高效的冷凝换热技术对于提高各类型传热装置中的节能效率是不可或缺的。研究表明，传热装置的热工水力性能会受到其表面特性的显著影响。传统的热交换器通常由亲水的金属材料制成。因此，在除湿或冷却换热的过程中，低温的亲水金属传热表面会使空气中的湿气在与整个表面接触的时候冷凝，并在整个表面上形成液膜。冷凝液体会不断积聚在亲水金属表面上形成难以除去的液膜，并导致空气与冷凝表面之间的热阻增大，急剧降低热交换器在连续工作运行中的能源效率。
为了解决这个问题，现有的技术方案是将传热表面制作成为不被水润湿的疏水表面，以实现水汽在表面上形成珠状凝结而不是膜状凝结。在用疏水性材料改变换热器表面润湿特性后，冷凝水将会形成液滴，当达到临界液滴尺寸时，液滴可容易地从表面滚落。
其他一些相关技术已经报道了能够将亲、疏水材料润湿特性进行结合的热交换表面，用以提高冷凝速率和水收集的整体效率。例如，chaudhury等人开发了一种具有中心疏水、四周亲水特性的功能表面。通过在加工过程中控制硅烷蒸汽扩散的速率，在表面上形成了由中心向外、呈梯度分布的化学涂层1。通过由此产生的表面能梯度以及在液滴融合过程中所释放的能量，来推动小液滴自发地离开表面。与相同环境条件下的普通表面相比，这种具有疏水梯度的表面上将液滴的移动速度提高了两个数量级。与膜状凝结相比，使用该表面的热交换器的传热系数可以提高至少3倍以上。
使用和上述所描述的技术相类似的其他相关技术的设备(参见参考文献2-4)，仍然存在一些缺点。首先，由于需要在单一表面上产生非均相化学成分，因此加工制造混合亲水、疏水二元表面的过程很复杂。其次，二元表面结构的设计参数，例如结构形态，长度尺寸和润湿性的梯度分布对于其在工业应用中的影响仍然不明确。第三，在普通二元表面上形成珠状凝结的过程中，液滴的密度，脱离尺寸，以及冷凝表面上冷凝水滴的分布特性仍然不能满足目前工业运用对于传热效率的苛刻要求。例如，在珠状凝结过程中，大部分的热量传递是通过直径小于10μm的小液滴进行传导，而常规的疏水表面则通常被大于100μm的液滴所覆盖。这是因为在常规的疏水表面上，液滴大小必须达到毛细力特征长度时(对于水约为2毫米)，才能在重力作用下滚落。
在现阶段，提高传热系统中传热效率的同时降低功能表面的制造成本仍然是尚未解决挑战性难题。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种系统及其制造和使用方法，通过使用该系统来捕获传热装置中的冷凝液体，尤其是空气中的冷凝水。
在实施方案中，冷凝液体捕获系统可包含具有至少一个亲水性(或基本上呈亲水性)表面的第一结构和具有至少一个在冷凝过程中有自发液滴弹跳性质的超疏水(或基本上呈超疏水性或二元)表面的第二结构，其中所述第一和第二结构被定位成使得(基本)亲水表面与(基本)超疏水表面相对放置并且相互分离。所述第一和第二结构可以被定位成彼此平行或成一定角度。所述第一和第二结构可以具有相同或不同的几何形状。
在一些实施方案中，(基本)疏水表面包含有在表面顶部的功能化纳米三维结构。在一些实施方案中，(基本)疏水表面是具有多个亲水(或基本亲水)区域的非均质润湿表面，这些亲水(或基本亲水)区域通过在功能化疏水性三维纳米结构上暴露某些部分来形成。
本发明的实施方案还提供了非均质润湿表面(例如：一种纳米结构二元表面)及其制造方法。
有利地，本文提供的系统和方法不仅能够实现从大气中有效捕获冷凝液体(例如冷凝水)，而且还提供了多项可能的设计以适应不同的高效传热应用。
