הבנת התפקיד של ניידות משטח בהעברת חום

שינוי הוא תהליך של שינוי שלב יסודי המתרחש על פני אינספור מערכות טבעיות ותעשייתיות, החל היווצרות של דהו על עלים לפעולה של מאחזי תחנת כוח בקנה מידה גדול.יעילות העברת חום במהלך הדבקה משפיעה ישירות על צריכת האנרגיה, גודל המערכת, ועלויות התפעוליות ביישומים החל מדה-הנדסה תרמית לאלקטרוניקה.

לחות משטח מתאר את הנטייה של נוזל להתפשט או להתפרש על משטח מוצק.זה מאפיין פשוט לכאורה מתכתיבים אם הדבקה מתרחשת כמו סרט נוזל מתמשך או כ טיפות דיסקרטיות, ואת ההבדל בין שני מצבים אלה יכול להיות שינוי בתקני העברה חום של סדר גודל או יותר. על ידי שליטה על יכולת דרך כימיה פני השטח, מרקמים וציפויים, זה אפשרי כדי לשפר באופן דרמטי את יעילותם של אחרים, חום, וחילופים, ושינויים.

הבנה של Surface Wettability and Contact Theory

האינטואיציה היא הנפוצה ביותר על ידי ה-FLT:0 זווית מגע (FLT:1), שהיא זווית שנוצרה בממשק שלוש-phase שבו נוזל, מוצק ו vapor נפגשים. כאשר טיפות נח על סמך אידיאלי, חלק, וכימיקלי של משטח הומוגני, זווית מגע מתוארת על ידי משוואות של יאנג, אשר מאזן המתח הבין-גזעי נמוך יותר מ-ידי נוזל (אורד) מצמצם את פני השטח התחתון, מצמצם פחות מגובה, מגובה, מגובה, מגובה, מגובה, מגובה, מגובה, מגובהוריד (אורד, מגובהוריד (apic) מגובהוריד (מסוג של פחות, מגובהוריד, מגובהוריד, מגובהוריד, 000) עם סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק של מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת מגע מוצק יותר מאשר סגסוגת של אורגניבהבטווח גבוה יותר מאשר סגסוגת של אורגניבהבריד (מסוג של אורגניבהיר, 000) עם סגסוגת של חומר נפץ גבוה יותר מאשר סגסוגת של אור

תגית: אנגל Hysteresis

פני השטח האמיתיים הם לעתים נדירות אידיאליים.FLT:0 זווית מגע hysteresisFLT:1 - ההבדל בין זווית מגע מתקדמת (מחוש כמו חזית טיפות נע קדימה) ואת זווית מגע נסוג (מחוש כמו טיפות הקדמיות ירידה) - מספק תמונה מלאה יותר של התנהגות פני השטח.

קטגוריות של Wetttability

פני השטח מסווגים באופן נרחב על ידי זווית מגע המים שלהם למספר משטרים:

  • (FLT:0) SuperhydrophilicFLT:1 ( ⁇ פחות מ 10 מעלות): מים מתפשטים לחלוטין, ויוצרים סרט אולטרה-ת'ין.משטחים אלה לקדם את הלכידות הסרטנית והם משמשים לעתים קרובות ביישומים נגד מיפוי.
  • (ב) ⁇ :0) ,HydrophilicFLT:1 ( ⁇ בין 10° ל-90 מעלות): מים מתפשטים באופן מתון, לטובת היווצרות סרט מתמשך במהלך הזינוק.
  • (FLT:0)HydrophobicFLT:1 ( ⁇ בין 90 מעלות ל-150 מעלות): מים מתעבים למעלה, מעודד נפיחות טיפות.רוב מתכות ההנדסה הם הידרופילאריים טבעיים, כך התנהגות הידרופובית בדרך כלל דורשת טיפול על פני השטח או ציפוי.
  • (ב) (הרחבה מ-150 מעלות): טיפות מים כמעט קשקשים כי בקלות מתגלגלים.משטחים אלה יכולים לקיים נפיחות טיפות נשטבת בשטף חום גבוה, אך עלולים לסבול משיטפונות בתנאים מסוימים.

