CN106288915A - 基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热强化技术领域，具体涉及一种基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管。该冷凝管主要由换热管和多孔膜管构成。换热管内壁生长有憎液纳米层，多孔膜管基体上生长着亲液纳米层，表面布满通透微米孔。米级换热管与多孔膜管同轴安装，形成毫米级间隙，从而将纳米-微米-毫米-米级多尺度结构有机结合起来。蒸汽流经冷凝管，憎液纳米层促使冷凝液滴向管中心自主弹跳；管中心多孔膜管通过亲液纳米层捕获并收集弹跳液滴，通过微米孔表面张力将冷凝液束缚在膜管内流动。亲憎液表面配合及多尺度结构协作，保证了管内冷凝以滴状模式持续进行。本发明构造的多尺度冷凝管显著提升了换热性能，有利于推进能源高效利用与新能源开发。

Description

基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管

技术领域

本发明属于传热强化技术领域，涉及一种基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管。

背景技术

能源危机、环境恶化促使各国致力于能源高效利用与新能源开发。冷凝器大量应用于空调、发电、化工、航空等传统工业，且这些热功转换系统的能量损失中，冷凝器的不可逆换热损占据了相当大的比重，因此，提升冷凝器性能可极大提高能源利用效率。另外，随着能源深度利用的进行，分布广泛的工业余热、太阳能、地热能等低品位能源成为了重要研究对象。针对低品位能源的回收与利用，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统是低品位能源可能的有效利用途径。有机工质换热效率低，新能源温差小、热流密度低，因此冷凝器等换热设备体积庞大。例如，应用海水温差发电系统的冷凝换热器面积高达10⁴m²/MW。这使ORC系统投资成本远高于常规能源系统，从而难以大规模推广应用。因此提高冷凝器等设备换热效率，实现其小型化，将极大地提升传统工业能源利用效率，有力地推动低品位能源的开发。

套管式冷凝器是冷凝换热设备最常见的一种，目前，其冷凝传热强化手段主要包括扩展传热表面和管内插入物两类。常用的扩展表面包括各种内螺纹管、沟槽管、微肋管和异型管等，其中以微肋管应用最为广泛，而插入物则主要为各种形式的扭带、金属线圈、涡发生器等。通过优化扩展表面和插入物结构，以及对两种传热技术进行复合，管内冷凝传热得到了一定的强化。但这些冷凝传热技术是从单相强化传热引进过来的，其强化机理是扩展传热面积及破坏边界层发展，忽略了换热表面浸润性对冷凝换热性能的重要影响。

在冷凝传热模式中，滴状冷凝传热系数是膜状冷凝的10-100倍，而滴状冷凝仅发生憎液型换热表面上。根据Cassie浸润模型，憎液型表面成分需要具有极低的表面能，同时纳米结构等形成的大比表面积及粗糙度有利于提升憎液性能。蒸汽在憎液型表面冷凝后形成的液体不能顺利地浸润换热表面，因而形成液滴，而为附近的蒸汽与换热壁面直接接触创造了条件。如果形成的液滴在一定的技术下可以不断地脱落，从而防止换热壁面液膜的形成，则冷凝过程将保持极高的传热系数。因此，开发可持续的滴状冷凝模式是提高管内冷凝传热的重要途径。

发明内容

本发明通过亲憎液表面配合、以及纳米-微米-毫米-米级多尺度结构协作等，开发了一种将换热壁面冷凝保持在滴状模式下的多尺度冷凝管，可实现管内冷凝换热性能的显著提升。

本发明的技术方案如下：

基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管，由换热管1和多孔膜管3构成。所述换热管1内壁生长有憎液纳米层2；多孔膜管3的膜管基体4表面生长有亲液纳米层5；膜管基体4不连续，表面遍布通透微米孔6；多孔膜管3同轴心地插入换热管1内，与换热管1间形成毫米级间隙，所述换热管1长度为米级，从而构建起一个纳米-微米-毫米-米级结构有机结合的多尺度冷凝管。

