大液滴的生长和脱落,减少了表面上凝液的残留。此外,Wen等[11]通过在铜基表面上热压一层超疏水铜网结构,在冷凝过程中,铜网与基底之间的互连通道形成一层薄液膜,如图 9d所示。随着冷凝通量的增加,凝液会从网孔中溢出以脱落液滴的形式在重力作用下被移除,保证了凝液层的不断更新。即使在高表面过冷度和高冷凝通量时,网孔结构也会对凝液的排除自适应,实现了基于液滴抽吸的稳定薄液膜冷凝传热。相比光滑疏水表面的普通滴状冷凝,润湿性组合沟槽表面以及铜网表面上的滴膜共存冷凝模式可将传热性能分别提高23%、100%和70%。

图 9 液滴定向迁移强化滴-膜混合冷凝

2.4 冷凝传热性能强化

图 10a总结了不同压力纯水蒸气的冷凝传热性能,滴状冷凝传热性能明显优于膜状冷凝。这主要是由于液滴的生长过程伴随着移动、合并和脱落等动态过程,不断地冲刷更新冷凝表面,显著强化传热能力。此外,超疏水表面上纯蒸气只有在低压或低过冷度条件下才能发生稳定的液滴弹跳,当过冷度增大时,液滴临界核化半径变小,凝液更容易进入微纳结构内部,导致冷凝模式从滴状转变为膜状冷凝[101]。滴状冷凝传热性能随着压力降低减小,这是由于压力降低,液滴生长速率减缓,生长周期延长,液滴更新频率降低。尤其是当纯蒸气压力降低至几千帕时,冷凝温度大大降低,减弱了液滴运动能力,表现为接触线移动变慢,液滴滞后明显,相比常压和高压,低压蒸气滴状冷凝传热性能明显下降[102]。Wen等[83]制备的三维铜纳米线网络具有致密、高长径比的特点,有效地控制了液滴核化,在60 kPa蒸气条件下,过冷度在28 K时仍能保持高效液滴弹跳冷凝。目前,如何实现在常压甚至高压下高效的纯蒸气液滴弹跳冷凝仍是一个亟待解决的问题。

图 10 冷凝传热性能强化

图 10b比较了不凝性气体含量对冷凝传热的影响。结果表明,冷凝热通量随空气含量的增加而减小。当冷凝环境中存在1%的不凝气时,传热通量降低大约50%[31]。对于含不凝气蒸气冷凝过程,在冷凝开始后, 不凝气在冷凝表面附近迅速聚集, 阻碍冷凝过程的热质传递[101]。与此同时,不凝气含量的增加有助于增强液滴动态特性,更容易发生弹跳脱离[102]。Zhou等[31]的实验结果表明,当不凝气含量为0.5%~5%时,蒸气滴状传热比膜状凝结换热系数可提高30%~80%。图 10c对比了Torresin等[103]和Sharma等[88]实验测量的饱和蒸气的温度为110 ℃时,不同气速对亲水(HP)、疏水(HS)、超疏水(SHS)表面冷凝传热的影响。结果表明,对超疏水表面而言,气速越大,传热通量越大。这是因为气速增加能加速表面液滴移除,增加表面的更新频率,并减小表面上液滴的平均尺寸,表面的传热性能得以增强。而对于亲水表面和普通疏水表面而言,气速对传热影响较小。除水蒸气之外,许多低表面能工质,如碳氢化合物、制冷剂和氟化制冷剂等,在能源系统中也有广泛的应用。这些冷凝工质对传热影响十分明显,如图 10d所示。通过表面改性实现低表面能流体的滴状冷凝模式仍然是目前阶段冷凝传热强化的主要手段。Rykaczewski等[104]的研究表明,在相同的表面上,不同的冷凝工质的传热性能差异较大;滴状冷凝可以显著增加低表面工质的传热效率。Khalil等[60]的研究结果表明,通过调整表面沉积的iCVD薄膜来使低表面能冷凝工质冷凝后的接触角滞后减小并加速液滴的脱落,也能实现滴状冷凝,3种低表面能冷凝工质(15~25 mN/m)的滴状冷凝传热系数比膜状冷凝提高了4~8倍,传热通量在10~21.5 kW/m2之间。

3 工业化应用中的关键问题

对于实际工业系统,例如冷凝换热器等,实现冷凝表面层面的传热强化是基础。而如何将强化表面真正耦合到换热装备中并发挥出高性能仍存在着诸多的挑战。从强化表面到换热设备的放大过程需要多层面的技术突破和整合优化。例如,强化表面的耐久性和制备成本要能够满足复杂的工业操作条件和大规模的加工制造,换热管的设计要综合考虑管内外流体状态、传递热阻以及管材的选择,换热器的设计要充分分析内部流体流场和换热管排布及换热元件的布置等。下文将从强化换热表面、换热管设计、换热装备的设计优化3个层面,分别探讨蒸气冷凝传热技术从基础强化到工业应用中需要解决的主要问题和存在的挑战。

