戴贤明最新《Joule》：用于可持续相分离冷凝的微通道升高的微膜

冷凝是水和能源系统中普遍存在的气液相变现象。传热系数是表征冷凝性能的关键参数，由于热通量升高时的部分溢流，传热系数通常随着过冷度的增加而降低。然而，蒸汽发电厂和制冷系统在大的过冷度下运行，导致由于溢流导致传热性能差。现有技术不能在高热流密度下实现高的换热性能，需要分离汽液流动以提供较大的冷凝表面积。

鉴于此，德克萨斯大学达拉斯分校戴贤明教授课题组介绍了一种以前未实现的方法，即使用微通道提升微膜（MEM）在顶部微膜上分离蒸汽和液体，通过底部微通道去除冷凝液体。汽液分离提供了大面积的冷凝而不会泛滥。因此，在不同的热通量下实现了可持续的高传热系数（HTC）。作者发现，MEM可以在 1000 kW/m2 的热通量下维持相分离而不会出现明显故障。传热系数比疏水平面上的滴状冷凝高300%。与之前依靠亲水域的研究不同，这项工作仅使用疏水表面来实现相分离。相分离的冷凝在过冷度升高的情况下提供了可持续的高HTC，这显示了为水和能源应用开发热流体系统的范式。相关研究成果以题为“Microchannel-elevated micromembrane for sustainable phase-separation condensation”发表在《Joule》期刊上。

【MEM用于相分离的设计原理】

设计标准：（1）为了实现高HTC，必须将成核的液滴迅速从冷凝表面移走，以减少热阻。此外，必须有一个大的有效表面积供液滴成核。(2)为了在过冷度增加的情况下保持高的HTC，必须避免在过冷度升高的情况下出现表面泛滥。为了满足设计标准，将蒸汽和液体流动分开可以将蒸汽和液体之间的接触降到最低。是一个非常有效的方式。因此，蒸汽可以直接在无液体的表面上冷凝，使传热性能最大化。

MEM的相分离冷凝设计：作者用铜网通过电镀粘合在微通道上制造了MEM（图1A-1C）。通过使用微通道作为MEM的基础结构进行液体去除。然后作者研究了三种疏水表面的冷凝行为，即微通道（图1D）、微膜（图1E）和MEM（图1F）。疏水微通道显示，凝结的液体形成一个拉长的液柱，并沿着微通道移动（图1G）。微通道的顶部不受限制，因此多个液柱在微通道壁上凝聚，并作为大液滴脱落。在疏水性的微膜上，成核的液滴在微膜的顶部生长和凝聚，形成大液滴，作为热屏障（图1H）。当将微通道与微膜结合起来形成疏水的MEM时，微膜上的小液滴被液柱迅速吸收到微通道中（图1I），由于流动阻力小，可以自发脱落。微膜和微通道的结合提供了更大的成核区域和快速的冷凝物清除，这导致了MEM上可持续的相分离冷凝。

图 1. MEM实现相分离冷凝的设计原理

【通过微通道中的液柱实现相分离冷凝】

为了阐明MEM上的相分离过程，作者研究了MEM上的冷凝物去除机制，MEM的微通道宽度为400μm，命名为MEM-400。由于液滴的成核、生长和聚结，液柱在微通道中形成。随着每个液柱的生长并与疏水网状物接触，网状膜上的凝聚液滴被清除，从而分离汽液两相流动。此外，微通道的小流动阻力导致液柱的快速去除，而不会出现明显的泛滥。MEM上的相分离冷凝可以迅速去除凝聚的液滴，刷新表面成核，导致较高的HTC（图2A-F）。作为比较，作者研究了两层疏水网的冷凝行为（图2C-E）。疏水的两层网涂在平坦的基底上也可以实现相分离，网面上有小液滴。然而，它只能在低过冷度（ΔT<4K）下维持。当过冷度增加时，表面就会出现水浸现象（图2C和2E）。由于水的储存和多孔结构的大钉子力，冷凝物在结构中形成了厚厚的液膜。最终，冷凝物从网状结构的孔隙中膨胀出来，在网状结构表面形成大的液滴，导致水浸（图2D）。

图 2. 设计MEM的微通道

【设计MEM的微通道】

作者表征了MEM在三个通道宽度（Wc）：200、400和800μm，分别命名为MEM-200、MEM-400和MEM-800（图3A-3C）。在疏水性平坦表面上，脱落直径为650μm。当0300μm。当Wc≥650μm，冷凝水在通道中以离散液滴的形式脱落。半覆盖的MEM-200、MEM-400和MEM-800在5K过冷时的冷凝行为图像如图3D-F所示。作者实验测量了MEM-200，MEM-400和MEM-800在不同过冷度下的HTC（图3G，H）。计算表明较小的通道尺寸由于其较大的表面积，在低过冷时提供更大的增强，而较大的通道尺寸提供了从相分离冷凝到溢流的延迟过渡。为了扩大MEM，可以减小通道尺寸，而不会在低过冷时出现溢流。然而，较大的通道尺寸提供了从相分离冷凝到溢流的延迟过渡。

图 3. 基于微通道宽度的MEM上的相分离、液滴和薄膜缩合模式

【用光滑的微通道加速MEM上的液体清除】

MEM的流动阻力可以通过改变微通道中的销钉力来调节。为了增强MEM的缩合性能，作者通过气相接枝在微通道上接枝了准液体涂层，以减少销钉力。液滴在表面上的固定力以CA滞后（CAH）为特征。具有高CAH的表面提供更大的固定力，导致更大的液滴脱落直径和缓慢的液滴去除，冷凝水在表面上积聚。这进一步导致更大的热阻并阻碍冷凝传热。实验结果表明CAH是进一步提高MEM传热性能和维持相分离的关键因素之一。QLS涂层在微通道表面上提供较低的CAH和比硅烷更高的HTC。QLS在蒸汽冷凝中具有良好的耐久性，MEM可以维持相分离冷凝的高HTC。因此，MEM可以实现可持续的高传热性能。

图 4. 微通道中的滑腻涂层提供更高的性能和可持续性

【带有两层网格的MEM，进一步促进热传导】

作者研究了两层网状微膜（MEM-2L）在MEM上的传热性能，该微膜为成核提供了较大的表面积。使用具有相同线径（50μm）和不同网间距的铜网。图5A-5C显示了三种不同的MEM，具有具有不同网格间距的两层网格。结果表明（图5D，E），从顶部到底部增加网格间距可以降低液滴穿过网孔的流动阻力并最大化HTC。MEM的最大HTC比疏水平坦表面上的滴落冷凝高300%，从而使蒸汽加热系统的整体性能提高了13%，从而节省了能源和成本。

图 5. 带有两层网格的MEM提供了更高的传热系数

【小结】

本文亮点：与逐滴冷凝相比，相分离促进传热300%；疏水性微膜分离蒸汽和液体流；光滑的微通道有助于快速去除液滴和可持续的相分离；在 1000 kW/m 的热通量下保持高传热系数。

【作者简介】

戴贤明，德克萨斯大学达拉斯分校机械工程系教授。2007年重庆大学热能与动力工程本科毕业，2009年华中科技大学热能工程毕业，随后在南卡罗莱纳大学进行博士学习，后在宾夕法尼亚州立大学做博士后。获得过JALA十大突破奖、第一届µFIP会议杰出早期职业奖、达拉斯大学琼森学院助理教授研究奖等诸多荣誉。研究领域包括传热、微流体、清洁能源、电子冷却、水的可持续性。

来源：高分子科学前沿

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