CN110842202B - 一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基体结构，所述多孔基体结构内分布有若干个孔腔，且所述孔腔内分散有能够在所述孔腔内运动的自由颗粒。制备所述自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构时，先将金属颗粒烧结制备得到多孔材料基体，在多孔材料基体上打孔形成孔腔，然后将自由颗粒填充入孔腔并封闭孔腔。本发明基于沸腾传热过程中核化点激活以及吸液芯向成核位点供液的强化特点，将气泡成核和供液分区以防止气泡合并以及降低液体回流阻力；同时利用自由颗粒在沸腾过程中的碰撞强化工作流体内导热、微层蒸发及对流传热，使气泡易成核，生长速率快，脱离频率高，从而实现了强化沸腾传热。

Description

一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构及其制备方法

技术领域

本发明属于强化沸腾传热技术领域，具体涉及一种将自由颗粒分散于多孔介质得到的强化沸腾复合结构及其制备方法和应用。

背景技术

多孔介质表面沸腾传热强化技术是未来工业发展的焦点问题之一，多孔表面强化沸腾传热因在较小的过热度条件下可以获得极大的传热系数，能有效提高能源利用效率，已被广泛应用于热能动力、核电、地热能、太阳能、石油化工、食品工程以及低温工程等重要工业领域的关键过程，具有十分重要的社会和经济价值。强化传热的主要途径主要从换热元件表面改形、旋流发生器和振动来影响流场，实现强化传热。传统的强化传热技术目前己很难满足一些特殊条件下的传热要求，研制流阻特性小、导热系数高、传热性能好的高效新型换热元件是当前强化传热技术的重点。

近年来，致力于开发微纳尺度多孔表面的强化沸腾传热研究工作不断增多，中国专利申请201910217150.0公开了一种材料表面微纳米复合强化沸腾结构，该种材料表面微纳米复合强化沸腾结构具有不同层级微米、纳米的多尺度特征，增大了比表面积，增多了汽化核心，减小了起泡运动阻滞，有效降低了液体沸腾的起始过热温度。中国专利201610103638.7公开了一种复合型表面结构，包括基面、一级微结构表面、次级微纳结构表面和相变材料，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，改善了局部沸腾换热效果差的问题。中国专利201310460362.4公开了一种强化沸腾传热用双重结构多孔铜材料，其将铜纤维毡铺覆于铜基体表面烧结为一体，然后在铜基体表面形成微米级多孔表面，并利用阳极氧化处理在铜纤维表面形成数量众多的纳米级微孔，微米级大孔和纳米级微孔共存增大了热交换面积，并增多了汽化核心的数量，显著提高了沸腾传热效果。

但是这些多孔结构都具有表面均具有表面均一化的尺度效应，在起沸、液体回流、气泡合并存在较大空间竞争，气液两相流动相互阻滞，造成流动阻力过大，高热通量条件下导致表面传热条件恶化；另外，从气泡动力学角度分析，气泡生长及脱离过程强化没有得到有效改善，因此，加快微层蒸发以及强化对流是进一步改善沸腾传热的新视角。

目前，相关研究已经证实多孔介质可强化沸腾传热性能，多孔层的结构对汽泡动力学均有不同程度影响。然而，多孔介质环境气泡生长过程中如何加快核化点的激活、提高气泡生长速率、加快气泡脱离频率仍然是需要解决的问题。受纳米流体强化沸腾传热的启发，纳米粒子在沸腾过程中的碰撞可强化工作流体内部的热传导以及液体的扰流，但纳米流体的团聚问题无法使强化沸腾保持长效性，沉降层厚度增加将增大壁面热阻。基于上述问题，本发明提供一种将自由颗粒与多孔介质相结合的复合强化沸腾结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的一个目的提供一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，该复合强化沸腾表面结合了自由颗粒和多孔介质，将气泡核化与液体供给分区，并通过游离颗粒的碰撞提高沸腾传热性能。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基体结构，所述多孔基体结构内分布有若干个孔腔，且所述孔腔内分散有能够在所述孔腔内运动的自由颗粒。

在一些实施方案中，所述多孔基体结构可通过烧结金属颗粒、金属丝网或泡沫金属制作或通过电沉积金属制作。

在一些实施方案中，所述自由颗粒为金属单质或其化合物、非金属单质或其化合物。

在一些实施方案中，所述自由颗粒为所述自由颗粒为铍、铬、钴、铁、锰、钕、镍、钼、铌、锇、铂、钪、钽、钛、钨、硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化铪、氮化硼、氮化钛、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、二氧化铈、硒化锌、硫化锌、硼化镧、三氧化二钇、三氧化二钛、五氧化三钛、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化铝、氧化铬、氧化铜、氧化镝、氧化镧、氧化镍、氧化锌、氧化钇、三氧化钨、二硼化钛、二硼化锆中的一种或多种。优选地，所述自由颗粒的粒径为50-120μm。