附图说明
图1a展示了根据本发明实施方案加工形成的亲水性铜表面。
图1b展示了根据本发明中一个实例的超疏水表面，上面包括从表面突出的多个纳米结构化结构。
图1c展示了根据本发明中一个实例的示意图。该实例使用互相平行的亲水表面和超疏水表面来捕获空气中的冷凝水。箭头表示从超疏水表面向亲水表面跳跃液滴的轨迹。
图2a展示了包含通过阳极氧化形成的氧化铜的纳米结构表面的扫描电子显微镜(sem)图像。
图2b展示了包含通过阳极氧化形成的三氧化二铝的纳米结构化表面的扫描电子显微镜图像。
图2c展示了在融合时同时离开表面的超疏水表面上的多个冷凝液滴。
图2d展示了自发弹跳的冷凝液滴被收集在离超疏水表面3mm距离的亲水表面上。图像通过高速摄像头配以放大镜头拍摄得到。
图3a是示出根据本发明实施例的利用交替的亲水表面-超疏水表面设计的热交换器的示意图。箭头表示跳跃液滴的轨迹。
图3b展示了本发明中利用交替的亲水-超疏水表面构成的热交换器的一个实例的示意图。箭头表示自发弹跳液滴的轨迹。
图4a展示了本发明中利用交替的亲水-超疏水表面构成的露水收集装置的一个实例的正视图。箭头表示自发弹跳液滴的轨迹。
图4b展示了本发明中利用交替的亲水-超疏水表面构成的露水收集装置的一个实例的侧视示意图。箭头表示自发弹跳液滴的轨迹。
图5展示了本发明中的一个利用交替的亲水-超疏水表面构成的海水蒸馏管束的实例的示意图。亮线和暗线分别代表亲水和超疏水表面。箭头表示自发弹跳液滴的轨迹。
图6a展示了本发明中的一个非均质润湿表面的实例的示意图，其中包括在“金属基底”上部的暴露在气相中的亲水冷凝区域，和在亲水表面结构上部沉积形成的超疏水纳米结构。在该表面上冷凝形成的液滴呈现部分wenzel的形态。
图6b展示了本发明中的一个预先喷涂在铜(亲水性)基材上的随机尼龙掩模的实例的sem图像。
图6c展示了本发明中的一个在表面阳极氧化和掩膜剥离之后具有暴露的亲水性基材的氧化铜纳米结构(超疏水性)表面的sem图像。
图7a展示了本发明中的一个在氧化铜纳米结构表面顶部利用喷雾技术形成尼龙掩模的实例的sem图像。
图7b展示了本发明中的一个在三氧化二铝纳米结构表面顶部利用喷雾技术形成尼龙掩模的实例的sem图像。
图7c展示了本发明中的一个在基于铝基底的非均质润湿表面上不同时间点的凝结动力学的实例的图像。由于在冷凝界面上部的亲水性微米尺度颗粒，本发明实例中的非均质润湿表面可以在冷凝过程中形成更高的液滴密度，并使冷凝液滴更快地脱离冷凝表面。
图7d展示了本发明中的一个在基于铝基的超疏水表面上不同时间点的凝结动力学的实例的图像。
具体实施方式
本发明的实例提供制造和使用一类系统和方法来捕获传热装置中的冷凝液体，特别是冷凝水。有利的是，本发明中提供的实例可适用于冷凝传热过程中和/或收集水过程中使用的热交换部件，实例能够提高热交换部件的效率并降低制造成本。本发明中实例的应用包括但不限于暖通空调(hvac)系统，除湿器，集水系统，热泵和除盐系统。
当固体表面温度降低到空气中饱和蒸汽温度(即露点温度)以下时，水会在固体表面上冷凝。在相变(例如冷凝)过程中，水蒸气的潜能被释放，热量被传递到冷凝表面。根据冷凝表面的润湿性的不同，冷凝液体可以呈现液膜或离散液滴的形式，分别称为膜态凝结或珠状凝结。相比于膜态凝结，珠状凝结具有更高效的冷凝与传热速率。这是因为在重力驱动下，冷凝水滴可以从传热面上滚落，从而显著降低冷凝水在传热表面上形成的热阻。例如，珠状凝结的凝结传热速率可比膜状冷凝的凝结传热速率大一个数量级。