优选地，换热管1单独使用，或者多根管形成管束，集合成套管换热器使用。

优选地，换热管1是光滑管、带扩展受热面的换热管或异型管；其中，带扩展受热面的换热管为翅片管、螺纹管、沟槽管。

优选地，憎液纳米层2和亲液纳米层5通过刻蚀法、化学液相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法、分子自组装法制备。

优选地，多孔膜管3为中空筒状结构，轴向上一端封口，另一端开口，且封口端迎着来流方向。

优选地，膜管基体4表面的微米孔6为规则、均匀孔洞或多层、交错缝隙。膜管基体4采用薄壁管激光、微电火花打孔或者采用金属丝编织，形成所述规则、均匀孔洞的微米孔6；膜管基体4采用纤维或粉末烧结形成所述多层、交错缝隙的微米孔6。

换热管1内壁憎液纳米层2促使冷凝液滴向管中心自主弹跳；管中心多孔膜管3通过亲液纳米层5和微米孔6捕获并收集弹跳液滴，从而使滴状冷凝持续进行，显著提升管内冷凝换热性能。

本发明的工作原理如下：当蒸汽在换热管内壁面冷凝时，由于内壁面生长有憎液型纳米结构，冷凝以滴状模式进行，同时，内壁面憎液纳米结构促使滴状冷凝产生的微液滴在聚合后，将表面能转化为机械能，从而向管子轴心方向发生弹跳，其原理与担子菌类利用表面冷凝水传播孢子相同。而换热管中心的多孔膜管通过亲液纳米层，可有效捕获从壁面弹跳而来的液滴，其原理与蜘蛛丝网捕水原理相仿。捕获的液滴充满多孔膜管，其表面亲液憎气，通过表面张力可有效地阻止气体进入多孔膜管内部，从而将蒸气约束在多孔膜管与换热管间的环隙中，由于蒸气流通面积的减少，蒸气速度加快，蒸气对壁面的快速吹拂又可以加快冷凝液滴的脱落。冷凝液滴自主弹跳并被捕获、蒸气加速促进液滴脱落、液滴捕获减少壁面沉降等因素，可有效地维持滴状冷凝的持续进行，因此，与传统光滑管内膜状冷凝模式相比，本发明可显著提升冷凝换热性能。

本发明的效果和益处是：本发明通过构造多尺度冷凝管，通过亲增液表面配合及多尺度结构协作，实现冷凝液滴自主弹跳、捕获与收集，保证了换热壁面滴状冷凝的持续进行，从而实现管内冷凝换热性能的显著提升。本发明可大幅降低冷凝器的不可逆换热损，提高能源利用效率，并有利于冷凝器的小型化、紧凑化，减少冷凝器投资成本，有利于推进低品位能源的回收与新能源的利用。

附图说明

图1是多尺度冷凝管结构及持续滴状冷凝原理示意图；

其中：(a)多尺度冷凝管结构示意图，(b)多孔膜管单元结构示意图，(c)憎液纳米层表面液滴自主弹跳原理示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步详细说明，但不以任何方式限制本发明的权利要求。

图1为多尺度冷凝管结构及持续滴状冷凝原理示意图，各标号的含义为：1-换热管，2-憎液纳米层，3-多孔膜管，4-膜管基体，5-亲液纳米层，6-微米孔，7-高速度冷凝液滴，8-低速度冷凝液滴，9-合并液滴，10-气液界面。

(a)分图为多尺度冷凝管结构示意图，该冷凝管主要由换热管1和多孔膜管3构成。换热管1内壁生长有憎液纳米层2。(b)分图为多孔膜管单元结构示意图，多孔膜管3的膜管基体4表面布满亲液纳米层5，且膜管基体4不连续，形成通透微米孔6。米级换热管1与多孔膜管3同轴安装，形成毫米级间隙。因此，本发明构建了一个纳米-微米-毫米-米级结构有机结合的多尺度冷凝管。

