CN102538542A - 一种仿生结构烟气冷凝式传热管 - Google Patents

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一种仿生结构烟气冷凝式传热管，将常规烟气冷凝式传热管表面制备成超疏水基底上分布亲水性凸起的仿生结构表面。烟气流经该传热管，烟气中的水蒸气在该仿生结构表面经历吸附、聚合长大和脱落三个环节的冷凝过程。该仿生结构烟气冷凝式传热管能够深度强化烟气中水蒸气的冷凝环节，并且在传热管表面能够稳定地形成珠状冷凝。本发明能够高效地回收工业烟气中的余热和水资源，提高能源利用效率，并且能够一定程度上防止低温腐蚀的发生。本发明更适用于工业领域中小温差传热场合应用。

Description

一种仿生结构烟气冷凝式传热管
技术领域
本发明涉及一种广泛应用于能源、化工、冶金、电力等多个工业领域中实现烟气余热深度利用与水资源回收的冷凝式传热管，具体涉及一种仿生结构烟气冷凝式传热管。
背景技术
电站锅炉和工业锅炉是两大耗能设备，其设计排烟温度均高于100℃，实际运行中排烟温度高于设计值5～10℃，使锅炉效率进一步降低。烟气余热包含显热和潜热两部分，以燃煤和燃气锅炉为例，燃煤锅炉烟气中水蒸气体积份额约为8％，携带热量占30％左右；燃气锅炉烟气中水蒸气体积份额高达20％，携带热量占65％左右。由此可见，工业烟气余热资源量大，涉及领域范围广，充分回收烟气中的显热和潜热，能够降低排烟温度，并且将烟气中水蒸气可资源化利用，对提高化石能源综合利用效率和促进工业节能具有重要意义。
烟气余热作为低品位能源的一种，在能源和环境问题日益突出的今天，得到各行各业的高度重视，相变传热是实现这种低温差传热的有效手段。将烟气温度降低到酸露点温度以下，实现烟气中余热和水蒸气冷凝回收，将节约大量能源和宝贵水资源；同时，水蒸气冷凝过程中可吸收烟气中的SOx和NOx等有害气体，减轻对环境的污染。总之，烟气余热回收利用具有节能、节水、减少CO2及其它有害气体排放等多重功效，是化石能源绿色利用的前沿领域。
相对于膜状冷凝，珠状冷凝是一种更高效的传热方式，其冷凝传热系数比膜状冷凝要提高1～2个数量级，如果能够在工业应用中实现该过程，将会大幅度降低传热面积，从而既能获得节能效果，又能降低设备成本，有着显著的经济和环境效益。但是，珠状冷凝在很大程度上依赖于传热管壁面的表面条件，在工业上它是一种不稳定的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效回收工业烟气余热和水资源的仿生结构烟气冷凝式传热管，本发明不仅能够深度强化烟气中水蒸气的冷凝传热特性，还能够在一定程度上防止低温腐蚀的发生。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括传热管基管以及设置在传热管基管外表面的超疏水基底层，在所述的超疏水基底层表面设置有亲水性凸起，超疏水基底层和其表面的亲水性凸起构成了仿生结构表面。
所述的亲水性凸起为球形、椭球形、四面体、六面体、柱状或销钉状结构，以随机无序或等间距地分布在超疏水性基底层上，且相邻亲水性凸起的间距为0.5～50mm，其中等间距排列分为顺排和叉排两种结构。
所述的亲水性凸起以肋状结构等间距地排列在超疏水性基底上，且相邻肋状亲水性凸起的间距为0.5～50mm，肋状亲水性凸起与传热管基管的管轴夹角β为0～90°。
所述的肋状亲水性凸起顶部开设均匀排列的凹槽，此凹槽将肋状亲水性凸起分隔为亲水性母凸起和亲水性子凸起。
所述的凹槽的长度相等均为0.1～30mm，亲水性子凸起与亲水性母凸起的高度比0.1～1。
所述的亲水性凸起的高度L与传热管基管当量外径的比值为0.01～0.5。
所述的传热管基管的管型为圆管、椭圆管、矩形通道、圆角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。
所述的传热管基管的材料为铜、碳钢、不锈钢、铝或纳米多孔结构陶瓷。
所述的传热管基管当量外径为4～300mm。
所述的传热管基管当量内径为3～300mm。