然而，因为疏水表面上的冷凝水凝结成核的能垒较高，所以疏水表面上形成珠状凝结时的液滴凝结成核速率明显低于亲水表面上形成膜态凝结时的液滴凝结成核速率。因此，为了能够增加液滴成核密度，减小液滴滚落尺寸和热阻，高效的冷凝传热表面需要将珠状和膜态凝结这两种模式具有的优点结合起来形成有效的协同效果。
鉴于上述需要，本发明中的实例提供各类型的冷凝液体捕集系统以满足上述需要。在一个实施方案中，冷凝液体捕获系统可包含具有至少一个亲水性(或基本亲水性)表面的第一结构和具有至少一个疏水性(或基本疏水性)表面的第二结构，其中所述两个结构被定位成使得(基本)亲水表面与(基本)超疏水表面相对放置并且相互分离。在该系统中，可以在(基本)亲水表面和(基本)疏水表面之间施加直流电场，以增强水滴从疏水表面移动到亲水表面的效率。
第一结构和第二结构之间的分隔距离可以在例如约1mm和约15mm之间，优选在约2mm和约6mm之间，并且最优选在约3mm和约5mm之间(所有范围包括端点)。重要的是，分离距离可以根据应用冷凝液体捕获系统的装置来确定，只要在设计的分离距离上可以满足冷凝液滴的自发弹跳。
在一些实施例中，第一结构包括至少一个表面，该表面对于冷凝液体来说基本可被润湿(例如，亲水)，在大多数传热设备中，冷凝液体是水。涉及热交换装置的大多数金属材料(即具有有利导热性的金属)在没有进行表面改性之前都是亲水的。亲水性金属表面的非限制性实例包括铜，铝，锌，铁，其缔合的金属氧化物，以及所有上述的组合。
在一些实施例中，第二结构提供至少一个表面不可被冷凝液体润湿(或基本不可润湿)(例如疏水或超疏水表面)。在冷凝液体是水的情况下，表面的疏水性可以通过在基底顶部加工形成多个三维纳米结构后再通过化学修饰整个表面来实现，然后用一种或多种疏水化合物对结构进行功能化，例如自组装单分子层(sam)，包括具有氢化和/或氟化端基的大多数硫醇(例如，基于硫的配体)和硅烷(例如硅基配体)物质。其他表面功能化材料包括超薄含氟聚合物涂层(例如聚四氟乙烯和聚对二甲苯)，贵金属和稀土氧化物。纳米结构的顶点直径可以为例如约1nm至约500nm，高度约0.5μm至约20μm，间距约0.1μm至约5μm。在一些实施方案中，所得三维结构为针状且紧密堆积以覆盖(或基本上覆盖)下面的金属基底(参见例如图2a中的cuo结构和图2b中的al2o3结构的sem图像)。
在一个实施例中，通过将表面放置在氢氧化钠，氢氧化钾及其组合的碱性溶液中进行阳极氧化后，可以在金属表面上形成多个三维结构。在一些实施例中，纳米结构可以根据所涉及的材料和期望的应用通过化学蚀刻或许多其他合成手段形成。
如本文中所引用，“超疏水”是指其上水滴的表观接触角超过150°并且接触角滞后小于5°的表面，因此允许液滴在合并后能够自发地脱离冷凝表面，液滴尺寸数量级约为10μm至约100μm之间(图2c)。超疏水缩合表面上形成的较小液滴(与常规疏水表面上形成的液滴相比)降低了连续冷凝过程中冷凝物的传热热阻。在一些实施例中，液滴能够自发跳出超疏水表面的冷凝过程比在常规疏水表面上冷凝过程的传热率高大约30％。
