CN110408977A - 一种多尺度强化沸腾功能表面及复合制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度强化沸腾表面及其复合制备方法。首先通过电泳沉积法在金属或金属合金光滑表面镀纳米颗粒涂层。随之，利用电化学方法在纳米颗粒涂层表面生成蜂窝状微结构。从而制备出一种多尺度复合结构表面。该复合结构表面综合了两种单一制备方法的优点，一方面可提供更多有效汽化核心，另一方面可显著提升表面补液能力。因此，该复合结构表面可强化沸腾换热性能，包括传热系数和临界热流密度。对于超润湿性流体，如FC‑72、HFE‑7200、NOVEC‑649等，强化效果亦明显。同时，该制备方法成熟、简单易行、低成本，为其大规模、工业化应用提供可能。
Description
技术领域
本发明属于强化换热和节能技术领域，具体涉及一种应用于能源动力、石油化工，电子器件冷却等领域的强化沸腾换热表面。
背景技术
沸腾换热广泛存在于多种工业设备及工业过程，如燃煤及太阳能电站，高功率电子设备冷却等。强化沸腾换热可提升设备效率，减小能耗，保障运行安全。就沸腾换热而言，换热系数和临界热流密度是两大关键参数。换热系数决定了热传递效率，而临界热流密度决定了热传递安全极限。若热流密度超过临界值，设备温度将瞬间骤升，设备烧毁甚至爆炸。沸腾换热性能与表面特征，如粗糙度、润湿性、表面形貌等密切相关。通过机械、物理、化学等手段对沸腾表面进行改性以强化沸腾换热成为研究热点。
当前，常用的改性手段包括电火花线切割，激光，烧结，刻蚀，沉积等。改性表面强化沸腾换热原理可简单归结如下。改性表面往往提供更多的汽化核心，降低核化起始温度，从而强化沸腾换热系数。另外，某些改性表面可调控高热流条件下的气泡行为，延缓亥姆霍兹不稳定性的发生，强化临界热流密度。润湿性的改变通常可改变表面吸收液体的能力，即可增强沸腾表面补液能力，因而亦可强化临界热流密度。
然而，稳定性、成本及大规模制备可行性成为限制诸多表面改性手段的主因。电泳沉积法(Cao Z.,Wu Z.,Pham A.D.,Yang Y.,Abbood S.,Falkman P.,Ruzgas T.,AlbèrC.and Sundén B.,Int J Heat Mass Transfer,2019,133:548-560)和电化学沉积法(El-Genk M.S.and Ali,A.F.,Int J Multiphase Flow,2010,36(10):780-792)则无需大型设备，加工成本低且可进行大面积表面制备，具有较好的工业应用前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种沸腾换热强化表面及其制备方法。该表面综合电泳沉积法及电化学沉积法两者的优点，有效地强化沸腾换热系数和临界热流密度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
先通过电泳法初始修饰表面，再通过电化学法增强表面吸液能力。
(1)金属或金属合金表面处理：用不同目数的砂纸依次打磨表面。然后在丙酮和已醇中分别进行超声清洗，最后用去离子水冲洗并吹干。
(2)表面初始修饰：目标表面作电极并配对另一电极。在配对电极中间放置乙醇，并将一定量纳米颗粒溶液(胶体)滴在两电极间，施加电场，在电场作用下将纳米颗粒沉积在目标光滑表面，产生纳米颗粒涂层。
(3)表面二次修饰：将带有纳米颗粒涂层的表面作为阴极，另一表面作为阳极，硫酸铜溶液和稀硫酸作为电解质。施加电场将铜离子和氢离子还原在目标表面，同时氢气上升，产生蜂窝状多孔结构。
(4)增强结构强度及稳定性：步骤(3)可采取短时间大电流和长时间小电流交替多次进行。或采取退火增强机械强度的方法，将制备好的表面放在烧结炉或热板中，维持温度300-500℃一小时。
所述表面可为不同材质金属或金属合金表面，如铜，不锈钢等。
所述技术方案步骤(1)中，先按轨迹“8”打磨表面，使得表面平整。然后在两正交方向，分别单向打磨20-30次。切勿往复打磨。
所述技术方案步骤(2)中，推荐润湿性强的纳米颗粒，从而降低核化过热度。可通过超声水浴制备纳米颗粒溶液，亦可直接购买商业化的纳米流体。所沉积纳米颗粒质量在数百微克到数毫克之间。电流采用直流电源，电压控制在8V-10V，沉积时间30分钟到40分钟，以确保溶液中所有的纳米颗粒均沉积在目标表面。该纳米颗粒涂层厚度取决于纳米颗粒直径及所沉积纳米颗粒质量，建议不大于1微米。同时，纳米颗粒本身电性决定了目标表面用作阴极还是阳极。
所述技术方案步骤(3)，稀硫酸浓度在1.0M-5.0M，硫酸铜溶液浓度在0.1M-0.8M，电流密度在1A/cm2-5A/cm2之间。电极间距在2cm-5cm，通电时间1分钟以内(10s-60s)。制备过程中，确保氢气可快速脱离表面。所制备的蜂窝状结构大孔平均孔径在10μm-500μm，孔间壁厚在10μm-50μm。