本发明采用亲水性和超疏水性区域有机结合的仿生结构表面。当烟气流经该传热管表面时，水蒸气的冷凝不仅仅是由于温差驱动而发生冷凝，仿生结构表面的“活性势”和烟气与壁面的温差共同构成水蒸气冷凝过程的驱动力；同时，亲水性凸起周围的超疏水性表面结构也有助于小水珠的聚和长大。该优点将大幅度强化珠状冷凝的传热特性，同时，超疏水性基底表面具有滚动阻力小的表面特性，有利于水珠滚动，在一定烟气流速条件下，大水珠更容易从传热管表面脱落，能够有效地限制水珠在传热管表面的滞留时间。因此，烟气中的酸蒸气溶于水后形成的酸液，能够及时排走，一定程度上防止了低温腐蚀的发生，保证了受热面的安全可靠性。由于本发明的上述优点，更适用于工业领域中小温差传热场合应用。
附图说明
图1a为亲水性表面润湿性示意图，图1b为超疏水性表面润湿性示意图；
图2为单个亲水性凸起无规则性分布的仿生结构表面示意图；
图3为肋状亲水性凸起的仿生结构表面示意图；
图4为肋状亲水性凸起上开设凹槽的仿生结构表面示意图；
图5为仿生结构烟气冷凝式传热管的冷凝过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是在常规烟气冷凝式传热管表面制备亲水性凸起1分布在超疏水基底2上的仿生结构表面。通过表面改性措施，把表面接触角θ小于90°的表面称为“亲水性表面”；把表面接触角θ非常大的表面(通常大于150°)称为“超疏水表面”。当水珠润湿亲水性表面时，固液接触面积较大，呈现出的状态如图1(a)所示。对于超疏水固体表面来说，其润湿性如图1(b)所示，表面不平有微小疏水性凸起，凹槽中充满空气，水与固体的接触面积会大大减小，水珠在其表面上滚动阻力较小。
参见图2，3，4，本发明包括传热管基管3以及设置在传热管基管3外表面的超疏水基底层2，在所述的超疏水基底层2表面设置有亲水性凸起1，超疏水基底层2和其表面的亲水性凸起1构成了一体化结构的仿生结构表面，亲水性凸起1的高度L与传热管基管3当量外径的比值为0.01～0.5。传热管基管3外表面的亲水性和超疏水性区域，将亲水性区域和超疏水性区域有机结合，按照表面结构不同，可以将其分为以下几类：
第一类，亲水性凸起1随机无序地分布在超疏水性基底2上(见图2)；
第二类，亲水性凸起1等间距地分布在超疏水性基底2上，其中等间距排列分为顺排和叉排两种结构，所述的顺排结构每四个亲水性凸起构成一个正方形，所述叉排结构每三个亲水性凸起构成一个等边三角形；
第一、二类的亲水性凸起均上以单个的形式设置在超疏水性基底层2上的，其形状为球形、椭球形、四面体、六面体、柱状或销钉状结构，相邻亲水性凸起的间距为0.5～50mm；
第三类，亲水性凸起1以肋状结构等间距地排列在超疏水性基底层2上(见图3)；
第四类，肋状亲水性凸起1顶部开设均匀排列的凹槽1c，此凹槽1c将肋状亲水性凸起1分隔为亲水性母凸起1a和亲水性子凸起1b，且凹槽1c的长度相等均为0.1～30mm，其中亲水性子凸起1b的高度是自凹槽1c以上的高度，亲水性子凸起1b与亲水性母凸起1a的高度比0.1～1(见图4)，由于亲水性子凸起1b之间存在均匀凹槽1c，所以凸起上液膜边界层被断开，使凝结液膜受到四周的拉薄作用而使液膜厚度减小；
第三、四类相邻肋状亲水性凸起的间距为0.5～50mm，肋状亲水性凸起1与传热管基管的管轴夹角β为0～90°。
如图5所示，工业烟气流经仿生结构烟气冷凝式传热管表面，壁面温度低于露点温度时，烟气中的水蒸气在温差和亲水性凸起1的表面活性势驱动下发生冷凝。将烟气中水蒸气的整个冷凝过程分作吸附、聚合长大和脱落三个环节：在吸附环节，靠近壁面附近的烟气温度降低到露点温度以下，烟气中的水蒸气凝结成液态，在亲水性凸起1上吸着，随着这一过程的进行，亲水性凸起1上逐渐聚合出一层薄薄的水膜，同时，水膜的表面张力和静电引力将进一步吸着烟气中的水蒸气。当水膜展布至亲水性凸起1与超疏水性基底2结合处时，则会因基底的超疏水性而被弹起，随后水膜则会在厚度方向增加，并渐渐形成小水珠。由于亲水性凸起1的尺寸及排布方式，部分小水珠将被弹回凸起上，加速水珠的形成；在聚合长大环节，亲水性凸起1上直径较小的小水珠不能够脱落，与邻近小水珠的接触而并发生聚合，之后继续长大；最终，水珠达到一定尺寸，逐渐滚动至周围的超疏水性基底2上，最终从传热管表面脱落。因此，该发明充分结合了亲水性和疏水性结构的特点，能够有效地强化水蒸气冷凝环节，达到回收烟气中余热和水资源的目的。另外，超疏水性基底2具有滚动阻力小的特点，有利用水珠滚动，在一定烟气流速条件下，水珠的脱落速率加快，不仅能够进一步强化冷凝效果，还能够限制水珠在表面上的停留时间，及时排走烟气中的酸蒸气溶于水后形成的酸液，一定程度上防止低温腐蚀的发生。

