CN105716467A - 一种智慧型沸腾表面及其调控沸腾方法 - Google Patents
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Abstract
一种智慧型沸腾表面，包括基面、一级微结构表面、次级微纳结构表面、相变材料；基面表面通过机械切削、化学蚀刻、激光烧蚀、3D打印方法形成一级微结构表面，一级微结构表面通过气相沉积、化学蚀刻、电化学镀膜方法形成次级微纳结构表面，相变材料与一级微结构表面的凹槽内次级微结构表面融合。本发明提出了一种复合型的表面结构，实现了沸腾表面浸润性可随过热度特征而智能改变的自适应性效果，达到了基于沸腾换热不均引起局部过热度升高而调控沸腾表面浸润性的目的，进而改善局部沸腾换热，提高均温性。
Description
技术领域
本发明设计沸腾强化换热技术，尤其涉及一种智慧型沸腾表面及其调控沸腾方法。
背景技术
沸腾现象在现代工业生产和生活中广泛存在，强化沸腾换热一直是沸腾领域的研究热点问题，其不仅能够提高装备的换热效率，达到节能减排的效果，而且能够有效的降低装备的安全风险，具有广泛的应用价值和前景。
对于沸腾表面的改进工作，已经从传统的表面结构加工(如加肋片结构等)发展到当前的微结构多空表面结构(如美国专利4216826，3384154，33523577，3587730，4780373，中国专利200780013060.5，201210447107.1,2013104603624,2012103460313等)。微结构沸腾表面已经能够有效的达到提高沸腾换热系数和增强装备换热性能的目的。尽管现有的强化表面已经从传统的扩展表面发展到改善浸润性和提高汽化核心等方法上，但其表面形成的特性是固定的。值得指出的是，这种表面与传统表面存在的一个共同问题是在沸腾过程中由于流型、过热度、热流密度等因素的影响，局部沸腾的汽化核心的形成具有一定的随机性，而这种随机性导致沸腾表面的沸腾现象并不具有均一性，从而导致表面的传热恶化，造成局部过热度升高，局部应力增加，最终出现沸腾危机。因此，在现实工业应用中，沸腾危机往往是从局部开始发展的。然而，现有的强化沸腾表面仅仅能从整体上提升换热设备的效率，并不能从本质上解决局部沸腾危机恶化的问题。
因此，强化沸腾表面在如何实时智能的对局部沸腾换热系数进行有效的调控，提高沸腾换热的均匀性，改善局部过热度还有进一步提升的空间。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种智慧型沸腾表面及其调控沸腾方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种智慧型沸腾表面，其特征包括基面、一级微结构表面、次级微纳结构表面或相变材料；基面表面通过机械切削、化学蚀刻、激光烧蚀、3D打印方法形成一级微结构表面，一级微结构表面通过气相沉积、化学蚀刻或电化学镀膜方法形成次级微纳结构表面，相变材料与一级微结构表面的凹槽内的次级微结构表面融合。
所述的基面的材料属性为常见金属和合金材料。
所述的一级微结构表面为由凸起和凹槽组成的规则的锯齿状、槽状结构，间距(L1)和深度(H1)范围为50μm～1mm。其材料属性为常见金属和合金材料，可采用与基面相同或导热系数为基面90％以上的材料。
所述的次级微纳结构表面为由纳米颗粒和微纳米孔构成的多孔结构，其主要分布于一级微结构表面的凹槽内，其结构尺度间距(L2)和深度(H2)均为10m～10μm。纳米颗粒包括高导热系数的石墨烯、碳纳米管(CNT)、金属纳米材料。
所述的一级微结构表面的凹槽内次级微结构表面与相变材料融合后形成的复合表面为接触角30°～60°的亲水表面。未融合相变材料下一级微结构表面与次级微纳结构表面与形成的复合表面为接触角<10°的超亲水表面。
所述的相变材料为低熔点合金材料，其熔点为沸腾表面过热度上限设定值，其导热系数为基面材料的80％以上。