值得注意的是，尽管传热速率提高了，但由于在超疏水三维结构表面上弹跳液滴的表面积与体积比很大，所以弹跳水滴很容易再次蒸发。有利的是，定位在超疏水表面附近的亲水表面允许微米尺度的弹跳水滴积聚并聚结在亲水表面上以实现更有效的水收集(图2d)。在一些实施方案中，亲水表面平行于超疏水表面定位(例如，图3a)。在一些实施例中，亲水表面可以与超疏水表面成一定角度放置。许多实施例规定，两个表面可以彼此垂直(例如，图4a)或以锐角(例如，图4b)定位。
图1c展示了本发明中示例性实施方式的冷凝和去除水的机制，其中亲水表面(图1a)平行于超疏水表面(图1b)定位。在一个实施例中，在亲水表面上形成的冷凝液膜可吸收从超疏水表面喷射的弹跳液滴并有效地防止弹跳液滴快速汽化。
在一些实施例中，亲水表面和超疏水表面分别属于第一和第二结构(参见例如图3a，4a，4b和5)。在一些实施例中，第一和第二结构可以具有相同的几何形状。在其他供选择的实施例中，第一和第二结构可以具有不同的几何形状。在一些实施例中，两种表面位于相同结构的相反两侧(参见例如图3b)。
在一些实施例中，第二结构的冷凝表面的不可润湿性可通过将金属基材修饰为在同一表面上同时具有亲水性和疏水性(如超疏水性)结构的混合结构来实现，下文称其为“非均质润湿表面”。
许多实施例规定，第一和第二结构在彼此分开时可以彼此平行或成一定角度地定位。进一步的实施例规定，两个结构可以具有相同或不同的几何形状。
在一个实施例中，采用本文提供的亲水表面与超疏水表面(非均质润湿表面)相对的交替排列的除湿器表明，在标准测试条件下(即干球温度约26.7℃和相对湿度约60％)，水收集效率比未处理表面大约高2.5倍，如下表1所示。
表1亲水与非均质润湿表面水收集效率比较
如本文所示，具有均匀润湿性(即，表面结构呈现亲水性或疏水性，但不是两者皆有的情况)的凝结表面，将会导致在疏水表面的情况下形成较差的水捕获能力，或者在亲水表面的情况下形成显著的液体粘附。亲水性和超疏水性的结合对于进一步开发先进的冷凝界面是必不可少的。虽然相关技术已经有一些报道，通过诸如光刻和激光加工等方法制造非均质润湿特征，但是这些技术对于大规模工业制造而言是复杂且昂贵的。
本发明的实施方式还提供了非均质润湿表面及其制造方法。在一个实施例中，非均质润湿表面包含多个亲水区域，这些亲水区域通过在功能化疏水性三维纳米结构上暴露某些部分来形成(图6a)。
不同于传统的光刻或直接激光加工，本文提供的制造方法可以采用电喷雾首先在亲水基材上形成随机分布特征(即随机掩模)的掩模，然后进行表面修饰(例如化学蚀刻，表面阳极氧化等)。有利的是，本文提供的方法降低了制造三维纳米二元结构相关的成本和复杂性。
在一些实施例中，通过改变电喷雾的顺序和/或参数和随后的表面化学处理(例如表面氧化和功能化)，可以修改非均质润湿表面的形貌以适应不同的传热应用和冷凝环境。在一个实施例中，可以在化学处理之前施加掩模以产生暴露在底部上的亲水表面的区域。在另一个实施例中，可以在化学处理之后应用掩模，在纳米结构的顶部形成亲水区域。
具体而言，可以通过以下参数中的一个或多个来控制暴露的亲水区域的大小和密度：电喷雾的施加电压，电喷雾的流速，电喷雾的持续时间以及喷雾的距离。此外，纳米结构的尺寸也可以通过改变表面处理的参数来调整。
在一个实施例中，通过使用电喷雾和表面氧化技术的组合，可以制造包含由超疏水纳米结构围绕的微型亲水区域的非均质润湿表面。通常，亲水区域通过增强对空气中水份的捕获能力而充当强化液滴冷凝区域，而全表面的超疏水性质使得冷凝的液滴能够通过合并而自发地跳出冷凝表面，液滴尺寸大约在10μm和约100μm之间。与本文提供的均质超疏水表面类似，与连续冷凝过程中的常规疏水表面相比，液滴的自发跳跃和脱离使得冷凝相变过程中冷凝面上的平均液滴尺寸减小，并且降低冷凝热阻。
