CN109023318B - 一种提高换热器换热系数的表面处理方法 - Google Patents

一种提高换热器换热系数的表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高换热器换热系数的表面处理方法，属于换热器技术领域。本发明将铜盐加入到水中配制成铜盐溶液，将银盐加入到水中配制成银盐溶液；将酸加入到铜盐溶液中得到铜盐‑酸表面处理溶液，将酸加入到银盐溶液中配制成银盐‑酸表面处理溶液；在温度为20~90℃条件下，将换热器置于铜盐‑酸表面处理溶液或银盐‑酸表面处理溶液中处理0.5~8h即得换热器多孔表面；或者配制酸溶液，在温度为20~90℃条件下，将换热器置于铜盐溶液或银盐溶液中浸泡反应0.1~30s，再置于温度为20~90℃的酸溶液中浸泡反应0.5~8h即得换热器多孔表面。本发明方法利用置换反应可以有效提高换热器换热系数，强化工质的沸腾传热。

Description

一种提高换热器换热系数的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种提高换热器换热系数的表面处理方法，属于换热器技术领域。
背景技术
传热强化技术的最重要进展，是通过改变形貌以带来高性能的核态沸腾带来的。液体工质的沸腾传热相对其单相强制对流来说传热系数高出1~2个数量级。从上个世纪60年代开始，商业化的强化传热表面逐渐出现。根据强化原理主要分为三类：表面涂敷物、涂层和整体粗糙法。在这些方法中，微结构化表面传热能力最显著，经济效益最高，因而也最受关注。
对于表面覆盖方法，覆盖层由金属材料制成，因此导热性能好，可以耐受很高的热流密度(超过106W m-2 )。这种方法的最大缺点就是生产工艺太复杂。机械加工出的微多孔、微槽结构表面导热率高，也能耐受很高热流密度，但它们的生产属于劳动力密集型，并且形成的孔穴往往很大，这意味着一方面能够提供的毛细压力太小，一方面对高度润湿性的有机物的强化效果降低。此外，其孔隙率较低，约为30~35%。火焰或者等离子喷涂的微结构传热性能虽高，但是结构参数难以精确控制，并且不能在管子内表面制造出金属多孔层。此外，因为加工过程伴随很高温度，孔穴容易收缩，颗粒容易熔化，因此孔隙率较低(30~45%)。使用烧结工艺制成的微多孔表面传热性能非常优秀，具有目前公认的最佳传热强化性能，再加上生产容易、可以烧结在金属管子的内外表面，但其成本高。目前利用化学腐蚀获得换热器多孔表面结构的办法存在如下问题：（1）因为这种方法得到的多孔层的孔径小、分布不均匀；（2）因为材料的强度下降且使用寿命较短；（3）加工工艺复杂、成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种提高换热器换热系数的表面处理方法，本发明方法利用换热器表面的金属置换铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液中的氢离子和惰性金属离子铜离子或银离子，反应过程中，惰性金属离子铜离子或银离子先被换热器表面金属置换成铜单质或银单质附着在换热器的金属表面，铜单质或银单质与换热器的金属形成原电池，铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液中惰性金属离子铜离子或银离子与换热器的金属单质发生置换反应形成铜纳米颗粒或银纳米颗粒沉积在换热器的金属单质表面，与铜颗粒接触的换热器金属不断失去电子生成金属离子溶于铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液中，铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液的氢离子在铜纳米颗粒表面或银纳米颗粒表面得电子生成氢气，同时，随着与铜纳米颗粒或银纳米颗粒接触的换热器金属单质不断消失，铜纳米颗粒或银纳米颗粒逐渐向换热器的内部运动，并形成孔道，通过控制铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液中惰性金属离子铜离子或银离子的浓度，可以调控换热器的孔洞的密度分布。
本发明方法利用换热器表面的金属置换铜盐溶液或银盐溶液中的惰性金属离子铜离子或银离子，反应过程中，惰性金属离子铜离子或银离子被换热器表面金属置换成铜单质或银单质附着在换热器的金属表面，铜单质或银单质与换热器的金属形成原电池，铜盐溶液或银盐溶液中惰性金属离子铜离子或银离子与换热器的金属单质发生置换反应形成铜纳米颗粒或银纳米颗粒沉积在换热器的金属单质表面，再将换热器放置在酸溶液中，与铜颗粒接触的换热器金属不断失去电子生成金属离子溶于酸溶液中，酸溶液的氢离子在铜纳米颗粒表面或银纳米颗粒表面得电子生成氢气，同时，随着与铜纳米颗粒或银纳米颗粒接触的换热器金属单质不断消失，铜纳米颗粒或银纳米颗粒逐渐向换热器的内部运动，并形成孔道，通过控制铜盐溶液或银盐溶液中惰性金属离子铜离子或银离子的浓度和酸溶液的浓度，可以调控换热器的孔洞的密度分布。
一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将铜盐加入到水中配制成铜盐溶液，将银盐加入到水中配制成银盐溶液；
（2）将酸加入到步骤（1）的铜盐溶液中得到铜盐-酸表面处理溶液，将酸加入到步骤（1）的银盐溶液中配制成银盐-酸表面处理溶液；其中酸为HNO3、HCl或H2SO4；
（3）在温度为20~90℃条件下，将换热器置于步骤（2）的铜盐-酸表面处理溶液或银盐-酸表面处理溶液中处理0.5~8h即得换热器多孔表面；
（4）配制酸溶液，其中酸溶液为HNO3、HCl或H2SO4的稀酸溶液，在温度为20~90℃条件下，将换热器置于步骤（1）的铜盐溶液或银盐溶液中浸泡反应0.1~30s，再置于温度为20~90℃的酸溶液中浸泡反应0.5~8h即得换热器多孔表面；
所述步骤（1）中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.0001~0.01mol/L，银盐溶液中银离子的浓度为0.001~0.01mol/L；