3.1 耐久性强化换热表面

对于滴状冷凝技术,目前使用的金属材料需要额外的低表面能涂层才能实现。因此,换热管寿命的限制因素就从基底材料本身的寿命转变为涂层寿命以及和基底的结合力。强化换热涂层的寿命一直是滴状冷凝推向工业应用的主要制约因素,较厚的涂层虽然可以保证涂层的耐久性,但是其较大的热阻成为了障碍,而较薄的涂层在长期的冷凝环境中会发生失效,造成传热恶化。许多研究报道过高聚物涂层在滴状冷凝过程中发生“鼓泡”现象[107-108],这是由于在冷凝环境中,凝液在涂层下发生聚集,并逐渐地长大形成鼓泡,最终造成涂层脱落。

最新的研究发现,涂层上存在纳米级针孔,在冷凝过程中,水蒸气通过纳米级针孔在基底上核化生长,并形成三相接触线钉扎。如图 11a所示,在针孔处产生的较大的毛细压力,导致涂层剥离[109]。通过接枝聚合物到基底的方法可以增加涂层与基底的结合力,如图 11b所示,实现稳定的滴状冷凝[64],但仍需要更系统的冷凝测试来验证该疏水涂层的长效性,如冷热交替测试、蒸气冲刷测试等。为了定量地描述疏水涂层的耐久性,相关研究基于涂层鼓泡失效的物理机制,建立了涂层附着力G、Young’s模量E、厚度h和针孔几何形状与鼓泡的关联,为耐久性疏水涂层的设计提供了参考。如图 11c所示,对于厚度为100 nm的有机膜,当G为0.1~1 J/m2E为10~100 GPa时,可阻止涂层鼓泡的发生。

图 11 耐久性涂层的表征与制备

3.2 强化换热管的开发

换热管是从强化表面到实际应用的载体。在热量传递过程中,蒸气在换热管一侧冷凝释放热量,并经过换热管壁将热量传递给管另一测的工质。该过程需要克服的传热阻力主要包括:管外冷凝热阻、涂层导热热阻、管壁导热热阻和管内对流热阻。为了实现总体换热效率的提高,需要综合考虑各部分热阻对换热管总热阻的影响。Webb等[110]的研究表明,在换热管上形成特殊形状的延伸表面在增加换热面积的同时也提高了换热效率,如水平翅片管、波纹管等,其中“微翅片”管由紧密间隔的三角形翅片组成,对增强滴状冷凝的换热效率非常重要。管外冷凝换热系数的提高可以显著改善换热管的总传热系数,特别是在冷凝传热系数强化低于5倍的情况下。然而,总传热系数的提高与管外传热系数的强化并非是线性的,而是随着管外冷凝换热系数的提高,管壁热阻和管内传热系数逐渐成为控制热阻。具体表现为,当管外冷凝系数强化5倍左右时,总传热系数的强化效果基本保持不变[111]。此外,不同管材导热系数、管壁厚度及壁面粗糙度等因素对总体换热系数也有重要的影响[112-114]。对于航空航天、潜艇动力系统以及高功率电子设备的换热系统,设备集成度高,要求在很有限的空间内实现高效传热。铜和铝的热导率较高,与耐久性疏水涂层的结合实现高效的滴状冷凝传热具有很大的市场应用潜力。从强化传热的角度,相比不锈钢和碳钢等低导热系数的金属材料,铜和铝作为换热管材料可以显著降低管壁的导热热阻,在较小的温差下传递更多的热量,换热管总体传热系数增加。与此同时,在电厂、海水淡化等大规模工业应用系统中,不锈钢和钛材等特种钢材也被用来加工换热管,一方面可以提高换热管的耐腐蚀性,另一方面利用表面结构设计提高换热系数。当管内采用冷却工质的对流换热方式时,提高冷却工质流速增加对流换热系数是常见的方式之一。随着管内冷却工质的Reynolds数由10 000增加到20 000,管内侧对流换热系数迅速增加,相应的热阻降低50%,管外冷凝传递热阻成为控制热阻[115]。此外,在换热管对流侧增加翅片或者采用相变换热方式,也可以显著改善冷却能力,从而充分挖掘冷凝传热强化对换热管整体带来的效率提升。

3.3 装备系统的设计优化

由强化换热管组成的滴状冷凝换热器中,其传热过程非常复杂。要实现整体设备的换热强化,需要综合考虑换热设备中流体的温度、流速以及压降等因素[110]。考虑到蒸气的抽吸效应,与单相流换热器相比,冷凝器中蒸气流动出现死区的概率更低。然而,随着对冷凝器内蒸气流动规律和换热机理认识的深入[117-118],发现蒸气流场对冷凝液的冲刷有重要影响,故对壳层侧蒸气流场的调控和优化非常必要,特别是对于一些大型冷凝器、低压蒸气和含不凝气等工况。对于低压蒸气工况或大型冷凝器而言,壳层入口处和出口处蒸气压力、流量、温度存在巨大差异,且蒸气流动方向与凝液脱落方向很难协同,导致冷凝器后段性能低下,利用折流板优化壳侧蒸气流场是实现冷凝器整体性能提升的重要手段。此外,大型工业冷凝器中冷凝过程往往存在一定量的不凝性气体,不论是工质中解吸出来的还是设备泄漏,不凝气体无法实现完全移除。随着冷凝过程进行,不凝性气体会在局部造成累积,容易导致壳侧出现传热死区,造成冷凝器传热性能的急剧降低,因此,通过对换热器内部流场调控来匹配滴状冷凝强化技术是实现新型换热器强化的可行方案,而各类折流板形式的引入是为了实现壳侧蒸气流场与冷凝液冲刷效应的调控,为新型冷凝器设计提供思路。