Claims (10)

1.一种仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：包括传热管基管(3)以及设置在传热管基管(3)外表面的超疏水基底层(2)，在所述的超疏水基底层(2)表面设置有亲水性凸起(1)，超疏水基底层(2)和其表面的亲水性凸起(1)构成了仿生结构表面。
2.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的亲水性凸起(1)为球形、椭球形、四面体、六面体、柱状或销钉状结构，以随机无序或等间距地排列在超疏水性基底层(2)上，且相邻亲水性凸起的间距为0.5～50mm，其中等间距排列分为顺排和叉排两种结构。
3.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的亲水性凸起(1)以肋状结构等间距地排列在超疏水性基底层(2)上，且相邻肋状亲水性凸起的间距为0.5～50mm，肋状亲水性凸起(1)与传热管基管的管轴夹角β为0～90°。
4.根据权利要求3所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的肋状亲水性凸起(1)顶部开设均匀排列的凹槽(1c)，此凹槽(1c)将肋状亲水性凸起(1)分隔为亲水性母凸起(1a)和亲水性子凸起(1b)。
5.根据权利要求3所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的凹槽(1c)的长度相等均为0.1～30mm，亲水性子凸起(1b)与亲水性母凸起(1a)的高度比0.1～1。
6.根据权利要求1-5中任意一项仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的亲水性凸起(1)的高度L与传热管基管(3)当量外径的比值为0.01～0.5。
7.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的传热管基管(3)的管型为圆管、椭圆管、矩形通道、圆角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。
8.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的传热管基管(3)的材料为铜、碳钢、不锈钢、铝或纳米多孔结构陶瓷。
9.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的传热管基管(3)当量外径为4～300mm。
10.根据权利要求1所述的仿生结构烟气冷凝式传热管，其特征在于：所述的传热管基管(3)当量内径为3～300mm。
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103017593A (zh) * 2012-12-13 2013-04-03 吉林大学 一种强化液膜蒸发换热的仿生表面结构
CN103206886A (zh) * 2013-03-28 2013-07-17 中国核电工程有限公司 一种水冷壁换热管热交换界面强化换热结构
CN104748604A (zh) * 2015-03-26 2015-07-01 中国科学院工程热物理研究所 一种带有疏水带的珠状凝结强化换热表面结构
CN105221941A (zh) * 2015-10-28 2016-01-06 福建中科芯源光电科技有限公司 具强化多层级导散热能力的led工矿灯
CN107906998A (zh) * 2017-10-27 2018-04-13 东南大学 一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管
CN108088282A (zh) * 2017-12-11 2018-05-29 重庆驰鼎节能科技有限公司 热量利用率高的余热回收热水机
CN108088281A (zh) * 2017-12-11 2018-05-29 重庆驰鼎节能科技有限公司 一种空压机的高效余热回收系统
CN108281686A (zh) * 2018-03-15 2018-07-13 吉林大学 一种具有自控温功能的仿生燃料电池
CN109059604A (zh) * 2018-06-15 2018-12-21 上海交通大学 一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法
CN109855438A (zh) * 2019-03-27 2019-06-07 常州大学 基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法
CN110940224A (zh) * 2018-09-21 2020-03-31 青岛海尔空调器有限总公司 一种换热器
CN112538865A (zh) * 2020-10-26 2021-03-23 四川君逸数码科技股份有限公司 一种地下综合管廊自动除湿系统
CN114593630A (zh) * 2022-03-29 2022-06-07 郑州轻工业大学 一种纳米磁性粒子亲疏水智能管及其控制系统
CN114993096A (zh) * 2022-02-28 2022-09-02 上海交通大学 一种表面亲水改性的强化传热传质管
CN115956900A (zh) * 2022-11-23 2023-04-14 天津理工大学 一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002310577A (ja) * 2001-04-13 2002-10-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多管式熱交換器
CN1693597A (zh) * 2005-06-08 2005-11-09 北京科技大学 一种具有高凝水率表面的集水器
CN201145509Y (zh) * 2007-12-11 2008-11-05 华南理工大学 内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管
JP4211671B2 (ja) * 2004-04-28 2009-01-21 株式会社デンソー 熱交換器
CN201844729U (zh) * 2009-07-16 2011-05-25 江苏萃隆精密铜管股份有限公司 一种强化冷凝管
CN102257345A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 西门子公司 具有提高的疏水性的冷凝器管及其制造方法和应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002310577A (ja) * 2001-04-13 2002-10-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 多管式熱交換器
JP4211671B2 (ja) * 2004-04-28 2009-01-21 株式会社デンソー 熱交換器
CN1693597A (zh) * 2005-06-08 2005-11-09 北京科技大学 一种具有高凝水率表面的集水器
CN201145509Y (zh) * 2007-12-11 2008-11-05 华南理工大学 内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管
CN102257345A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 西门子公司 具有提高的疏水性的冷凝器管及其制造方法和应用
CN201844729U (zh) * 2009-07-16 2011-05-25 江苏萃隆精密铜管股份有限公司 一种强化冷凝管