另外，通过提供与含有金属例如铜，锌，铝，铁，其相关金属氧化物或所有上述物质的组合的平坦亲水表面交替排列的非均质润湿表面作为用于示例性冷凝器系统，增加液滴自发弹跳的效率并对弹跳液滴进行有效地收集，因此系统整体的捕获水性能可以得到改善。
本发明中实施例的冷凝系统及其制造和使用方法提供以下独特优点。首先，与光刻和激光加工等传统技术相比，非均质润湿表面的制造策略方便，可扩展且具有成本效益。其次，根据所需的热交换应用和冷凝环境，可容易地调整承载亲水和超疏水或非均匀润湿表面的结构的几何形状。第三，所提供的制造过程可以容易地进行调整以适应不同特定期望应用的各种材料。第四，加工完成的非均质润湿表面不涉及任何油或有机溶剂，以免限制该表面在需要真空应用的系统中使用。
通过阐释以下列举的实施例可以更好地理解本发明及其许多优点。以下实例说明本发明的一些方法，应用，实施例和变体。当然，它们不被认为是限制本发明。对于本发明可以做出许多改变和修改。
实施例1—除湿系统上的应用
除湿机的能效大部分取决于换热器的整体传热系数，因为换热器是耗能的核心部件。高效的蒸发器对于除湿机的节能尤为重要。本文提供的水捕获系统可以提高各型控制室内湿度的设备的能量效率。
在盘管上将超疏水和亲水表面交替的组合起来加工在冷凝翅片上，通过使冷凝水滴自发地离开超疏水表面并在亲水表面上聚集而增强换热器的冷凝效率。这些弹跳的液滴会积聚在亲水表面上形成液膜，有效地防止水再次蒸发到大气中。图3a和3b示出了冷凝翅片的两种构造。在图3a所示的配置中，可以在亲水性和超疏水性平板上施加直流电场，以进一步增强从超疏水性表面到亲水性表面的液滴移动。
实施例2—露水收集系统中的应用
随着夜间温度下降，空气中的水蒸气会凝结在较冷的固体表面上形成露水。传统的露水收集器一般加工成网状结构以允许潮湿的空气穿过。不可穿透的屏障会降低通过收集器的空气的速度，从而减缓空气中水份的凝结。
如图4a和4b所示，根据本发明的一个实施例的露水收集网状结构可以采用本文提供的捕获水技术。亲水性表面和超疏水性表面在网状结构内彼此垂直地定位，来提供较大的表面积以在冷凝表面上形成凝结水。来自超疏水表面的弹跳水滴可以被亲水表面上已经形成的液膜吸收。通过将收集器设置在合适的角度，露水可以从亲水表面滑落到储存容器中。
实施例3—海水淡化系统中的应用
淡水可以在相变过程中从海水中获得。水由于真空室中的负压(即蒸发温度很低)而迅速蒸发。然后水蒸气冷凝在大量的集束冷却管上，冷凝水将会被取出并收集起来。海水在通过15至20个压力不断增加的连续真空室后，会产生大量的淡水。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，带有亲水和超疏水表面的管状结构可以以交替模式布置在脱盐系统的集束冷却管设计中，以提高淡水蒸馏效率。本文提供的技术即使在过冷度较低的脱盐过程中，也能形成快速的蒸馏速率。
实施例4—在表面底部形成亲水特性的非均质润湿表面的加工方法
通过将亲水性微粒和超疏水纳米结构的协同配合可以形成独特的液体润湿特征，允许在传热过程中凝结液体从膜状凝结转变为珠状凝结。通过在界面结构底部形成亲水性凝聚区域以形成不均匀的润湿表面，冷凝液体可形成具有底部液桥的，被称为partial-wenzel的液滴形态[7,8]，通过底部液桥，partial-wenzel液滴的传热能力会大幅度提高，如图6a。在一个实施例中，非均质润湿表面可以通过掩模预喷涂和化学表面处理的组合来制造。
