涂层表面润湿性的调控及其凝结特性和低温传热特性研究

It is current one of the urgent important subjects to solve or alleviate dew and frost behaviors on low temperature heat transfer surface in low temperature heat transfer and refrigeration fields. Its multidisciplinary key scientific problem is research difficulty. In this project, to explore the controllable mechanism of surface wettability by the material texture, the wettability of the superhydrophobic coating with condensation drops “merge-jumping” effect will be controlled by blending of superhydrophilic particles. Dewdrops motion, frost crystal growth and defrost migration models were structured by analyses of the dewing, frosting and defrosting characteristics on the various wettability coatings. Through exploration of the influence rule of low temperature heat transfer on the various wettability coatings, we reveal the synergetic relationship of wettability-condensation characteristic-low temperature heat transfer characteristics, build low temperature heat transfer model, and obtain low temperature heat transfer enhancement threshold which associated with characteristic parameters and dosage of superhydrophilic particles. The results can not only provide science basis and technical support for application of the various wettability coatings on low temperature heat transfer device, but also lay the foundation to advance the adhibition of nanotechnology in the heat transfer and refrigeration fields.

解决或缓解低温传热表面的结露和结霜问题是当前低温传热、制冷领域亟待开展的重点课题之一，其多科学交叉的关键科学问题是研究难点。本项目拟通过超亲水颗粒的掺合作用来调控具有冷凝露滴“合并弹跳”效应的超疏水涂层的润湿性，从材料织构探究涂层表面润湿性的调控机制；阐明不同润湿性涂层表面结露、结霜和融霜特性，建立表面的露滴运动模型、霜晶生长模型和融霜迁移模型；探究不同润湿性涂层表面低温传热的影响规律，揭示润湿性-凝结特性-低温传热特性的协同关系，建立不同润湿性涂层表面的低温传热模型，获得与超亲水颗粒的特征参数和掺量相关的低温传热增强阈值。项目的研究为可控润湿性表面在低温传热器件上的应用提供科学依据和技术支持，对推进纳米技术在传热、制冷领域的应用基础研究具有重要意义。

解决或缓解低温传热表面的结露和结霜问题是当前低温传热、制冷领域亟待开展的重点课题之一，其多科学交叉的关键科学问题是研究难点。本项目首先以二氧化硅纳米链为主要原料，通过溶胶凝胶法和氟化改性技术实现了具有“合并弹跳”效应的超疏水纳米涂料的批量生产，再利用旋转蒸发技术将具有冷凝露滴“合并弹跳”效应的二氧化硅超疏水纳米涂料制成超疏水纳米颗粒；通过质量控制掺合法，证实了亲水颗粒的掺量与表面润湿性呈正相关，表明通过亲水颗粒的掺合可实现对超疏水涂层的表面润湿性进行有序调控；通过建立不同润湿性对露滴形核的影响机制，阐述了通过亲水颗粒的引入，一方面可加快表面的露滴形核，同时也改善了表面形核露滴的均匀性；通过构建露滴生长机制，展示了均匀超疏水表面的露滴存在露滴生长偏差，存在较多的非等径露滴，当半径比过大时（如大于4），露滴合并后难以实现“合并弹跳”，而通过引入适量的亲水颗粒后，表面露滴生长偏差小、均匀性优异，非等径露滴减少，表面露滴弹跳几率高；通过冷凝传热模型计算了由水蒸气到循环液体间的传热系数，涂层表面的平均传热系数可高达112.9 W/m2/K，相比均匀涂层表面提高30%，其主要原因是涂层表面露滴迁移速率增，相变传热效率增加，但是随着亲水颗粒质量比例的进一步增加，涂层表面的露滴迁移速率开始降低，相变传热减少，传热系数降低；集水测试计算了涂层表面的集水效率，随着亲水颗粒质量比例的增加集水效率先增加后降低，集水效率最高可达到了均匀涂层表面的135.62%。本项目的研究为可控润湿性表面在低温传热器件上的应用提供科学依据和技术支持，对推进纳米技术在传热、制冷领域的应用基础研究具有重要意义。