Enabling Highly Effective Boiling from Superhydrophobic Surfaces

沸腾 过热 润湿 材料科学 雷登弗罗斯特效应 核沸腾 成核 传热 纹理(宇宙学) 热流密度 复合材料 热力学 计算机科学 图像(数学) 物理 人工智能
作者
Taylor P. Allred,Justin A. Weibel,Suresh V. Garimella
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:120 (17): 174501-174501 被引量:147
标识
DOI:10.1103/physrevlett.120.174501
摘要

A variety of industrial applications such as power generation, water distillation, and high-density cooling rely on heat transfer processes involving boiling. Enhancements to the boiling process can improve the energy efficiency and performance across multiple industries. Highly wetting textured surfaces have shown promise in boiling applications since capillary wicking increases the maximum heat flux that can be dissipated. Conversely, highly nonwetting textured (superhydrophobic) surfaces have been largely dismissed for these applications as they have been shown to promote formation of an insulating vapor film that greatly diminishes heat transfer efficiency. The current Letter shows that boiling from a superhydrophobic surface in an initial Wenzel state, in which the surface texture is infiltrated with liquid, results in remarkably low surface superheat with nucleate boiling sustained up to a critical heat flux typical of hydrophilic wetting surfaces, and thus upends this conventional wisdom. Two distinct boiling behaviors are demonstrated on both micro- and nanostructured superhydrophobic surfaces based on the initial wetting state. For an initial surface condition in which vapor occupies the interstices of the surface texture (Cassie-Baxter state), premature film boiling occurs, as has been commonly observed in the literature. However, if the surface texture is infiltrated with liquid (Wenzel state) prior to boiling, drastically improved thermal performance is observed; in this wetting state, the three-phase contact line is pinned during vapor bubble growth, which prevents the development of a vapor film over the surface and maintains efficient nucleate boiling behavior.
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