מנגנונים של העברת חום

ההדבקה מתרחשת כאשר vapor נכנס במגע עם משטח בטמפרטורה מתחת לטמפרטורת השאיבה של vapor.חום המאוחר ששוחרר במהלך שינוי שלב יש להרחיק דרך הנוזל ואת המצע המוצק.הדרך שבה שלב הנוזל טפסים ומתנהג על פני השטח קובעת את ההתנגדות התרמית הכוללת של תהליך ההדבקה.

צילום: Filmwise Condensation

על פני השטח הידרופיליים, הסרט condensate יוצר סרט נוזלי מתמשך מכסה את כל פני השטח.סרט זה מציג התנגדות תרמית משמעותית כי הנוזל עצמו הוא מנצח עני יחסית של חום. כמו הסרט עבה תחת השפעת הכבידה, ההתנגדות התרמית עולה עוד יותר.החום העברה יעילה עבור הדבקה סרטנית על צלחת אנכית היה מודל ראשון על ידי Nusselt בשנת 1916, התיאוריה שלו נשאר פחות צפוי העברת סרט חום.

נפילה חכמה

על פני השטח הידרופוביים או superhydrophobic, condensation ממשיך דרך הניקיון, צמיחה, הפלמיישן, ויציאה של טיפות בודדות.תהליך זה מאפשר חלקים גדולים של פני השטח להישאר חשופים ל vapor, יצירת קשר ישיר נגד ירידה / נפילה אחורית כי להפחית באופן דרסטי את ההתנגדות תרמית.

מצבי מעורבות ועברה

בפועל, משטחים רבים מציגים תערובת של התנהגות סרטנית ונשטנית, במיוחד על פני פעולה מורחבת.השפל הכימי של ציפויים, הצטברות של גזים שאינם ניתנים לזיהוי, וזיהום פני השטח יכול לגרום לרטוט מקומי, המוביל לתיקונים של התכוננות סרטנית בתוך משטר ירידה אחרת.

כיצד אנו יכולים לנהוג במצב של קונסולה

היחסים בין משטח רטובות למצב של זיהום מושרשים בתרמודינמיקה ופיסיקה בין-גזעית. מחסום האנרגיה לניקיון של שלב נוזלי על משטח מוצק מושפע מאוד מזווית מגע.על משטח הידרופילי, גודל הגרעין הקריטי הוא קטן יותר ואת קצב ההנקה גבוה יותר, המוביל לדחיסות גבוהה של טיפות זעירות המתמזגות במהירות לתוך סרט על פני השטח, נשאר פחות אטמוספירה, נשאר פחות גבוה יותר, כי הוא ירידה גבוהה יותר.

« צמיחה וירידה

תיאוריית הניונקיה הקלאסית צופה כי האנרגיה החינמית של גיבס הנדרשת כדי ליצור גרעין יציב של רדיוס קריטי מצטמצם על פני השטח עם זוויות מגע נמוכות.זה אומר כי משטחים הידרופיליים מחלחלים יותר בקלות, אבל טיפות טיפות קטנות וצפיפות רבות, והם במהירות פחם לתוך סרט. על פני השטח הידרופובי, nucleation הוא קשה יותר, אבל טיפות כי הם גדלים באופן חלקי, 000, 000, 000 זה עדיין מסוגל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כדי להגדיל את גודל זה עדיין יכול להיות מסוגל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כי הוא עדיין מסוגל, 000 כדי להגדיל את גודל כדי להגדיל את גודל נראה כי הוא עדיין גדול יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מוקדם יותר, 000, 000 מוקדם יותר, 000, 000, 000 כדי להגדיל את גודל נראה כי הוא עדיין יכול להיות מסוגל, 000 עד לאחרונה, 000 עד לאחרונה, 000 כי הוא עדיין ירידה על פני השטח כדי ירידה על פני השטח נראה כי הוא עדיין לנקות את גודל זה עדיין גדול יותר, 000, 000 כדי ירידה על פני השטח נראה כי הוא עדיין ירידה על פני השטח נראה כי הוא גדול יותר, 000 כי