作为普通的传热材料，铜经常被选择作为制造冷凝表面的基材。通过使用碱性溶液中的表面阳极氧化(即，氧化过程)在界面处形成氧化铜纳米结构，由于醇溶性尼龙具有很好的抗碱腐蚀的能力，因此被选择作为掩模材料。首先使用电喷雾技术将尼龙-甲醇溶液喷涂到铜基材上以形成随机掩模。图6b显示了喷涂铜表面的sem图像。尼龙掩模的尺寸和密度可通过调节施加电压，溶液流量，喷涂持续时间和溶液喷涂距离来控制。该掩模涂布方法加工形成的微米尺寸颗粒在表面上呈现出均匀的分布。
为了表征表面形态，测量了几种不同样品的掩模尺寸，密度分布和面积分数。下面的表2中列出了掩模电喷涂层的详细实验数据。为了加强掩模对基材的附着力，可以将喷涂在表面上的尼龙掩模加热到150℃约30分钟。这种加热过程可导致尼龙材料回流并填充涂层和基材之间的间隙。这种通过电喷雾的掩模技术也可以应用于其他金属基底上。
表2.不同电喷雾参数下尼龙微颗粒在表面上的分布
在naoh溶液中进行表面阳极氧化之后，针状氧化铜纳米结构在未用尼龙掩模覆盖的区域向外生长(图6c)。然后通过使用化学气相沉积用氟硅烷(例如cf3(cf2)7ch2ch2si(och3)3(fas-17))功能化表面来获得整个表面上的整体超疏水性质，其他类型的疏水性分子也可以用于本文涉及的表面疏水功能化。然后通过用甲醇彻底清洗表面来完全除去尼龙掩模，由此恢复在掩模剥离后暴露的金属区域处的亲水性。本文提供的非均质润湿表面也可以在其他金属基材上制造，条件是纳米结构在表面上向外形成。纳米结构的非限制性实例包括氧化锌和氧化铝纳米结构
实施例5—在表面顶部形成亲水特性的非均质润湿表面的加工方法
在高度潮湿的环境中，凝结水在利于形成partial-wenzel液滴的润湿表面(例如，本文提供的非均质润湿表面)很可能粘附在表面上无法弹跳脱离，因为形成的液桥可显著增加粘附力以阻止液滴脱离。通过改变掩膜喷涂，表面氧化和功能化的顺序，我们可以在顶部而不是在底部形成具有亲水性的非均质润湿表面。
在表面氧化形成纳米结构之后，可以将尼龙颗粒喷涂在纳米结构的顶部以形成微型掩模，如图7a和7b所示。然后整个表面硅烷化以在纳米结构上形成超疏水性。在通过甲醇清洗去除喷涂的掩模之后，可以产生微米亲水区域。这种顶部亲水的形貌不仅可以诱导凝结过程从膜状凝结转化为珠状凝结，而且还可以确保在潮湿条件下使得凝结液滴悬浮在纳米结构上部[6,9]。
在图7c和7d中给出了铝基超疏水和非均质润湿表面上凝结动力学的实验比较。与均匀超疏水表面相比，多尺度亲水结构和超疏水结构(即非均质润湿表面)的组合增强了液滴的成核密度。通过精细控制喷雾掩膜的尺寸和密度，液滴的自发跳跃速率不受到亲水凝结区域的影响。表面结构顶部的悬浮水滴状态可以有足够的能量克服水滴合并期间的粘附力。因此，非均质润湿表面通过亲水性和超疏水性的组合优势表现出了高效的冷凝性能。
应该理解，这里描述的示例和实施例仅用于说明的目的，并且对于本领域技术人员将暗示对其进行各种修改或改变，并且将被包括在本申请的精神和范围内。
本文参考或引用的所有专利，专利申请，临时申请和出版物(包括“参考文献”部分中的那些)均为整体引用，包括所有图和表格，只要它们不与本说明书的教导分歧。
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