珠状凝结最早由E.施密特于1930年首次发现。此后,研究者对凝结表面改性技术实现滴状凝结强化传热进行了大量研究。珠状凝结的实现常通过以下几类方法:①一些贵金属如金、银、铬,某些金属硫化物及金属的非晶态合金表面可实现珠状凝结,可在凝结表面上镀金、银等贵金属膜。②利用具有低表面能的有机聚合物材料可以促进滴状凝结,如氟碳聚合物和硅树脂等材料。③采用自组装膜技术促进滴状凝结,用于自组装膜制备的有机化合物主要有长链烷基硫醇、长链烧基桂烧、油酸、脂肪酸等。
珠状凝结是一种最有效的传热机制,与膜状凝结不同,珠状凝结放出的汽化潜热直接传递给壁面,因此通过珠状凝结能够获得非常大的换热系数。同样条件下,珠状凝结的传热系数是膜状凝结传热系数的几倍至几十倍。珠状凝结由于其高效换热的特性,可以以较小的换热面积来达到所需的换热量,因而对于研发出紧凑、低成本的凝结设备具有重要意义。
珠状凝结过程主要关注液滴合并弹跳新现象、液滴动力学以及珠状凝结传热机理和模型等。
珠状凝结过程液滴的动力学行为极大影响其凝结换热特性。珠状凝结是以液滴的形成、合并、生长和脱落为基础的循环过程。当蒸汽与温度低于其饱和温度的壁面接触时,在冷壁面上核化,形成大量的微小液滴,尺度上的变化可达6个数量级。微小液滴主要靠蒸汽直接凝结长大,而大液滴主要靠合并长大。滴状凝结过程中,影响液滴生命周期的重要参数主要包括:最小液滴半径、临界半径、脱落直径和液滴尺寸分布等,这些参数与表面物理化学性质、表面过冷度和凝结液性质等密切相关。
当两个凝结液滴在超疏水表面合并时,过余的表面能部分转化为液滴向上运动的动能,如果该动能大于固液相互作用黏附功,将导致液滴弹离超疏水凝结壁面,该现象称为“合并诱导的弹跳”。液滴合并与弹跳在凝结传热强化、防冰、自清洁以及防露等领域具有潜在的应用价值。超疏水表面珠状凝结液滴合并过程中,连接两个液滴的液桥不断长大并撞击固体壁面,固体壁面的反作用力驱动液滴向上运动。液桥半径的演化与时间的二次方根成正比。合并后的液滴认为近似满足惯性-毛细标度定律。
J.W.罗斯的模型是相对比较成熟的研究滴状凝结传热模型。该模型认为在滴状凝结过程中,凝结表面上存在大量按一定规律分布的液滴,蒸汽在液滴表面上直接凝结,总传热量可由单个液滴的热通量和液滴分布求得。在推导单个液滴的传热阻力时,考虑到以下三方面的影响:表面曲率对初始液滴的影响、相际传质阻力对较大液滴的影响以及热传导对大液滴的影响。在罗斯模型基础上,后来的研究者进行了修正和完善,主要考虑液滴导热表达式、液滴的分布函数等。