一种智慧型沸腾表面的调控沸腾方法：热量通过基面传递到沸腾表面加热液体(如水)沸腾，初始阶段由于相变材料与一级微结构表面的凹槽内次级微纳结构表面融合使得沸腾表面为接触角为30°～60°的亲水表面，能够起到一定的强化沸腾的效果；由于沸腾汽化核心的产生存在不确定性和随机性，随着加热的持续进行，沸腾表面的均温性逐渐变差，当局部过热度达到相变材料的熔点时，局部过热处的相变材料开始融化，在重力和流体携带作用下，一级微结构表面与次级微纳结构表面开始形成接触角为<10°的新的超亲水表面，在超亲水表面的作用下，局部沸腾系数快速上升，换热效果提高，进而减小局部过热度，提高沸腾表面的均温性，防止局部过热。
与传统技术相比，本发明主要优点和特色在于，本发明提出了一种复合型的表面结构，实现了沸腾表面浸润性可随过热度特征而智能改变的自适应性效果，达到了基于沸腾换热不均引起局部过热度升高而调控沸腾表面浸润性的目的，进而改善局部沸腾换热效果。
附图说明
图1是一种智慧型沸腾表面结构示意图；
图2是一级微结构表面结构特征；
图3是次级微纳结构表面结构特征；
图4是一级微结构表面凹槽内次级微结构表面与相变材料融合后形成的复合表面特征；
图5是未融合相变材料的一级微结构表面凹槽内次级微结构表面形成的复合表面特征；
图中：基面1、一级微结构表面2、次级微纳结构表面3、相变材料4、凸起5、凹槽6、纳米颗粒7和微纳米孔8。
具体实施方式
如图1所示，一种智慧型沸腾表面，其特征包括基面1、一级微结构表面2、次级微纳结构表面3、相变材料4；基面1表面通过机械切削、化学蚀刻、激光烧蚀或3D打印方法形成一级微结构表面2，一级微结构表面通过气相沉积、化学蚀刻或电化学镀膜方法形成次级微纳结构表面3，相变材料4与一级微结构表面2的凹槽内的次级微结构表面3融合。
所述的基面1的材料属性为常见金属和合金材料。
如图2所示，所述的一级微结构表面2为由凸起5和凹槽6组成的规则的锯齿状、槽状结构，间距(L1)和深度(H1)范围为50μm～1mm。其材料属性为常见金属和合金材料，可采用与基面1相同或导热系数为基面90％以上的材料。
如图3所示，所述的次级微纳结构表面3为由纳米颗粒7和微纳米孔8构成的多孔结构，其主要分布于一级微结构表面2的凹槽6内，其结构尺度(L2,H2)为10m～10μm。纳米颗粒7包括高导热系数的石墨烯、碳纳米管(CNT)、金属纳米材料。
如图4和图5所示，所述的一级微结构表面2的凹槽6内次级微结构表面3与相变材料4融合后形成的复合表面的接触角为30°～60°的亲水表面。未融合相变材料4下一级微结构表面2与次级微纳结构表面3与形成的复合表面的接触角为<10°的超亲水表面。
所述的相变材料4为低熔点合金材料，其沸点为沸腾表面过热度上限设定值，其导热系数为基面1材料的80％以上。
所述智慧型沸腾表面的调控沸腾方法，其特征在于：热热量通过基面1传递到沸腾表面加热液体(如水)沸腾，初始阶段由于相变材料4与一级微结构表面2的凹槽6内次级微纳结构表面3融合使得沸腾表面为接触角为30°～60°的亲水表面，能够起到一定的强化沸腾的效果；由于沸腾汽化核心的产生存在不确定性和随机性，随着加热的持续进行，沸腾表面的均温性逐渐变差，当局部过热度达到相变材料4的熔点时，局部过热处的相变材料4开始融化，在重力和流体携带作用下，一级微结构表面2与次级微纳结构表面3开始形成接触角为<10°的新的超亲水表面，在超亲水表面的作用下，局部沸腾系数快速上升，换热效果提高，进而减小局部过热度，提高沸腾表面的均温性，防止局部过热。
本发明的具体工作过程如下：
在池态沸腾情况下，沸腾表面被加热升温后，达到一定的过热度，沸腾表面开始沸腾，开始时，过热度较低，相变材料与一级微结构表面和次级微纳结构表面融合构成接触角为30°～60°的亲水表面，此时，由于沸腾表面的汽化核心并不是均匀产生的。因此，存在局部沸腾不均的问题，这会导致沸腾表面的局部过热度不同。随着加热功率的增加，沸腾表面的过热都升高，局部过热都的不均匀性更加明显，当加热功率达到一定是，局部过热度出现沸腾危机或设定的限值，此时局部的相变材料开始融化，到时次级微纳结构表面露出，与一级微结构表面构成新的接触角小于10°的超亲水表面，超亲水表面进而强化了局部沸腾换热系数，原先过热都较高的局部表面的换热系数增加，过热都降低，使得整个沸腾表面的沸腾换热更加均匀，沸腾表面的均温性更好。
