CN109099741A - 一种强化沸腾的换热结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化沸腾的换热结构，该换热结构为由换热面螺旋形成的圈状螺旋线形结构，所述换热面包括底边和顶边，相邻两圈中内圈的顶边在底边平面的投影与相邻两圈中外圈的底边重合；所述换热面由相间隔的亲水区域和疏水区域构成；相邻两圈换热面之间为等距分布，前一圈的最后一个换热面与后一圈的第一个换热面相连接，形成螺旋线形结构，换热面与换热面之间有因为加工而形成的沟槽。本发明换热结构的换热表面拥有高效的换热性能，既通过规则排列的柱状微结构大大增加了汽化核心数，又保证汽泡能够从光滑亲水区域及时脱离换热表面和确保液体的及时补充，从而达到降低壁面过热度和延缓干烧危机的目的。

Description

一种强化沸腾的换热结构
技术领域
本发明涉及一种强化沸腾的换热表面结构，具体涉及的是一种结合了螺旋线形结构和亲水、疏水表面的能够有效增强沸腾换热效果的换热表面结构。
背景技术
沸腾现象广泛存在于现代工业生产和生活中，如何强化沸腾传热一直以来都是沸腾研究领域的热点问题，强化沸腾传热不仅能够提高换热的效率，起到节约能源的效果，而且还能有效降低装备的安全风险，因此具有广泛的应用价值和研究前景。
目前沸腾相变传热的效果很大程度上与换热表面的物化特性有关，如润湿性、粗糙度和有效换热面积，通过微加工能显著改变换热表面的物化特性。然而，采用传统方法制备的换热表面(如采用物理化学或机械的方法在传热表面上造成一种多孔结构和采用螺纹表面结构)的有效换热面积相对较小，汽化核心数目小，生成汽泡的频率低，沸腾传热效率低下。
因此，需要研发一种增加有效换热面积、汽化核心数目、汽泡生成频率，提高沸腾换热效率的高效换热表面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种通过改变表面结构增加汽化核心，强化沸腾的换热结构。
针对上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种强化沸腾的换热结构，其特征在于：该换热结构为由换热面螺旋形成的圈状螺旋线形结构，所述换热面包括底边和顶边，相邻两圈中内圈的顶边在底边平面的投影与相邻两圈中外圈的底边重合；所述换热面由相间隔的亲水区域和疏水区域构成。
相邻两圈换热面之间为等距分布，前一圈的最后一个换热面与后一圈的第一个换热面相连接，形成螺旋线形结构，换热面与换热面之间有因为加工而形成的沟槽。
所述圈状螺旋线形结构的每圈换热面的底边为正多边形，每圈换热面的顶边也为正多边形；所述亲水区域和疏水区域采用条形形状相互交替排列。
所述正多边形为正八边形。
所述圈状螺旋线形结构的生成方式如下：
绘制两层半径成等差数列分布的多个同心圆，公差为d；上层同心圆的数量与下层同心圆的数量相等，上层中最小同心圆的半径与下层中第二个同心圆的半径相同，上层和下层中各同心圆的半径分布的公差d也相同；
在每一个同心圆中绘制出一个正八边形，沿逆时针方向将上层中第一个正八边形和下层中第一个正八边形相对应位置的点相连接，形成相应的曲面，依此类推，形成正八面体结构的同心立体结构，然后将前一圈的最后一个面与后一圈的第一个面相连接，就构成了第一层螺旋线形结构；
按照上面步骤形成第二层螺旋线形结构，半径也为等差数列分布，公差为d；第二层中第一个同心圆的半径为第一层中第一个和第二个同心圆半径的平均值；
最后将两层结构叠加起来，构成完整的双层螺旋线形结构换热表面。
所述疏水区域的表面由规则排列的柱状微结构组成，柱状微结构的静态接触角为135°±3°。
所述亲水区域的静态接触角为76°±3°；亲水区域的宽度略大于工质沸腾汽泡的脱离直径。所述亲水区域的宽度与工质沸腾气泡的脱离直径数量级相当。当两个或两个以上气泡合并后的直径将大于该区域的宽度，在所述的微结构和毛细力的作用下脱离换热表面。所述的亲水区域使得在表面产生的气泡更容易脱离表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明强化沸腾的换热表面结构，双层螺旋线形结构构成的换热表面大大增加了有效换热面积，同时面与面之间形成的沟槽也相应地增加了汽化核心数，因为在表面的沟槽地带，处于沟槽中的液体所受到的加热的影响比在平面上的液体要多很多，而且沟槽中容易残留气体，这种残留气体就自然成为产生气泡的核心。采用规则排列的柱状微结构形成的疏水区域和光滑亲水区域间隔排列的结合方式，使得该换热表面拥有高效的换热性能，既通过规则排列的柱状微结构大大增加了汽化核心数，又保证汽泡能够从光滑亲水区域及时脱离换热表面和确保液体的及时补充，从而达到降低壁面过热度和延缓干烧危机的目的。
附图说明
图1为本发明的强化沸腾的换热表面结构的立体结构示意图。
图2为本发明的强化沸腾的换热表面结构的两圈结构示意图。
图3为单个换热表面上亲水区域和疏水区域分布二维结构示意图。
图4为疏水区域的柱状微结构示意图。
图中，1.螺旋线形换热表面结构；2.亲水区域；3.疏水区域；4.柱状微结构；5沟槽。
具体实施方式
下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：
图1为强化沸腾的换热表面结构的立体结构示意图。一种强化沸腾的换热表面结构由螺旋线形换热表面结构1构成，每一个换热表面上分布有亲水区域2和疏水区域3。
图2为强化沸腾的换热表面结构的单圈结构示意图。换热表面由双层螺旋线形换热表面结构组成，每一圈螺旋线形换热表面结构都由八个面构成，不同圈的面之间为等距分布，前一圈的最后一个面与后一圈的第一个面相连接，形成螺旋线性结构。面与面之间有因为加工而形成的沟槽5。
图3为单个换热表面上亲水区域和疏水区域分布二维结构示意图。换热表面被分成若干个面积相同的区域，亲水区域2和疏水区域3采用条形形状相互交替排列。亲水区域的静态接触角为76°±3°，光滑亲水区域2的宽度略大于工质沸腾汽泡的脱离直径。疏水区域3其表面由规则排列的柱状微结构组成。
图4为疏水区域的柱状微结构示意图。规则排列的柱状微结构4的静态接触角为135°±3°。在沸腾换热过程中规则排列的柱状微结构4既能够捕获不凝结气体，为核态沸腾提供更多的汽化核心，从而降低壁面的过热度，也能够有效地提高表面的有效换热面积。加热面上的热流密度q与加热面上汽化核心数的关系为：n为单位加热面上的汽化核心数，f为一个汽化核心上形成汽泡的频率。与光滑表面相比，汽化核心数将增加120％-140％，所以热流密度也将增加120％-140％。