步骤（2）铜盐-酸表面处理溶液中酸的浓度为0.5~8mol/L，银盐-酸表面处理溶液中酸的浓度为0.5~8mol/L；
所述步骤（4）酸溶液的浓度为0.5~8mol/L；
所述换热器的内部尺寸为500微米以上；
本发明的有益效果：
（1）本发明利用置换反应，惰性金属离子铜离子或银离子被换热器表面金属置换成铜单质或银单质附着在换热器的金属表面，铜单质或银单质与换热器的金属形成原电池，惰性金属离子铜离子或银离子与换热器的金属单质发生置换反应形成铜纳米颗粒或银纳米颗粒沉积在换热器的金属单质表面，与铜颗粒接触的换热器金属不断失去电子生成金属离子溶于溶液中，溶液的氢离子在铜纳米颗粒表面或银纳米颗粒表面得电子生成氢气，同时，随着与铜纳米颗粒或银纳米颗粒接触的换热器金属单质不断消失，铜纳米颗粒或银纳米颗粒逐渐向换热器的内部运动，并形成孔道，通过控制惰性金属离子铜离子或银离子的浓度和酸的浓度，可以调控换热器的孔洞的密度分布；
（2）本发明方法可以均匀有效增加换热器比表面积，增大换热器表面的粗糙度，使沸腾换热系数增大，临界热流密度增大，有利于沸腾换热；
（3）本发明方法可对尺寸为微米级的换热器的表面进行处理，提高微米级的换热器换热系数。
（4）本发明方法利用置换反应可以有效提高换热器换热系数，强化工质的沸腾传热。
附图说明
图1为实施例1的原理示意图；
图2为实施例1的铁表面换热器多孔表面SEM图；
图3为实施例2的铁表面换热器多孔表面SEM图；
图4为实施例3的铁表面换热器多孔表面SEM图；
图5为实施例4的铁表面换热器多孔表面SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将铜盐（硝酸铜）加入到水中配制成铜盐溶液；其中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.002mol/L；
（2）将步骤（1）的硝酸加入到步骤（1）的铜盐溶液中得到铜盐-酸表面处理溶液；其中铜盐-酸表面处理溶液中H+浓度为1mol/L；
（3）在温度为90℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（2）的铜盐-酸表面处理溶液中处理30min即得铁表面换热器多孔表面；
本实施例的原理示意图如图1所示，铜盐-酸表面处理溶液中的铜离子与金属单质发生置换反应，形成铜纳米颗粒沉积在金属单质表面，与铜颗粒接触的铁不断失去电子生成铁离子溶于铜盐-酸表面处理溶液中，铜盐-酸表面处理溶液中的氢离子则在铜纳米颗粒表面得电子生成氢气，同时，随着与铜纳米颗粒接触的铁表面换热器的单质铁不断消失，铜纳米颗粒逐渐向铁表面换热器内部运动，并形成孔道；
本实施例的铁表面换热器多孔表面的SEM如图2所示，从图2可知，换热器表面出现复杂孔道，孔道平均深度为20μm，换热器表面粗糙程度增加，有利于工质与换热器表面的对流换热，大量的孔道有助于增加沸腾换热的汽化核心数量。
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面45%，并且沸腾传热系数提高到6660W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.85倍。
实施例2：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将铜盐（氯化铜）加入到水中配制成铜盐溶液；其中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.004mol/L；
（2）将步骤（1）的硫酸加入到步骤（1）的铜盐溶液中得到铜盐-酸表面处理溶液；其中铜盐-酸表面处理溶液中H+浓度为2mol/L；
（3）在温度为60℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（2）的铜盐-酸表面处理溶液中处理1.5h即得铁表面换热器多孔表面；
本实施例的铁表面换热器多孔表面的SEM如图3所示，从图3可知，换热器表面出现复杂孔道，孔道平均深度为25μm，换热器表面粗糙程度增加，有利于工质与换热器表面的对流换热，大量的孔道有助于增加沸腾换热的汽化核心数量。
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面56%，并且沸腾传热系数提高到6840W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.9倍。
实施例3：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将银盐（硝酸银）加入到水中配制成银盐溶液；其中银盐溶液中银离子的浓度为0.006mol/L；
（2）将步骤（1）的硝酸加入到步骤（1）的银盐溶液中得到银盐-酸表面处理溶液；其中银盐-酸表面处理溶液中H+浓度为3mol/L；
（3）在温度为40℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（2）的银盐-酸表面处理溶液中处理6h即得铁表面换热器多孔表面；
本实施例的铁表面换热器多孔表面的SEM如图4所示，从图4可知，换热器表面出现复杂孔道，孔道平均深度为23μm，换热器表面粗糙程度增加，有利于工质与换热器表面的对流换热，大量的孔道有助于增加沸腾换热的汽化核心数量。
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面80%，并且沸腾传热系数提高到7200W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的2倍。
实施例4：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将银盐（氯化银）加入到水中配制成银盐悬浮液；其中银盐悬浮液中银离子的浓度为0.006mol/L；
（2）将步骤（1）的硝酸加入到步骤（1）的银盐悬浮液中得到银盐-酸表面处理溶液；其中银盐-酸表面处理溶液中H+浓度为5mol/L；
