Water vapor condensation and condensation-induced frosting occur frequently in diverse industrial fields; therefore, enhancing the condensation heat transfer performance can increase the overall system’s efficiency. Dropwise condensation induced by a superhydrophobic surface generally leads to improved performance compared to filmwise condensation by the frequent shedding of condensed droplets. Additionally, the superhydrophobic surface minimizes frost formation by rapidly removing droplets and inhibiting nucleation. However, finding a superhydrophobic surface with appropriate durability remains challenging owing to the harsh environment encountered by many condensers. In this thesis, we propose a robust ceria-based superhydrophobic surface for long-lasting dropwise condensation and anti-frosting, where the superhydrophobicity is induced by hydrocarbon adsorption on the surface due to ceria, not by coating itself. The surface characterization results indicate that rapid self-recovery of superhydrophobicity (~48 hours) is possible by incorporating polymeric binders as a hydrocarbon source. The developed surface can provide enhanced durability even after various harsh environmental conditions, including mechanical, chemical, and frosting damages. The heat transfer performance was 2~3x higher than the filmwise mode, and the enhanced performance was maintained over a prolonged period due to the sustainable dropwise mode compared to conventional hydrophobic coating. Furthermore, since the condensation frosting inevitably occurs at the heat exchanger, fully coated with the superhydrophobic surface, it was coated only at the edge to delay the frost propagation efficiently. Compared to the bare heat exchanger, the edge-coated heat exchanger provided a 67% decrease in air side pressure and an 18% increase in heat transfer rate. Our results suggest that the ceria-based superhydrophobic surface can promote long-lasting dropwise condensation and efficient frosting delay, facilitating effective heat transfer in practical applications where poor heat transfer performance is prevalent due to the filmwise mode.
응축 및 결빙은 다양한 산업 분야에서 빈번하게 발생하므로 응축 열전달 성능 및 결빙 지연 성능을 향상시키면 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다. 초발수성 표면에 의해 유도되는 액적 응축은 일반적으로 응축된 물방울이 빠르게 제거되어 막 응축에 비해 성능이 높다. 또한 초발수성 표면은 물방울을 빠르게 제거하고 결빙 핵 생성을 억제하여 결빙 형성을 최소화한다. 그러나 많은 응축기는 가혹환 환경에 노출되어 있고, 이로 인해 적절한 내구성을 갖춘 초발수성 표면을 찾는 것은 매우 어렵다. 본 논문에서는 코팅 자체가 아닌 세리아에 의한 표면의 탄화수소 흡착에 의해 초발수성이 유도되는 세리아 기반 초발수성 표면을 사용하여 장기간 지속되는 액적 응축 및 결빙 방지에 적용하였다. 표면 특성 분석 결과, 탄화수소 공급원으로 고분자 바인더를 도입하면 빠른 초발수성 자가 회복(~48시간)이 가능하다는 것을 확인하였다. 개발된 표면은 기계적, 화학적, 착/제상 등의 다양한 가혹한 환경 조건에서도 향상된 내구성을 지닌다. 막 응축과 비교했을 때 2~3배 높은 열전달 성능을 보였으며, 기존 발수성 코팅 대비 지속 가능한 액적 응축으로 인해 향상된 성능이 장기간 유지되었다. 또한 초발수성 코팅으로 전체가 도포된 열교환기에서도 결빙 현상이 필연적으로 발생하기 때문에 가장자리 부분에만 코팅하여 결빙을 효율적으로 지연시켰다. 엣지 코팅 열교환기는 기존 초친수성 열교환기에 비해 공기 압력 강하를 67% 감소시키고 열전달율을 18% 증가시켰다. 결과적으로 세리아 기반 초발수성 표면은 지속 가능한 액적 응축과 효율적인 결빙 지연을 촉진하여 막 응축으로 인해 열전달 성능이 떨어지는 실제 응용 분야에서 효과적인 열전달을 촉진할 수 있음을 시사한다.