Claims (7)

1.一种强化沸腾的换热结构，其特征在于：该换热结构为由换热面螺旋形成的圈状螺旋线形结构，所述换热面包括底边和顶边，相邻两圈中内圈的顶边在底边平面的投影与相邻两圈中外圈的底边重合；所述换热面由相间隔的亲水区域和疏水区域构成。
2.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于：相邻两圈换热面之间为等距分布，前一圈的最后一个换热面与后一圈的第一个换热面相连接，形成螺旋线形结构，换热面与换热面之间有因为加工而形成的沟槽。
3.根据权利要求2所述的换热结构，其特征在于：所述圈状螺旋线形结构的每圈换热面的底边为正多边形，每圈换热面的顶边也为正多边形；所述亲水区域和疏水区域采用条形形状相互交替排列。
4.根据权利要求3所述的换热结构，其特征在于：所述正多边形为正八边形。
5.根据权利要求4所述的换热表结构，其特征在于：所述圈状螺旋线形结构的生成方式如下：
绘制两层半径成等差数列分布的多个同心圆，公差为d；上层同心圆的数量与下层同心圆的数量相等，上层中最小同心圆的半径与下层中第二个同心圆的半径相同，上层和下层中各同心圆的半径分布的公差d也相同；
在每一个同心圆中绘制出一个正八边形，沿逆时针方向将上层中第一个正八边形和下层中第一个正八边形相对应位置的点相连接，形成相应的曲面，依此类推，形成正八面体结构的同心立体结构，然后将前一圈的最后一个面与后一圈的第一个面相连接，就构成了第一层螺旋线形结构；
按照上面步骤形成第二层螺旋线形结构，半径也为等差数列分布，公差为d；第二层中第一个同心圆的半径为第一层中第一个和第二个同心圆半径的平均值；
最后将两层结构叠加起来，构成完整的双层螺旋线形结构换热表面。
6.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于：所述疏水区域的表面由规则排列的柱状微结构组成，柱状微结构的静态接触角为135°±3°。
7.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于：所述亲水区域的静态接触角为76°±3°；亲水区域的宽度与工质沸腾气泡的脱离直径数量级相当。
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