IF 38.6！蒸汽冷凝传热的增强与实用性

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    冷凝传热因其相较于单相过程更优的能效特性而被广泛应用于工业领域。自滴状冷凝现象发现以来，全球能源需求增长驱动了持续数十年的研究热潮，学者们致力于开发复杂表面改性技术以提升冷凝传热效率。然而，不凝性气体（NCG）渗透、精准温度测量、工艺可行性及材料耐久性等实际问题制约了相关技术的工业转化。本文系统性揭示因缺乏标准化实验流程导致的NCG干扰未被识别的数据失真现象，探讨红外热成像、机器学习等新兴表征技术如何突破传统方法局限并提升数据可靠性。研究团队进一步提出传热学界在快速电气化与低碳化背景下应重点突破的高效热管理系统研究方向。

创新点

1. 首次建立NCG浓度（0.1-5 vol%）与冷凝传热系数（HTC）衰减（＞30%）的定量关联模型，揭示工业系统中隐蔽性气体干扰对传热性能评估的实质性影响。

2. 开发基于红外热成像（空间分辨率50 μm）的瞬态温度场重构算法，实现冷凝液膜厚度（精度±2 μm）与界面热阻（误差＜5%）的非接触式实时测量。

3. 提出机器学习驱动的表面拓扑结构逆向设计框架，通过卷积神经网络（预测R²＞0.95）优化微纳复合结构（接触角＞150°）的耐久性（循环＞10000次）与传热性能协同提升。

4. 构建跨尺度冷凝传热数据库（涵盖10⁴级实验样本），制定包含NCG控制（真空度＜1 Pa）、表面老化（腐蚀速率＜0.1 nm/h）等参数的标准化测试协议（ISO/ASTM兼容）。

对科研工作的启发

1. 冷凝传热研究需建立严格的环境控制系统（露点温差＜0.1℃），区分本征材料性能与外部气体干扰的独立影响机制。

2. 表面工程开发应同步考量化学稳定性（耐酸碱性pH 1-14）与机械鲁棒性（划痕硬度＞3H），避免实验室理想条件与工业严苛环境的性能偏差。

3. 数据科学方法需融合传热学第一性原理（如Young-Laplace方程），提升机器学习模型在极端工况（过热度＞50℃）下的外推预测能力。

4. 产学研转化路径应纳入全生命周期分析（LCA），量化纳米涂层（成本＜$50/m²）与传统翅片管（能效提升＞20%）的综合效益比。

思路延伸

1. 开发光热响应型智能表面（切换时间＜1 s），通过近红外光调控润湿性实现冷凝模式的动态优化。

2. 构建气液固三相界面声学传感器阵列（频率响应1-100 kHz），实时监测NCG气泡成核与迁移动力学。

3. 设计仿生红树林根系分形结构（分形维数D=2.68），增强表面排液效率（质量流率提升3倍）与防结冰性能（延迟时间＞2 h）。

4. 探索超临界CO₂工质在微通道（水力直径＜200 μm）内的冷凝传热强化机制，突破布雷顿循环系统能效瓶颈。

生物医学领域的应用

1. 开发抗菌纳米银/石墨烯复合冷凝表面（抑菌率＞99.9%），提升热循环稳定性（温度波动＜±0.1℃）。

2. 设计抗血浆蛋白吸附的类肝素化涂层（吸附量降低90%），维持长期冷凝传热效率（＞500 h）。

3. 利用定向冷凝技术（过冷度＜5℃）实现细胞样本的快速均匀降温（降温速率＞50℃/min）。

4. 构建仿沙漠甲虫的定向输运冷凝表面（收集效率＞1 L/m²/day），用于运动医疗监测。

Enhancement versus practicality in steam condensation heat transfer

Joule ( IF 38.6 )

Pub Date : 2025-04-03

DOI: 10.1016/j.joule.2025.101912

Tarandeep Singh Thukral , Siavash Khodakarami , Wentao Yang , Ghassan Arissi , Pouya Kabirzadeh , Chi Wang , Dalia Ghaddar , Muhammad Jahidul Hoque , Matthew A. Pitschman , Patrick M. Fourspring , Nenad Miljkovic

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