在一些实施方案中，所述孔腔为V型、U型或柱形。

在一些实施方案中，所述孔腔在所述多孔基体结构内阵列排布或在其截面平行排布。

进一步地，所述孔腔的截面直径为0.5-2mm；孔腔间距为1.5-4mm。

进一步地，所述基底为金、银、铁或其合金或其氧化物、铜或其合金或其氧化物、铝或其合金或其氧化物、硅或其氧化物、或不锈钢。

本发明的又一个目的是提供一种自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属颗粒和制孔剂混合装入金刚石模具中并置于基底表面，向所述金刚石模具施加压力压紧颗粒，氢气气氛下烧结，去除制孔剂，即得烧结金属多孔基体；

(2)在金属多孔基体或截面打孔形成孔腔，将自由颗粒和防止自由颗粒与孔壁粘结的辅助剂混合填充于孔腔，并在孔腔开口的一侧或两侧分散至少一层铜颗粒封闭所述孔腔；

(3)去除辅助剂，真空干燥，即得自由颗粒分散于多孔基体结构内的强化沸腾结构。

在一些实施方案中，所述制孔剂为硫酸钾、氯化钡中的一种或多种；所述金属颗粒为铜颗粒，所述铜颗粒与所述制孔剂的体积比为3-5:1。

进一步地，所述铜颗粒的粒径为80-180μm。

在一些实施方案中，所述基底为紫铜，使用前经砂纸打磨除去氧化层。

在一些实施方案中，所述步骤(1)中施加的压力为12-18MPa，控制多孔基体的厚度为0.5-2mm或为所述自由颗粒的粒径的4倍。

在一些实施方案中，所述步骤(1)中烧结的温度控制为850-920℃；烧结时间为30-60min。烧结时优选为恒温烧结。

进一步地，所述自由颗粒为铍、铬、钴、铁、锰、钕、镍、钼、铌、锇、铂、钪、钽、钛、钨、硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化铪、氮化硼、氮化钛、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、二氧化铈、硒化锌、硫化锌、硼化镧、三氧化二钇、三氧化二钛、五氧化三钛、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化铝、氧化铬、氧化铜、氧化镝、氧化镧、氧化镍、氧化锌、氧化钇、三氧化钨、二硼化钛、二硼化锆中的一种或多种；所述自由颗粒的粒径为50-120μm；所述自由颗粒与所述硫酸钡的体积百分比为20％-75％。

本发明的又一个目的是提供一种自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构在强化沸腾传热领域的应用。

本发明的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构能够提高沸腾传热效率的原理为：在沸腾初始阶段，自由颗粒与孔壁碰撞创造成核契机，成核点位易于在颗粒表面与壁面构造的微孔中形成；在气泡生长过程，自由颗粒的随机碰撞，可强化孔内液体的扰流及其热传导；以微层蒸发理论为基础，自由颗粒与孔壁的碰撞有助于液层湍动及强化液层内的传热过程；核化点位周围微孔具有较大的毛细吸力促使液体回流，实现气泡核化与供液的分区，阻止气泡合并现象的发生及延迟临界热通量；气液两相的分区降低流动阻力，加速气泡溢出及液体回流速率。

本发明的有益效果体现在：

(1)本发明的自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构将气泡核化与液体供给分区，通过游离颗粒的碰撞提高沸腾传热性能，将液体沸腾的起始过热温度降低至1℃以内，汽化核心点位固定，气泡运动以及液体回流阻力更小，其表面强化沸腾传热性能较传统多孔介质表面的沸腾传热系数提高至2.2倍；

(2)本发明自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构的制备工艺精简，操作灵活，可实现自由颗粒与多孔介质等复杂结构的尺寸与形貌可控制作，生产成本低；

(3)本发明自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构适用于各种金属基质，金属颗粒(金属丝网)多孔结构的加工，能够满足不同工况对强化沸腾传热基质的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的侧视图；

图2为本发明一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的俯视图；

图3为本发明又一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的侧视图；

图4为本发明又一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的俯视图；

图5为本发明一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构的表征图；

图6为本发明一个实施例的自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构中气泡核化变化图(初期核化点位阵列与自由颗粒分散孔结构阵列基本一致)；

图5中，(a)表示一次烧结结构金相及共聚焦显微表征；(b)表示在多孔结构表面阵列打孔；(c)表示填充SiC自由颗粒；(d)表示表面覆盖单层铜颗粒二次烧结结构金相显微表征；(e)表示表面覆盖单层铜颗粒二次烧结结构CT表征；(f)表示将表面多孔层剥离，倒出自由颗粒后的结构表征。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

