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鑒于此，德克薩斯大學達拉斯分校戴賢明教授課題組介紹了一種以前未實現的方法，即使用微通道提升微膜（MEM）在頂部微膜上分離蒸汽和液體，通過底部微通道去除冷凝液體。汽液分離提供了大面積的冷凝而不會泛濫。因此，在不同的熱通量下實現了可持續的高傳熱系數（HTC）。作者發現，MEM可以在 1000 kW/m2 的熱通量下維持相分離而不會出現明顯故障。傳熱系數比疏水平面上的滴狀冷凝高300%。與之前依靠親水域的研究不同，這項工作僅使用疏水表面來實現相分離。相分離的冷凝在過冷度升高的情況下提供了可持續的高HTC，這顯示了為水和能源應用開發熱流體系統的范式。相關研究成果以題為“Microchannel-elevated micromembrane for sustainable phase-separation condensation”發表在《Joule》期刊上。

【MEM用于相分離的設計原理】

設計標準：（1）為了實現高HTC，必須將成核的液滴迅速從冷凝表面移走，以減少熱阻。此外，必須有一個大的有效表面積供液滴成核。(2)為了在過冷度增加的情況下保持高的HTC，必須避免在過冷度升高的情況下出現表面泛濫。為了滿足設計標準，將蒸汽和液體流動分開可以將蒸汽和液體之間的接觸降到最低。是一個非常有效的方式。因此，蒸汽可以直接在無液體的表面上冷凝，使傳熱性能最大化。

MEM的相分離冷凝設計：作者用銅網通過電鍍粘合在微通道上制造了MEM（圖1A-1C）。通過使用微通道作為MEM的基礎結構進行液體去除。然后作者研究了三種疏水表面的冷凝行為，即微通道（圖1D）、微膜（圖1E）和MEM（圖1F）。疏水微通道顯示，凝結的液體形成一個拉長的液柱，并沿著微通道移動（圖1G）。微通道的頂部不受限制，因此多個液柱在微通道壁上凝聚，并作為大液滴脫落。在疏水性的微膜上，成核的液滴在微膜的頂部生長和凝聚，形成大液滴，作為熱屏障（圖1H）。當將微通道與微膜結合起來形成疏水的MEM時，微膜上的小液滴被液柱迅速吸收到微通道中（圖1I），由于流動阻力小，可以自發脫落。微膜和微通道的結合提供了更大的成核區域和快速的冷凝物清除，這導致了MEM上可持續的相分離冷凝。

圖 1. MEM實現相分離冷凝的設計原理

【通過微通道中的液柱實現相分離冷凝】

為了闡明MEM上的相分離過程，作者研究了MEM上的冷凝物去除機制，MEM的微通道寬度為400μm，命名為MEM-400。由于液滴的成核、生長和聚結，液柱在微通道中形成。隨著每個液柱的生長并與疏水網狀物接觸，網狀膜上的凝聚液滴被清除，從而分離汽液兩相流動。此外，微通道的小流動阻力導致液柱的快速去除，而不會出現明顯的泛濫。MEM上的相分離冷凝可以迅速去除凝聚的液滴，刷新表面成核，導致較高的HTC（圖2A-F）。作為比較，作者研究了兩層疏水網的冷凝行為（圖2C-E）。疏水的兩層網涂在平坦的基底上也可以實現相分離，網面上有小液滴。然而，它只能在低過冷度（ΔT<4K）下維持。當過冷度增加時，表面就會出現水浸現象（圖2C和2E）。由于水的儲存和多孔結構的大釘子力，冷凝物在結構中形成了厚厚的液膜。最終，冷凝物從網狀結構的孔隙中膨脹出來，在網狀結構表面形成大的液滴，導致水浸（圖2D）。

圖 2. 設計MEM的微通道

【設計MEM的微通道】

作者表征了MEM在三個通道寬度（Wc）：200、400和800μm，分別命名為MEM-200、MEM-400和MEM-800（圖3A-3C）。在疏水性平坦表面上，脫落直徑為650μm。當0<W時，由于頂部疏水網和微通道側壁的約束，細長的液柱在微通道中形成c<650μm。特別是，流動阻力小至Wc>300μm。當Wc≥650μm，冷凝水在通道中以離散液滴的形式脫落。半覆蓋的MEM-200、MEM-400和MEM-800在5K過冷時的冷凝行為圖像如圖3D-F所示。作者實驗測量了MEM-200，MEM-400和MEM-800在不同過冷度下的HTC（圖3G，H）。計算表明較小的通道尺寸由于其較大的表面積，在低過冷時提供更大的增強，而較大的通道尺寸提供了從相分離冷凝到溢流的延遲過渡。為了擴大MEM，可以減小通道尺寸，而不會在低過冷時出現溢流。然而，較大的通道尺寸提供了從相分離冷凝到溢流的延遲過渡。

圖 3. 基于微通道寬度的MEM上的相分離、液滴和薄膜縮合模式

【用光滑的微通道加速MEM上的液體清除】

MEM的流動阻力可以通過改變微通道中的銷釘力來調節。為了增強MEM的縮合性能，作者通過氣相接枝在微通道上接枝了準液體涂層，以減少銷釘力。液滴在表面上的固定力以CA滯后（CAH）為特征。具有高CAH的表面提供更大的固定力，導致更大的液滴脫落直徑和緩慢的液滴去除，冷凝水在表面上積聚。這進一步導致更大的熱阻并阻礙冷凝傳熱。實驗結果表明CAH是進一步提高MEM傳熱性能和維持相分離的關鍵因素之一。QLS涂層在微通道表面上提供較低的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可以維持相分離冷凝的高HTC。因此，MEM可以實現可持續的高傳熱性能。

圖 4. 微通道中的滑膩涂層提供更高的性能和可持續性

【帶有兩層網格的MEM，進一步促進熱傳導】

作者研究了兩層網狀微膜（MEM-2L）在MEM上的傳熱性能，該微膜為成核提供了較大的表面積。使用具有相同線徑（50μm）和不同網間距的銅網。圖5A-5C顯示了三種不同的MEM，具有具有不同網格間距的兩層網格。結果表明（圖5D，E），從頂部到底部增加網格間距可以降低液滴穿過網孔的流動阻力并最大化HTC。MEM的最大HTC比疏水平坦表面上的滴落冷凝高300%，從而使蒸汽加熱系統的整體性能提高了13%，從而節省了能源和成本。

圖 5. 帶有兩層網格的MEM提供了更高的傳熱系數

【小結】

本文亮點：與逐滴冷凝相比，相分離促進傳熱300%；疏水性微膜分離蒸汽和液體流；光滑的微通道有助于快速去除液滴和可持續的相分離；在 1000 kW/m 的熱通量下保持高傳熱系數。