换热管1为工业上常用的冷凝金属管，其结构可以是光滑换热管或翅片管、微肋管、沟槽管等带扩展表面的换热管，也可以是波节管、椭圆管等异型换热管。

多孔膜管3为中空筒状结构，轴向上一端封口，另一端开口，安装时，封口端迎着来流方向。膜管基体4表面的微米孔6，可以是金属丝等形式的膜管基体4编织形成的规则、均匀孔洞，也可以是粉末形式的膜管基体4高温烧结形成的多层、交错的缝隙。

换热管1内壁憎液纳米层2以及多孔膜管基体4上的亲液纳米表面5的制备采用酸碱缓蚀、化学液相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法、分子自组装等简单可行、稳定可靠、可大规模工业生产的纳米材料制备技术。

(c)分图为憎液纳米层表面液滴自主弹跳原理示意图。蒸气流经换热管1时，由于内壁面生长有憎液型纳米结构2，冷凝以滴状模式进行。冷凝下来的液滴大小不同，加上蒸汽沿程冷凝，速度减缓，因此避免液滴向前滚动的速度也不同。当高速度冷凝液滴7追上低速度冷凝液滴8时，憎液纳米层2上液滴发生聚合形成合并液滴9，合并液滴9相对于高速度冷凝液滴7和低速度冷凝液滴8，表体面积总和减少，发生表面能向机械能的转化，促使合并液滴9向换热管1轴心方向自主弹跳。管中心多孔膜管3则通过亲液纳米层4对弹合并跳液滴9进行捕获和收集。同时，多孔膜管3利用表面微米孔6产生的表面张力，在微孔膜管3表面形成气液界面10，将冷凝液束缚在多孔膜管3流动，而将蒸气排挤在换热管1和多孔膜管3间的间隙流动。多孔膜管3与换热管1间环隙流通面积小于换热管1总的通流面积，蒸气速度加快，对流冷凝加强，同时也加快冷凝液滴的脱落。

通过亲疏液表面配合，憎液纳米层2实现液滴自主弹跳，亲液纳米层5实现液滴捕获，被微米孔6束缚在换热管1和多孔膜管3间的高速蒸汽加快液滴脱落，这三方面因素保证了本发明管内冷凝以滴状模式持续进行，从而显著提升冷凝换热性能，大幅降低冷凝器的不可逆换热损，提高能源利用效率，并有利于冷凝器的小型化、紧凑化，减少冷凝器投资成本，有利于推进低品位能源的回收与新能源的利用。

针对水蒸气冷凝换热过程，换热管1选用长1000mm、外径19mm、壁厚2mm、T2牌号的工业标准铜管，内壁憎液纳米层2采用弱碱腐蚀法制备，具体制备步骤如下：(1)将铜管浸泡于丙酮1h，去除表面油污，然后去离子水清洗三遍；(2)将去污后的铜管投入质量分数1％的稀盐酸溶液中，室温浸泡15min，去除表面氧化层，去离子水清洗三遍备用；(3)室温下，将去污、去氧化层的铜管浸泡在0.03mol/L NH₃·H₂O溶液中48h，盛装NH₃·H₂O溶液的器皿宜采用带密封盖的石英槽，以保证溶液环境的纯净并防止氨水的挥发。(4)浸泡后的铜管表面变蓝，生长出Cu(OH)₂纳米带，将其置于180℃的管式烧结炉中烘烤2h，将Cu(OH)₂完全脱水，在铜管内表面均匀生长上CuO纳米层结构。(5)将带纳米层的铜管浸入质量分数0.5％的1H,1H,2H,2H-perfluodecyltriethoxysilane(分子式：C₁₆H₁₉F₁₇O₃Si)水溶液中，室温浸泡1h；然后放入110℃管式烧结炉烘烤1h，即可在换热管1内壁制备出优良的憎液纳米层2。