הורידו את Dynamics ו-Departure

גודל היציאה של טיפות נשלט על ידי האיזון בין כוחות כבידה (שמושך טיפות למטה) וכוחות על פני השטח (אשר טיפות סיכה במקום) על משטח הידרופובי חלק עם זווית מגע נמוכה היסטריה, טיפות לצאת כאשר הם מגיעים לגודל קריטי שבו הפחתת כוח הכבידה על ידי משטח superhydrophobics, טיפות יכול לעזוב הרבה יותר קטן בגלל רמות נמוכות של ירידה עצמית, כמו ירידה במשקל נמוך, 000 יכול להיות מפולת על ידי כמה טיפות חום, 000.

הנדסה על פני השטח Wetttability עבור שיפור העברת חום

שליטה על פני השטח רטובה כדי לקדם את פתיחות טיפות חכם הוא אחד האזורים הפעילים ביותר של מחקר הנדסה תרמית. מגוון רחב של אסטרטגיות פותח כדי לשנות את האנרגיה והטופוגרפיה של פני השטח, כל אחד עם היתרונות שלה ומגבלות.

ריצוף

החל ציפוי דק של חומר אנרגיה דלת-קרקע הוא הדרך הישירה ביותר להפוך חומר הידרופובי. Common ציפוי כולל פלואופולמרים כגון פוליטרה-fluoroethylene (PTFE), perfluorodecyltrichosilane (FDTS), וחומרים שונים המבוססים על עצמים המבוססים על סילקה.

דף הבית > Surface Texturing and Patterning

היכרות עם חומרים הידרופוביים או ננומטריים יכולה להגביר את הרטוט הפנימי של משטח.על חומרים הידרופוביים, גסות מגבירה את זווית מגע לכאורה ויכולה לגרום ל superhydrophobicity באמצעות מצב קאסיה-באקסטר, שבו כיסים אוויר לכודים מתחת להורדת משטח ירידה מסוימת.על חומרים הידרופיליים, גסות משפרות רטובות באמצעות מצב של Wezeln, שעלול להוביל להפחתה אלקטרו-דלקתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתיתית, כמו גם לשילוב תכונות אלקטרו-דלקתיות.

משטחים היברידיים עם רגישות דפוס

גישה מבטיחה במיוחד כוללת יצירת פני השטח עם איכות מרחבית משתנה רטובה.לדוגמה, אזורי הידרופיליים יכולים לשמש אתרי ניונקיה שבו טיפות צורה מעדיף באופן זמני, בעוד אזורים הידרופוביים לקדם צמיחה מהירה ירידה ויציאה. על ידי דפוס משטח עם מגוון של כתמים הידרופיליים על רקע הידרופובי, זה אפשרי לשלוט במיקום וגודל של condenings הראו כי הוא ניתן לשפר את הפחתת משטח עם צפיפות של ירידה מיקרוסקופית או ירידה של צינורות מתכת.

משטחים נוזליים

בהשראת צמח Nepenthes משטחים נוזלי, משטחים נוזלי (ידוע גם בשם משטחים ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

גורמי מפתח משפיעים על חוסר יכולת וביצועים

הביצועים המעשיים של משטחים מהונדסים להעברת חום מזוהמת תלויים בשיח מורכב של גורמים פיזיים וכימיקליים.