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103017593B (zh) * 2012-12-13 2014-06-18 吉林大学 一种强化液膜蒸发换热的仿生表面结构
CN103017593A (zh) * 2012-12-13 2013-04-03 吉林大学 一种强化液膜蒸发换热的仿生表面结构
CN103206886A (zh) * 2013-03-28 2013-07-17 中国核电工程有限公司 一种水冷壁换热管热交换界面强化换热结构
CN104748604A (zh) * 2015-03-26 2015-07-01 中国科学院工程热物理研究所 一种带有疏水带的珠状凝结强化换热表面结构
CN104748604B (zh) * 2015-03-26 2016-07-13 中国科学院工程热物理研究所 一种带有疏水带的珠状凝结强化换热表面结构
CN105221941A (zh) * 2015-10-28 2016-01-06 福建中科芯源光电科技有限公司 具强化多层级导散热能力的led工矿灯
CN107906998B (zh) * 2017-10-27 2020-05-19 东南大学 一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管
CN107906998A (zh) * 2017-10-27 2018-04-13 东南大学 一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管
CN108088282A (zh) * 2017-12-11 2018-05-29 重庆驰鼎节能科技有限公司 热量利用率高的余热回收热水机
CN108088281A (zh) * 2017-12-11 2018-05-29 重庆驰鼎节能科技有限公司 一种空压机的高效余热回收系统
CN108281686A (zh) * 2018-03-15 2018-07-13 吉林大学 一种具有自控温功能的仿生燃料电池
CN108281686B (zh) * 2018-03-15 2023-07-18 吉林大学 一种具有自控温功能的仿生燃料电池
CN109059604A (zh) * 2018-06-15 2018-12-21 上海交通大学 一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法
CN110940224A (zh) * 2018-09-21 2020-03-31 青岛海尔空调器有限总公司 一种换热器
CN109855438A (zh) * 2019-03-27 2019-06-07 常州大学 基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法
CN112538865A (zh) * 2020-10-26 2021-03-23 四川君逸数码科技股份有限公司 一种地下综合管廊自动除湿系统
CN112538865B (zh) * 2020-10-26 2022-03-08 四川君逸数码科技股份有限公司 一种地下综合管廊自动除湿系统
CN114993096A (zh) * 2022-02-28 2022-09-02 上海交通大学 一种表面亲水改性的强化传热传质管
CN114993096B (zh) * 2022-02-28 2023-10-13 上海交通大学 一种表面亲水改性的强化传热传质管
CN114593630A (zh) * 2022-03-29 2022-06-07 郑州轻工业大学 一种纳米磁性粒子亲疏水智能管及其控制系统
CN114593630B (zh) * 2022-03-29 2023-12-22 郑州轻工业大学 一种纳米磁性粒子亲疏水智能管及其控制系统
CN115956900A (zh) * 2022-11-23 2023-04-14 天津理工大学 一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置
CN115956900B (zh) * 2022-11-23 2023-12-26 天津理工大学 一种基于仿生冷凝基底的人体呼出物常温收集检测装置

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