在流动沸腾条件下，在同一位置，其工作原理池态沸腾现象相似，及管道被加热后，管壁升温达到一定的过热度管内开始沸腾，开始时，过热度较低，相变材料与一级微结构表面和次级微纳结构表面融合构成接触角为30°～60°的亲水表面，此时，由于沸腾表面的汽化核心并不是均匀产生的，因此，存在局部沸腾不均的问题，导致沸腾表面的局部过热度不同。随着加热功率的增加，沸腾表面的过热都升高，局部过热都的不均匀性更加明显，当加热功率达到一定是，局部过热度出现沸腾危机或设定的限值，此时局部的相变材料开始融化，到时次级微纳结构表面露出，与一级微结构表面构成新的接触角小于10°的超亲水表面，超亲水表面进而强化了局部沸腾换热系数，原先过热都较高的局部表面的换热系数增加，过热都降低，使得轴向表面的沸腾换热更加均匀，沸腾表面的均温性更好。于此同时，在流动方向上，由于流型随着管内沸腾过程的发生出现了变化，沿着流向，管内由于流型不同，到时流向出现明显的温差，在换热较差的区域，由于过热度升高较快，最先达到设定的限值，导致相变材料率先融化，从而形成超亲水表面，超亲水表面可以改善该部分的换热系数，从而使得不利于换热流型区域的换热系数得到提高，管内流向上的换热温差得到改善，提高了管道的均温性，从而减小了换热管道在流向上的温差应力，也延缓了沸腾危机的发生。
与传统技术相比，本发明主要优点和特色在于，本发明提出了一种复合型的表面结构，实现了沸腾表面浸润性可随过热度特征而智能改变的自适应性效果，达到了基于沸腾换热不均引起局部过热度升高而调控沸腾表面浸润性的目的，进而改善局部沸腾换热效果。
Claims (7)
1.一种智慧型沸腾表面，其特征在于包括基面(1)、一级微结构表面(2)、次级微纳结构表面(3)、相变材料(4)；基面(1)表面通过机械切削、化学蚀刻、激光烧蚀或3D打印方法形成一级微结构表面(2)，一级微结构表面通过气相沉积、化学蚀刻或电化学镀膜方法形成次级微纳结构表面(3)，相变材料(4)与一级微结构表面(2)的凹槽内的次级微结构表面(3)融合。
2.根据权利要求1所述的一种智慧型沸腾表面，其特征在于所述的基面(1)的材料属性为常见金属和合金材料。
3.根据权利要求1所述的一种智慧型沸腾表面，其特征在于所述的一级微结构表面(2)为由凸起(5)和凹槽(6)组成的规则的锯齿状、槽状结构，间距(L1)和深度(H1)范围为50μm～1mm，其材料属性为常见金属和合金材料，可采用与基面(1)相同或导热系数为基面90％以上的材料。
4.根据权利要求1所述的一种智慧型沸腾表面，其特征在于所述的次级微纳结构表面(3)为由纳米颗粒(7)和微纳米孔(8)构成的多孔结构，其主要分布于一级微结构表面(2)的凹槽(6)内，其结构尺度间距(L2)和深度(H2)均为10m～10μm，纳米颗粒(7)包括高导热系数的石墨烯、碳纳米管、金属纳米材料。
5.根据权利要求1所述的一种智慧型沸腾表面，其特征在于所述的一级微结构表面(2)的凹槽(6)内次级微结构表面(3)与相变材料(4)融合后形成的复合表面为接触角30°～60°的亲水表面，未融合相变材料(4)下一级微结构表面(2)与次级微纳结构表面(3)形成的复合表面为接触角<10°的超亲水表面。
6.根据权利要求1所述的一种智慧型沸腾表面，其特征在于所述的相变材料(4)为低熔点合金材料，其熔点为沸腾表面过热度上限设定值，其导热系数为基面(1)材料的80％以上。
7.一种使用如权利要求1所述装置的调控沸腾方法，其特征在于：热量通过基面(1)传递到沸腾表面加热液体沸腾，初始阶段由于相变材料(4)与一级微结构表面(2)的凹槽(6)内次级微纳结构表面(3)融合使得沸腾表面为接触角为30°～60°的亲水表面，能够起到一定的强化沸腾的效果；由于沸腾汽化核心的产生存在不确定性和随机性，随着加热的持续进行，沸腾表面的均温性逐渐变差，当局部过热度达到相变材料(4)的熔点时，局部过热处的相变材料(4)开始融化，在重力和流体携带作用下，一级微结构表面(2)与次级微纳结构表面(3)开始形成接触角为<10°的新的超亲水表面，在超亲水表面的作用下，局部沸腾系数快速上升，换热效果提高，进而减小局部过热度，提高沸腾表面的均温性，防止局部过热。
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