所述技术方案步骤(4)中，若采用短时间大电流和长时间小电流交替多次进行，小电流要保持极小电流密度(0.05A/cm2-0.1A/cm2)，时间维持4到5分钟。
本发明的有益效果为：
本发明的一种沸腾换热强化表面及其复合制备方法，可有效地强化沸腾换热性能。通过电泳沉积法在基底表面镀一层纳米颗粒涂层，增加表面汽化核心数量，强化换热系数。但此单一方法制备的表面对于超润湿性流体，如FC-72、HFE-7200、NOVEC-649等无法提升临界热密度。再通过电化学沉积法制备一层蜂窝状结构，增强表面吸液能力，从而显著提升临界热流密度。
此外，该制备方法简单易行，无需大型贵重设备，并可大面积制备，为其工业化应用提供可能。
附图说明
图1为本发明一种强化沸腾功能表面制备过程示意图。
图2为本发明一种强化沸腾功能表面SEM表征图：(a)电泳法沉积纳米颗粒涂层，(b)电化学法沉积蜂窝状结构。
图3为实施例1过程中，单一纳米颗粒涂层及单一蜂窝状结构的HFE-7200沸腾性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细的阐述。
(1)金属表面处理：选用直径12mm的铜块，依次用220目，600目，1000目，1500目和2000目砂纸打磨表面。然后在丙酮和已醇中分别进行超声清洗，最后用去离子水冲洗并吹干。
(2)配制纳米颗粒溶液：购买直径约100nm的铜锌合金纳米颗粒，按配比超声水浴5小时，将纳米颗粒与去离子水充分混合，获得20mg/mL的纳米颗粒溶液。
(3)制备纳米颗粒涂层：铜锌合金纳米颗粒带有正电荷，故处理过的铜表面作阴极并配对另一阳极。两电极间距约5厘米，且中间置满乙醇，如图1(a)所示。用高精度移液器取30μL配制好的纳米颗粒溶液，逐滴均匀滴入乙醇。在两电极间施加9.5V直流电压，通电30分钟以确保纳米颗粒近似均匀沉积在目标表面，纳米颗粒涂层厚度约900nm。而后移去乙醇残液，将铜块置于350℃加热板上一小时，以达到退火增强涂层机械强度的目的。
(4)制备蜂窝状结构：纳米颗粒涂层铜表面作为阴极，另一铜表面作为阳极。电极间距约5cm，中间置满电解质(0.4M硫酸铜溶液和1.0M稀硫酸)，如图1(b)所示。施加1.0A/cm2的电流密度，保持40s。铜离子和氢离子还原在纳粹颗粒涂层表面，同时氢气上升，产生蜂窝状多孔结构。大孔平均孔径约为91μm,孔间壁厚约为20μm.
(5)增强结构强度及稳定性：将制备好的表面放置于加热板上，维持温度350℃一小时。
图2展示了按实施例实施方案所制备的单一纳米颗粒涂层SEM表征图以及单一蜂窝状多孔结构SEM表征图。显然，纳米颗粒涂层产生了诸多孔穴，这些孔穴可成为潜在的有效汽化核心。而蜂窝状结构呈现出大孔和孔间树突结构，与纳米颗粒涂层显著不同。
图3展示了按实施例实施方案所制备的单一纳米颗粒涂层及单一蜂窝状多孔结构在HFE-7200中的沸腾曲线。显然，与光滑表面相比，单一纳米颗粒涂层可有效强化换热系数300％以上，但无法强化临界热流密度。而蜂窝状结构可有效强化临界热流密度50％以上。值得注意的是，在沸腾起始附近，蜂窝状结构沸腾曲线出现了温度漂移，而纳米颗粒涂层没有。在实际应用中，温度漂移现象是需要消除的，以免出现温度过高的情况。由此，若将两种结构结合，既能提高沸腾换热系数，又能强化临界热流密度，还可以消除温度漂移现象。这也正是本发明的有益之处。
Claims (2)
1.一种强化沸腾传热表面，其特征在于，首先在金属表面沉积纳米颗粒涂层；纳米颗粒可认为近似均匀分布在金属表面，形成不规则纳米颗粒簇；纳米颗粒簇内部和外部可形成不同的几何结构，比如孔、空穴、不规则体；这些结构可作为汽化核心，从而增加汽化核心数量；而后，在纳米颗粒涂层表面继续制备蜂窝状多孔结构，增强表面补液能力；蜂窝状多孔结构呈多尺度特性；大孔孔径在数十微米到数百微米，大孔孔壁及孔间均呈树突状结构，并包含众多纳米级孔隙。
2.根据权利要求1所述的一种强化沸腾传热表面制备方法，其特征包括以下步骤：
(1)金属或金属合金表面处理：用不同目数的砂纸依次打磨基底表面；然后依次在丙酮和已醇中进行超声清洗，最后用去离子水冲洗并吹干；
(2)基底表面纳米颗粒涂层：将一定量纳米颗粒溶液(胶体)滴在两电极间，并施加电场，在电场作用下将纳米颗粒沉积在光滑表面；
(3)蜂窝状多孔结构制备：将制备有纳米颗粒涂层的基底表面作为阴极，另一金属表面作为阳极，硫酸铜溶液和稀硫酸作为电解质；施加电场将铜离子和氢离子还原在目标表面，同时氢气上升，产生蜂窝状多孔结构；
(4)增强结构强度及稳定性：步骤(3)可采取短时间大电流和长时间小电流交替多次进行；或采取退火增强机械强度的方法，将制备好的表面放在烧结炉或热板中，维持温度300-500℃一小时。
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