多孔膜管3的膜管基体4采用65*600目的斜纹密织不锈钢网，其经纬丝径分别为140μm和90μm，形成的微米孔6当量孔径36μm。将丝网裁剪成长950mm、宽34.6mm(宽度等于多孔膜管3的圆周长)的长方形状，并卷制成直径11mm、长950mm的圆管，对接处采用电阻焊焊接，推荐焊接电流450A，单位脉冲数2，压力30N。圆管一端采用相同的焊接工艺，将一片直径11mm的相同结构的斜纹密织不锈钢网焊接上，从而加工出中空筒状的多孔膜管3。

多孔膜管3上的亲液纳米层5采用刻蚀法制备，具体制备步骤如下：(1)取50mL质量分数25％的氨水，90mL去离子水和1000mL无水乙醇，加入70mL正硅酸乙酯，反应90min后，滴加39mL的甲基三乙氧基硅烷，60℃下搅拌19h，制备出硅溶胶，并常温老化72h；(2)将焊接好的多孔膜管3浸泡于丙酮1h，去除表面油污，然后去离子水清洗三遍，氮气吹干备用；(3)将去污的多孔膜管3浸入硅溶胶5min后放入管式烧结炉，800℃烘烤2h，即可得到由SiO₂纳米颗粒组成的亲液纳米层5。

将长有亲液纳米层5的多孔膜管3，同轴地插入内壁生长有憎液纳米层2的换热管1中，多孔膜管3封口端迎着蒸汽来流方向，即可组装成基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管。上述示例性说明不应理解为对本发明进行限制。虽然已经公开了具体实施方式，本领域技术人员很容易理解示例性中可能的多种变形，而没有从本质上偏离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些变形都是包含在如权利要求所定义的本发明的范围中。

Claims (10)

1.基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管，由换热管(1)和多孔膜管(3)构成，其特征在于：所述换热管(1)内壁生长有憎液纳米层(2)；所述多孔膜管(3)的膜管基体(4)表面生长有亲液纳米层(5)；膜管基体(4)不连续，表面遍布通透微米孔(6)；多孔膜管(3)同轴心地插入换热管(1)内，与换热管(1)间形成毫米级间隙，所述换热管(1)长度为米级，从而构建起一个纳米-微米-毫米-米级结构有机结合的多尺度冷凝管。

2.根据权利要求1所述的多尺度冷凝管，其特征在于：所述换热管(1)单独使用，或者多根管形成管束，集合成套管换热器使用。

3.根据权利要求1或2任一项所述的多尺度冷凝管，其特征在于：所述换热管(1)是光滑管、带扩展受热面的换热管或异型管。

4.根据权利要求3所述的多尺度冷凝管，其特征在于：所述带扩展受热面的换热管为翅片管、螺纹管、沟槽管。

5.根据权利要求1所述的多尺度冷凝管，其特征在于：所述憎液纳米层(2)和亲液纳米层(5)通过刻蚀法、化学液相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法、分子自组装法制备。

6.根据权利要求1所述的多尺度冷凝管，其特征在于：所述多孔膜管(3)为中空筒状结构，轴向上一端封口，另一端开口，且封口端迎着来流方向。

7.根据权利要求1所述的多尺度冷凝管，其特征在于：膜管基体(4)表面的微米孔(6)为规则、均匀孔洞或多层、交错缝隙。

8.根据权利要求7所述的多尺度冷凝管，其特征在于：膜管基体(4)采用薄壁管激光、微电火花打孔或者采用金属丝编织，形成所述规则、均匀孔洞的微米孔(6)。

9.根据权利要求7所述的多尺度冷凝管，其特征在于：膜管基体(4)采用纤维或粉末烧结形成所述多层、交错缝隙的微米孔(6)。

10.根据权利要求1所述的多尺度冷凝管，其特征在于：换热管(1)内壁憎液纳米层(2)促使冷凝液滴向管中心自主弹跳；管中心多孔膜管(3)通过亲液纳米层(5)和微米孔(6)捕获并收集弹跳液滴，从而使滴状冷凝持续进行，显著提升管内冷凝换热性能。