冷凝結(jié)露現(xiàn)象普遍存在于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中,結(jié)露形成的水膜不僅影響表面的熱交換效率,而且也會(huì)降低冷凝液滴的回收效果;為提高工業(yè)領(lǐng)域集水設(shè)備表面結(jié)露集水效率,受自然界中具備特殊非均勻潤(rùn)濕性表面的動(dòng)植物,如蜘蛛絲、仙人掌、沙漠甲蟲等啟發(fā),本文開展了仿生非均勻潤(rùn)濕性表面的研究。利用親水區(qū)液滴形核率高和超疏水區(qū)液滴離開表面運(yùn)動(dòng)速度快的特點(diǎn),提高了表面冷凝結(jié)露量,達(dá)到了強(qiáng)化表面滴狀冷凝結(jié)露集水的效果,并開展了非均勻潤(rùn)濕性表面在工程應(yīng)用方面的探索。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:利用光刻技術(shù)加工了四種不同尺寸和間隙的微米楔形硅柱陣列,首先涂覆納米二氧化硅超疏水涂料獲得超疏水涂層,然后將硅柱頂部涂層去除使硅基底裸露,而硅柱底部的超疏水涂層予以保留,獲得疏水-超疏水圖案化非均勻潤(rùn)濕性表面,所制備的表面接觸角在150°以上,滾動(dòng)角10°以下。經(jīng)冷凝試驗(yàn)測(cè)試表明,楔形尺寸小而間隙大的圖案表面液滴形核率高,直徑小于30μm的液滴接近90%,直徑大于50μm的液滴僅為3%;集水試驗(yàn)結(jié)果表明,圖案化表面冷凝液滴總質(zhì)量比單一的超疏水表面提高了10倍以上。對(duì)裸露的硅柱頂端進(jìn)行親水修飾獲得圖案化親水-超疏水表面,經(jīng)測(cè)試相同圖... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：103 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

冷凝結(jié)露的應(yīng)用(a)火力發(fā)電廠(b)海水淡化系統(tǒng)(c)沙漠集水裝置(d)太陽能蒸餾器

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文21.2冷凝結(jié)露現(xiàn)象1.2.1冷凝結(jié)露現(xiàn)象的影響冷凝和結(jié)露是自然界與生活中最常見的固體表面相變傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，當(dāng)固體表面溫度低于蒸汽的飽和溫度時(shí)，分散在空氣中的蒸汽分子與冷表面接觸時(shí)釋放能量形成液核，再通過吸收周圍的水蒸氣從而逐漸生長(zhǎng)為露滴。研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽分子在固體表面的冷凝形態(tài)主要取決于該表面的潤(rùn)濕性，冷凝形態(tài)通常分為膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種，如圖1.2所示。當(dāng)水蒸氣在親水表面冷凝時(shí)，液滴形核能壘低，水蒸氣容易形核并長(zhǎng)大，由于親水表面的表面能較大，液滴在表面粘附性大，難以脫附，液滴逐漸長(zhǎng)大連接形成液膜而完全潤(rùn)濕器壁表面，液膜愈積愈厚，多余的冷凝液就沿壁流下，即形成膜狀冷凝。發(fā)生膜狀冷凝時(shí)，由于壁面上始終覆蓋著一層液膜，空氣中的熱量傳遞主要是通過冷凝的液膜傳入冷表面，由于水的比熱容較大，比其它液體普遍較高，是熱的不良導(dǎo)體，致使冷凝表面和被冷凝蒸汽間的傳熱遇到了阻力，壁面和被冷凝蒸汽間的傳熱遇到了阻力，降低傳熱效率。當(dāng)水蒸氣在疏水表面冷凝時(shí)，水蒸氣一旦形核，由于該表面具有低的表面能，液滴在固體表面冷凝時(shí)能夠形成較大的接觸角，實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝過程。在此過程中，滴狀冷凝時(shí)的熱量傳遞途徑分為兩種，一種是在沒有液滴形成的區(qū)域，空氣中的熱量直接傳入冷表面，另一種是在液滴形成的區(qū)域，空氣中的熱量經(jīng)由冷凝的液滴傳入冷表面。由于滴狀冷凝比膜狀冷凝表面冷凝液滴少，在熱量傳遞時(shí)，傳熱遇到的阻力小，因此，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)很高，比常見的膜狀冷凝傳熱系數(shù)高幾十倍[8]。圖1.2固體表面冷凝液滴結(jié)露狀態(tài)目前，在滴狀冷凝的研究中，具有納米結(jié)構(gòu)或微-納米二級(jí)結(jié)構(gòu)的超疏水表面可以實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝過程[9]。液體與固體表面間的夾角θ值常被用來表示固體表面被浸潤(rùn)的

在制備的超疏水表面上存在部分親水點(diǎn)時(shí)，由于親水點(diǎn)表面能低，將會(huì)使滴狀冷凝時(shí)的成核率大大增加。并且在超疏水表面的作用下，液滴通過表面冷凝和合并的方式生長(zhǎng)到臨界尺寸時(shí)將會(huì)脫離原來位置。當(dāng)生長(zhǎng)或合并到某一臨界尺寸時(shí)，冷凝液滴不再滿足平衡條件，會(huì)脫離原先的位置而落下[12,13]�；诖酥苽溆械捅砻婺芗皟�(yōu)良的傳熱性能的特殊潤(rùn)濕性的功能性表面可以實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝，使表面冷凝露滴保持高結(jié)露效率和高效脫附，從而提高冷表面的熱交換效率。1.2.2自然生物的結(jié)露集水機(jī)制自然界中不乏具有特殊潤(rùn)濕性的功能性表面[13]（如圖1.3所示）。最初人們發(fā)現(xiàn)荷葉[14,15]的表面具有優(yōu)異的超疏水性能，通過研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面不僅有一層納米級(jí)蠟質(zhì)層，同時(shí)具有微觀的乳突結(jié)構(gòu)，荷葉表面特殊的潤(rùn)濕性就來源于這些微觀乳突結(jié)構(gòu)。之后又有研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶[16,17]、水黽[17,18]、蚊子[18]、白蟻等身體部位也有超疏水表面�；谔烊怀杷砻�，人們成功研究了各種人工超疏水表面，之后更是研究了一些具有高電導(dǎo)率、各向異性或雙疏（疏水疏油）等特殊功能的功能超疏水表面。圖1.3自然結(jié)構(gòu)超疏水表面[19]（a）水黽站在水面（b）水黽腿部多層微米尺寸的剛毛掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（c）剛毛上的納米溝槽比例尺：（b）20微米（c）200納米；（d）一只蝴蝶的示意圖（e）蝴蝶翅膀的橫向SEM圖像（f）蝴蝶翅膀的平面SEM圖像；（g）壁虎及腳趾（h）壁虎腳趾剛毛的SEM圖像（i）不同放大倍數(shù)下剛毛排列SEM圖像

【參考文獻(xiàn)】：
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