בסביבה הקרובה של Wenzel and Cassie-Baxter States

קשיחות מגבירה את ההשפעות של כימיה פני השטח.מודל Wenzel מתאר משטר שבו נוזל חודר לחלוטין את הספירות פני השטח, הגדלת אזור מגע מוצק-liquid. עבור חומר הידרופילי, גסות הופכת את פני השטח אפילו יותר רטוב.עבור חומר הידרופובי, גסות יכול להוביל למצב קסידי-באקס, שבו כיסים ריקים מתחת לסף דרמטי, וגורם ירידה דרמטית של ירידה קיצונית, אך הוא מקבל לחץ דם גבוה, אך הוא לעתים קרובות השפעה על ידי ירידה קיצונית, אך הוא מקבל לחץ דם גבוה, אך הוא משפיע על ידי ירידה קיצונית, אך ורק על ידי ירידה קיצונית, עם ירידה קיצונית, עם ירידה מהירה יותר, עם ירידה מהירה יותר, 000 של תופעות לוואי ירידה במשקל קלוריד, אך הוא מקבל השפעה קיצונית, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 קלקולארית ירידה מהירה, 000, 000, 000, 000 של ירידה מהירה יותר, 000, 000, 000, 000, 000 של לחץ גבוה, 000, 000, 000 קלקולאריכות גבוהה, 000, 000 קלקולארית לחץ חזק יותר, 000 קלקול

הנדסת כימיקלים ואנרגיה על פני השטח

האנרגיה של פני השטח הפנימי של חומר קובע את הבסיס שלו רטובות. מתכת ו תחמוצת בדרך כלל יש אנרגיה על פני השטח גבוהה, מה שהופך אותם הידרופילליק. פולימרים וחומרים פלואוריד יש אנרגיה על פני השטח נמוך, מה שהופך אותם הידרופוביים. טיפולים על פני השטח יכול לשנות את ההרכב הכימי בשכבות האטומיות העליונות ללא שינוי משמעותי של תכונות.

תנאי איכות הסביבה והפעלה

ניתן להשפיע על פני השטח בטמפרטורה, לחץ, נוכחות של גזים שאינם ניתנים להשגה. בטמפרטורות גבוהות, אנרגיית פני השטח של מוצקים יכול להשתנות, וכמה ציפויים עלולים לגרוע יותר מהר. גזים שאינם ניתנים להשגה כגון אוויר מצטבר ליד פני השטח condensing וליצור עמידות דיפוזיה נוספת שיכולה להפחית את העברת החום.

יישומים תעשייתיים והטבות

היכולת לשלוט בהעברת חום עווית דרך לחות פני השטח יש השלכות מרחיקות לכת על יעילות האנרגיה וביצועי המערכת על פני תעשיות מרובות.

הדור של כוח

בצמחי כוח תרמיים, אדנים אדים הם מרכיבים קריטיים כי לשמור על לחץ גב נמוך הנדרש עבור פעילות טורבינות יעילה. Enhancing את חום העברה coefficient in condensers יכול להפחית את דרישת המים הקירור, לאפשר גדלים קטנים יותר, ולשפר את יעילות הצמח הכוללת.Refiting מזהמים קיימים עם ציפוי הידרופובי או טיפולים על פני השטח מציעה מסלול נמוך פוטנציאלי לחיסכון משמעותי.

HVAC ו-מקרר מערכות

קונרדנים ו-evaporators חימום, אוורור, מיזוג אוויר ומערכות קירור פועלים על מגוון רחב של טמפרטורות ורמות לחות.מניעה הצטברות condensate על evaporator סלילים הוא אתגר גדול, שכן סרטים מים יכולים להפחית את זרימת האוויר ואת הפחתת קצבי חום. הידרופוביים ו superhydrophobics יכול לקדם ירידה, לשפוך עבור מחזורי חשמל גבוה יותר, לחץ אוויר.

התעלמות וטיפול במים

תהליכי הדה-פלה ארומאליים כגון כריתת גליון מרובי-אפקט והפחתה של הדבקה יעילה של vapor לייצר מים טריים.שיפור העברת חום מזהמים יכול להגדיל את הפרודוקטיביות של המערכות הללו תוך צמצום קלט האנרגיה.בנוסף, משטחים הידרופוביים יכולים לעזור להפחית את ההונאה והדרגתיים על ידי צמצום הדבקות של הפקדות מינרלים, להאריך את חיי החיים התפעוליים של צמחים.

