图形摘要

冰的形成和堆积是许多建筑能源应用的严重问题。当前的除霜方法通过反转系统循环方向来加热工作流体，消耗了大量能量。此外，除霜循环后热交换器上残留的水会降低长期传热性能。在这里，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和日本九州大学的研究人员研究了具有空间上不同的润湿性域的超疏水和双亲水表面的除霜行为。通过光学成像，研究人员显示了在双亲性区域的除霜是动态的，由于高流动性的融雪，冰/霜层经历了自发运动。动态除霜的高迁移率使表面力能够“拉动”并在超疏水区域融化之前将其从超疏水区域清除。为了探索模式异质性的影响，研究人员还研究了自然启发的双亲性模式，例如香蕉叶。他们的工作提供了设计非均质除霜涂层所需的基本知识，并阐明了润湿性梯度对除霜动力学的作用。

固体表面上的积冰和结霜是对于工业应用至关重要的现象，例如加热、通风、空调和制冷（HVAC＆R）系统、飞机、能量转换系统和运输平台。在美国，结冰和结霜是一个花费数十亿美元的问题。在HVAC＆R系统的热交换器表面上结霜会降低传热效率，并导致巨大的经济损失，因此除霜成为必需的工程协定。一般来说，有两种除霜方法:被动除霜和主动除霜。被动方法使用工程表面来延迟或减少霜的形成，而不会增加功耗。主动方法需要额外的电源输入以进行除霜。关于被动除霜方法，研究人员一直在开发疏水性和超疏水性（SHP）表面，以试图延缓结霜。当前制造防冻表面的方法集中在粗糙的疏水表面上，以增加冰成核的能量屏障并且一旦霜不可避免地形成，进一步降低接触角滞后和冰粘附强度。

尽管在SHP表面显示出结霜延迟，但仍无法完全消除结霜。如果有足够的时间，结霜将开始并蔓延到整个表面。代替该事实的是，已经开发了在表面上使用牺牲冰条以使周围区域干燥较长时间（> 3小时）的防霜表面。然而，缺乏简单和被动的除霜策略来保证过冷表面上不形成冰/霜。

由于无限期地防止结霜的局限性，工业应用通常依赖于主动除霜技术。存在三种主动除霜方法：系统除霜、电流体力学（EHD）和振荡/超声振动。由于EHD和振动除霜在经济上不可行，因此系统除霜是首选。一种系统除霜方法是利用循环方向的反转来加热工作流体并融化霜。但是，（1）高达总除霜热输入的27%除霜热量仅用于加热蒸发器，（2）高达75%的除霜能量用于加热制冷系统，而不是除冰。此外，在霜冻、除霜和再霜冻过程中，在热交换器上会观察到保水现象，这将使总的传热系数降低多达20％，并在下一个霜冻循环中充当霜核成核的种子层。

为了消除水分滞留，研究人员研究了SHP(θa→180°)和双亲水表面的动态除霜。双亲性表面由空间上不同的超低表面能SHP和高能表面亲水性(HL)(θa= 78°)域。在SHP区域除霜后，霜融化成高度流动的雪泥。据观察，泥浆的高迁移率使得能够利用HL区域的表面力在完全融化之前将雪泥从SHP区域“拉”出来，即使没有重力或气体剪切等外力的情况下。我们优化了双亲表面的设计，以便在动态除霜过程中更快地清洁表面的SHP区域，并减少SHP区域的保水率。对具有水平（无重力）和垂直（具有重力）配置的表面进行了双亲表面设计优化。研究并优化了基于香蕉叶的分支双亲设计，以实现动态除霜期间的表面清洁。此外，研究人员还研究了双亲表面在蒸发介导的表面清洁和干燥过程中的性能。他们的工作不仅为合理制造用于动态除霜的双亲表面提供了基本的设计准则，而且阐明了可湿性梯度对除霜动力学的作用。最后的结果为通过确定过程中的关键瓶颈提供了进一步减少除霜时间的途径，并提供了设计方法以创建有效的工业应用除霜增强表面。

下图显示了SHP和双亲表面上动态除霜的延时图像。时间t= 0代表首次目视观察到霜融化的瞬间。下图A显示了水平SHP表面上除霜的普通视角延时图像。除霜后，观察到以形成水坑的融化水的形式保留水。除霜后，观察到以形成水坑融化水的形式保留水。为了在除霜过程中被动清洁表面，使用双亲表面对动态除霜进行了测试，该表面能够使表面力发生梯度，从而去除流动的雪泥。由于SHP和HL区域之间的拉普拉斯压力梯度，双亲表面上的HL区域从SHP区域拉出了泥浆。

显示在水平定向的SHP表面上除霜的实验视频，其中观察到除霜后的水滞留。

此外，为了优化其双亲表面的设计并了解图案异质性的影响，研究小组研究了以香蕉叶为灵感的分支双亲图案，以确定它是否可以减少清洁时间。他们观察到，与分支设计相比，二元双亲设计更易于制造，并且在除霜过程中具有更好的表面清洁性能。

除霜循环要求系统关闭，霜完全融化，表面清洁后再重新启动系统，这耗费了大量的时间和精力。通过利用润湿性图案化的双亲水表面来提高清洁效率可以减少系统停机时间和除霜能量输入，从而提高整体效率。

他们的工作不仅为制造双亲表面提供了基本的设计准则，而且还说明了可湿性梯度对除霜动力学的作用。研究人员的未来工作将通过确定过程中的关键瓶颈来进一步减少除霜时间，并提供设计方法以创建有效的除霜增强表面以用于工业应用。

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本文来源：DOI: 10.1016/j.matt.2020.06.029

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