![]()
气体或液体的凝结过程在许多工业生产中扮演着重要的角色。世界上大多数的发电站都是利用蒸汽驱动汽轮机发电，蒸汽做功后在凝汽器中凝结成液体，被再次循环使用。研究表明，提高冷凝器的冷凝传热效率，可以使电厂整体效率提高2~3%，这足以有效减少全球的碳排放量。
蒸汽冷凝一般存在两种模式：膜状冷凝和滴状冷凝。滴状冷凝过程可分为三个阶段（图1）：液滴凝结，生长，脱落。在滴状冷凝模式下，液滴可以迅速滚落刷新表面，传热效率比膜状冷凝要高出许多，因此过去大部分的研究都集中在增强液滴的脱离速率，对于液滴凝结和生长过程没有太多关注。针对目前冷凝传热的瓶颈问题，武汉大学侯佑民教授、中科院化学所刘杰研究员、德国马普高分子所Hans-Jürgen Butt教授合作提出了在水蒸气中引入乙醇蒸汽，利用二元液体协同PDMS（聚二甲基硅氧烷）类液体聚合物刷表面强化冷凝传热的策略。该成果以“Enhanced condensation heat transfer by water/ethanol binary liquids on polydimethylsiloxane brushes”为题发表在《Droplet》上。图 1 滴状冷凝过程：蒸汽凝结，液滴生长，液滴脱离
研究者首先测试了乙醇/水混合物的表面张力，得到其凝结能垒和汽化潜热（图2）。随着乙醇浓度的升高，凝结能垒和汽化潜热都随之降低。能垒降低有利于促进液滴凝结过程，但汽化潜热减小却会影响传热效果。研究者猜测二元液体的冷凝传热效率会在某一特定的乙醇浓度区间达到最高值。实验结果验证了这一猜想——乙醇浓度为90%时，二元液体可显著增强液滴的凝结、生长和脱离效率（图2），冷凝传热系数达到最高值，约为60kW/m2/K，比纯水冷凝传热系数高200%。![]()
图 2 (a) 乙醇/水混合物的表面张力，凝结壁垒，汽化潜热；(b) 二元液滴的初始凝结点密度；(c) 二元液滴的生长；(d) 二元液滴的临界脱离尺寸；(e) 测试传热效率的设备示意图；(f) 二元液体在不同表面的冷凝传热系数研究者们还发现，冷凝液滴融合时的合并速度决定了表面的冷凝模式。当热通量不断增加导致液滴凝结速度超过合并速度时，二元冷凝液体会从滴状转变为膜状（图3）。因此，通过调整二元液体的乙醇含量并采用超润滑的PDMS聚合物刷表面，可有效提升液滴的合并速度、提高临界热通量，维持高效的滴状冷凝换热。这种高效的冷凝传热强化技术对于解决高热流散热和降低能源消耗具有极其重要的意义。![]()
图 3 (a) 滴状冷凝向膜状冷凝的转变过程；(b) 液滴合并过程的示意图；(c)临界热通量和液滴合并速率之间的关系
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/dro2.31侯佑民，武汉大学教授。香港科技大学博士，2019年于德国马克斯∙普朗克高分子研究所获德国人才计划“洪堡学者”，2020年获得欧盟 “玛丽·居里学者”荣誉及项目资助，同年入选中组部“海外高层次青年人才引进计划”，2021年加入武汉大学动力与机械学院。研究方向包括能源转化利用过程中的多学科交叉问题，主要涉及表面强化传热传质、新能源提效的机理分析与实验探索，以及面向碳中和战略的综合智慧能源应用研究。
刘杰，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师，入选国家级“海外高层次人才引进计划”。2017年在中科院化学所取得博士学位，之后在德国马克斯∙普朗克高分子研究所从事博士后研究。研究方向：极端环境高性能表界面材料及多尺度界面接触行为的研究。
Hans-Jürgen Butt，德国马普高分子所所长，教授。1989年在马普生物物理所取得博士学位，之后在加利福尼亚大学从事博士后研究，1990年开始在马普生物物理所从事研究工作，2002年起担任马普高分子所所长，长期从事界面结构和动力学的研究。
Droplet是吉林大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊。
Droplet旨在成为跨学科的高水平学术交流平台，展示液滴和气泡相关领域的前沿研究成果，推进国际科研传播与合作。
期刊主编由中国科学院院士任露泉教授和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校C. J. Kim教授担任。执行主编由香港城市大学王钻开教授担任。编委会由来自16个国家和地区的58名国际知名专家学者组成。https://onlinelibrary.wiley.com/journal/27314375https://mc.manuscriptcentral.com/droplet邮箱：editorial@wiley-droplet.com![]()
![]()