ניהול אלקטרוניקה

בעוד מכשירים אלקטרוניים ממשיכים למזער ולצמצם את צפיפות החשמל, ניהול תרמי יעיל הופך קריטי. שתי מערכות קירור דו-phase המשתמשות בקידוד יכול להתפזר פלוקסים חום גבוה תוך שמירה על טמפרטורות נמוכות של מכשירים. מיקרו ערוצים condensers ו- vapor תאים עם משטחים רטובים ממונדסים יכול לשפר את התפשטות החום ולהפחית את הפחתת עמידות תרמיים על פני השטח התלת הוא גמיש במיוחד עבור משטחים גמישים לניהול אלקטרוניקה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות היתרונות ברורים של יכולת המהנדסית להעברת חום, כמה אתגרים נותרו לפני אימוץ תעשייתי נרחב יכול להתרחש.

יציבות וארוכותיות

רוב הציפוי הידרופוביים נוטים להידרדר תחת חשיפה ממושכת ל-Steam, טמפרטורה גבוהה, ולבוש מכני.המונו-שכבות האורגניות המגנים שהופכות משטחים הידרופוביות יכולות להיות רק כמה מולקולות סמיכות, מה שהופך אותם פגיעים לנזק מ טיפות מים מזוהות שמצמצמצמצמצמצמצמצמצמצמצמצמצמצדות או משפיעות על פני השטח.

ייצור סקאלה ועלויות-Effective Manufacturing

טכניקות ייצור בקנה מידה מעבדה כגון זיהום עץ כימי, שכבת אטומית, ו photolithography אינם בקנה מידה בקלות על אזורי משטח גדולים הדרושים עבור condensers תעשייתי. חוקרים הם חקר שיטות מדרגיות כגון ציפוי ריסוס, ציפוי דיפ, ו עיבוד רול-to-roll כדי ליישם ציפוי הידרופובי בעלות נמוכה.

הבנה של קונסולת ה-Nanoscale

ההתקדמות האחרונה במיקרוסקופיות וסימולציות מולקולריות חשפו תובנות חדשות בתופעות של condensation ב nanoscale. לדוגמה, היווצרות טיפות ננומטריות על משטחים מרקמים יכול להציג התנהגות שונה באופן משמעותי מהתיאוריות הקלאסיות.הבנת כיצד כימיה פני השטח וטופוגרפיה השפעה נירקציה בשלבים המוקדמים ביותר עלולה להוביל אסטרטגיות חדשות לשליטה במצבי נשימה ושיפור חום.

שילוב עם טכניקות לשיפור

יכולת פני השטח אינה הגורם היחיד המשפיע על העברת חום condensation.שלב רטובה עם אסטרטגיות שיפור אחרות, כגון משטחים מורחבים (fins), שדות חשמליים, או רטט קולי, יכול להביא שיפורים ביצועים נוספים. משטחים רב תפקודיים כי במקביל לקדם הדבקה טיפות, התנגדות רעוע, ולספק הגנה קורוזית הם גבול מתפתח.

מסקנה

פני השטח רטובות היא מנוף רב עוצמה לשליטה בהעברת חום מזהמים. על ידי הבנת הפיזיקה הבסיסית של הרטובה ו condensation, מהנדסים יכולים לעצב משטחים אשר לקדם ריצוף נחות יעיל, המוביל לשיפורים משמעותיים ביעילות אנרגיה, ביצועי מערכת, ואת העלות התפעולית על פני מגוון רחב של תעשיות. בעוד אתגרים בקנה מידה קשור לציפוי, יכולת ייצור, יציבות לטווח ארוך, להמשיך את המחקר המתמשך כדי לקדם את הכלים החיוניים לתהליכי קירור, כמו גם את היכולת המודרנית של חומרים מתקדמים יותר ויותר.