（3）在温度为30℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（2）的银盐-酸表面处理溶液中处理8h即得铁表面换热器多孔表面；
本实施例的铁表面换热器多孔表面的SEM如图5所示，从图5可知，换热器表面出现复杂孔道，孔道平均深度为16μm，换热器表面粗糙程度增加，有利于工质与换热器表面的对流换热，大量的孔道有助于增加沸腾换热的汽化核心数量。
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面40%，并且沸腾传热系数提高到6480W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.8倍。
实施例5：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将银盐（硫酸银）加入到水中配制成银盐悬浮液；其中银盐悬浮液中银离子的浓度为0.008mol/L；
（2）配制HNO3溶液，其中硝酸溶液中H+浓度为6mol/L；
（3）在温度为50℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（1）的银盐悬浮液中处理5s，再置于温度为80℃步骤（2）的HNO3溶液中反应2h即得铁表面换热器多孔表面；
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面59%，并且沸腾传热系数提高到6588W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.83倍。
实施例6：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将铜盐（硫酸铜）加入到水中配制成铜盐溶液；其中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.01mol/L；
（2）配制HNO3溶液，其中硝酸溶液中H+浓度为8mol/L；
（3）在温度为90℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（1）的铜盐悬浮液中处理0.1s，再置于温度为90℃的步骤（2）的HNO3溶液中反应30min即得铁表面换热器多孔表面；
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面48%，并且沸腾传热系数提高到6264W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.74倍。
实施例7：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将铜盐（硫酸铜）加入到水中配制成铜盐溶液；其中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.006mol/L；
（2）配制H2SO4溶液，其中硫酸溶液中H+浓度为6mol/L；
（3）在温度为80℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（1）的铜盐悬浮液中处理10s，再置于温度为80℃的步骤（2）的HNO3溶液中反应1.5h即得铁表面换热器多孔表面；
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面64%，并且沸腾传热系数提高到6948W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.93倍。
实施例8：一种提高换热器换热系数的表面处理方法，具体步骤为：
（1）将银盐（硝酸银）加入到水中配制成银盐悬浮液；其中银盐悬浮液中银离子的浓度为0.004mol/L；
（2）配制HNO3溶液，其中硝酸溶液中H+浓度为4mol/L；
（3）在温度为60℃条件下，将铁表面换热器置于步骤（1）的银盐悬浮液中处理5s，再置于温度为50℃步骤（2）的HNO3溶液中反应5h即得铁表面换热器多孔表面；
在PF-5060工质溶液中，对铁表面换热器多孔表面进行饱和沸腾实验研究，结果表明本实施例的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面70%，并且沸腾传热系数提高到6480W/(m2·K)是普通平面3600W/(m2·K)的1.8倍。
本发明方法制备的铁表面换热器多孔表面的临界热流密度高于普通平面40~80%，沸腾传热系数可高达普通平面的2倍，初次实验时表面沸腾传热性能非常好，多次实验时铁表面换热器多孔表面的沸腾传热系数略有降低但是铁表面换热器多孔表面的临界热流密度值非常稳定，随着重复次数的增多，铁表面换热器多孔表面的沸腾传热性能趋于稳定。

Claims (4)

1.一种提高换热器换热系数的表面处理方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)将铜盐加入到水中配制成铜盐溶液，将银盐加入到水中配制成银盐溶液；
(2)配制酸溶液，其中酸溶液为HNO3、HCl或H2SO4的稀酸溶液，在温度为20～90℃条件下，将换热器置于步骤(1)的铜盐溶液或银盐溶液中浸泡反应0.1～30s，再置于温度为20～90℃的酸溶液中浸泡反应0.5～8h即得换热器多孔表面。
2.根据权利要求1所述提高换热器换热系数的表面处理方法，其特征在于：步骤(1)中铜盐溶液中铜离子的浓度为0.0001～0.01mol/L，银盐溶液中银离子的浓度为0.001～0.01mol/L。
3.根据权利要求1所述提高换热器换热系数的表面处理方法，其特征在于：步骤(2)酸溶液的浓度为0.5～8mol/L。
4.根据权利要求1所述提高换热器换热系数的表面处理方法，其特征在于：换热器的内部尺寸为500微米以上。
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