图 12a所示,基于换热器内部流场的模拟分析,通过螺旋式折流板[119-120]、花状折流板[121-122]、三叶孔式折流板[123]等来调控换热器内部流场,可以改善蒸气与换热管以及凝液去除的相互作用,避免出现流动死区,并增加蒸气对冷凝液的冲刷效应。同时,实用的强化换热技术必须在提升换热设备传热效率的情况下满足所需的流速与压降条件[110]。通过优化换热管的排列方式及管间距,可以有效提升换热性能并改善压降损失[124-125],如图 12b所示。而凝液淹没造成冷凝传热过程恶化[126],具体来说,由于管排的空间效应,当冷凝不断进行,上排管的凝液在重力的作用下向下流动,随着凝液的聚集造成下排管淹没从而引起传热恶化[127-129],如图 12c所示。此外,利用速度场与温度梯度方向的协同,可以改善换热器内温差均一,达到换热器内传热强化的目的[130-131]。因此,在整个换热设备的设计过程中,需要综合考虑流场分布、管排列、管排效应等多方面因素。从冷凝表面到换热管,再到换热设备的放大过程仍存在众多关键技术问题需要解决。

图 12 工业应用换热装备的整体设计

4 结论与展望

微纳加工技术的快速发展和新材料的不断涌现正在为蒸气冷凝传热强化提供着巨大的机遇。利用微纳结构表面来强化蒸气冷凝过程的研究,不仅发现了许多新的微观界面现象和液滴及液膜动态行为,如液滴的自发合并弹跳、液滴的滑动减阻、液膜的毛细抽吸等过程,而且在宏观蒸气冷凝传热性能方面,在一定程度上也得到了提升,为能源系统效率的提高奠定了基础。与此同时,从强化传热机理到系统应用等各个层面也存在着许多关键问题需要解决。

在冷凝传热模式方面,基于超疏水表面滴状冷凝模式的强化传热面临着诸多挑战,其中包括微纳结构内气垫层引入的附加热阻、液滴高表观接触角带来的固液有效接触传热面积的降低、以及低表面能疏水涂层引起的蒸气成核能垒增加等。解决以上问题,还需要从蒸气冷凝过程的特征出发,充分认识各子过程中液滴行为对总体传热的影响机理,针对特定冷凝环境,设计并优化表面结构来实现表面整体传热的最大化。与此同时,薄液膜的低热阻和互连特性,已经开始在蒸气冷凝强化领域被认识和探索。目前,相关的初步研究已经发现了一些毛细液膜的凝液迁移特征和界面演化现象,但是仍然无法解决液膜输运与液膜导热对表面结构需求的矛盾,比如,增加毛细结构厚度可以提供更多凝液流动通道而液膜导热需要减薄毛细结构厚度。此外,对于薄液膜冷凝传热,尚缺乏从蒸气流动、液膜导热到凝液移除的整体表面结构调控策略,特别是如何防止高冷凝通量时出现的凝液溢出毛细结构引起液膜增厚的现象。因此,开发更高效的蒸气冷凝传热模式,是未来拓展和创新蒸气冷凝过程强化理论的关键。

在冷凝工质及冷凝条件方面,目前关于液滴动态行为的研究大多是基于含不凝气蒸气的冷凝过程。尽管微纳结构在不凝气的环境中表现出了新的界面现象和液滴动态行为,但由于不凝气层的阻碍作用,对于冷凝传热性能的提升还非常有限,甚至低于普通表面上的纯蒸气冷凝的换热效率。这仍然无法满足高热通量和低温差换热系统的需求,比如高功率电子器件散热和动力系统的能量转化。因此,在纯蒸气条件下,如何利用微纳结构来突破目前滴状冷凝的传热性能仍然值得期待。此外,对于低表面能工质,目前能实现稳定滴状冷凝传热模式还十分困难。考虑到低表面能工质本身较低的热导率和相变潜热,与水蒸气相比,存在更大传热强化的空间和潜力。

在强化传热表面的工业应用方面,开发低成本、低热阻、耐久性良好的疏水涂层是整体系统强化的基础。随着疏水涂层在冷凝环境中失效机理的进一步明确和涂层构建准则的提出,结合新材料和新工艺有望精确地控制涂层的厚度、致密性、热导率等关键参数,来满足稳定高效的滴状冷凝传热对涂层性能的要求。此外,换热管的设计要综合考虑整体热阻与各局部热阻的关系,通过改善控制环节,实现强化传热表面效果的最大化。在此基础上,充分利用数值模拟等工具,通过优化内部气液两相流场和换热管排布,提高换热装备的整体性能,实现从基础研究成果到工业应用的转化。

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