从经典动力学角度分析，成核能垒与孔结构的孔角和流体的浸润性相关，例如，选用疏水性颗粒，在颗粒与孔壁碰撞或者在沸腾初始阶段，自由颗粒沉积于基质表面，成核点位易于在疏水颗粒表面与壁面构造的微孔中形成，易激活核化点位，并使汽化核心固定于有自由颗粒的孔洞位置。

本发明提供了一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，采用金属颗粒或金属丝网烧结制备多孔材料基体，再经二次烧结方法将一定比例的游离颗粒封闭至孔道内部，使其表面具有“铃铛结构”多孔表面。可广泛应用于各类强化沸腾传热领域，包括化工生产、食品、芯片散热等池沸腾和流动沸腾过程。

本发明的实施例以市售的紫铜为基底，利用铜颗粒构造多孔基体，SiC颗粒为自由颗粒，构建自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构；对表面基质进行抛光处理后，利用二次烧结方法分步将自由颗粒分散于多孔基体内。

上述铜颗粒的粒径优选为106～120μm，SiC颗粒的粒径优选为80～160μm。

实施例1

颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构的制备方法具体包括以下步骤：

(1)加热基底(50mm×50mm)，并依次采用800目、1200目、1500目、2000目、3000目砂纸对基底进行打磨抛光；

(2)将铜颗粒与氯化钡按体积比4:1混合，并向混合颗粒中加入混合颗粒体积5％的乙醇使其粘合，将混合物装入金刚石制模具中(30mm×30mm)，置于紫铜抛光的表面上，施加16MPa的压力将混合物压紧，得到厚度为1mm的多孔层；氢气气氛下在870℃左右烧结40min，自然冷却，超声洗涤去除制孔剂，真空干燥，即得多孔基体；

(3)对多孔基体进行机械穿孔形成孔腔，孔径0.5mm，孔间距1.5mm，孔阵列为12×12(如图1和图2所示)；在孔腔中加入SiC颗粒和硫酸钡体积比为1:1的混合物，并将0.2mm厚的铜粉末薄层分散至多孔基体的顶部，进行第二次烧结，烧结条件与步骤(2)中的烧结条件相同；

(4)将制备的样品置于去离子水中超声洗涤，真空干燥，干燥温度＜100℃，即可制备自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构(如图5所示)。

步骤(2)中烧结时的，在氢气气氛下分段升温，升温速率为3℃/min，120℃恒温保持30min，以保证溶剂蒸发；300℃恒温保持15min，700℃预热10min，最后870℃左右烧结40min，自然冷却12h，得到烧结多孔基体。

实施例2

颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构的制备方法具体包括以下步骤：

(1)加热基底(50mm×50mm)，并依次采用800目、1200目、1500目、2000目、3000目砂纸对基底进行打磨抛光；

(2)将铜颗粒与氯化钡按体积比4:1混合，并向混合颗粒中加入混合颗粒体积5％的乙醇使其粘合，将混合物装入金刚石制模具中(30mm×30mm)，置于紫铜抛光的表面上，施加16MPa的压力将混合物压紧，得到厚度为1mm的多孔层；氢气气氛下在870℃左右烧结40min，自然冷却12h，超声洗涤去除制孔剂，真空干燥，即得多孔基体；

(3)在多孔基体截面激光穿孔形成孔腔，孔径0.5mm，孔间距4mm(如图3和图4所示)；在孔腔中加入SiC颗粒和硫酸钡体积比为1:3的混合物，截面用与孔径尺寸相同的胶垫密封即可制得自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构。

以实施例1制备得到的自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构为例，采用池沸腾测试系统，以去离子水为工质，在1atm下进行沸腾实验。

图6为池沸腾初期气泡核化点位及核化点密度。从图中可以看出，自由颗粒表面起沸热通量明显小于无自由颗粒的传统多孔结构。事实上，其过热度在小于1℃下起沸，也低于传统多孔基体，这说明自由颗粒的存在促进了核化点的激活。此外，其核化区域明显位呈阵列点位，这与实施例1的结构基本吻合，这也符合设计该表面的初衷，气液两相分区流动，降低气液流动阻力。比较添加SiC自由颗粒比例不同的复合多孔基体，发现比例适中(50％)的多孔复合表面气泡密度较大，且基本成串状流，说明气泡脱离频率较快。

从气泡动力学角度分析，气泡周期包括气泡等待时间和生长时间。等待时间的主要影响因素是汽泡脱离核化点后液体向该位置的补充速率及成核速率。核化点位被毛细结构包围，毛细力驱动液体回流加快气泡成核。气泡生长时间有以下两方面影响因素，其一，游离颗粒间碰撞，或游离颗粒与孔壁碰撞，可强化液体内及热边界层的导热将使热量快速导出；其二，游离颗粒对孔腔内液体的扰动，强化了对流传热，加快气泡生长速率，减少了气泡生长时间。孔腔内填充较适宜比例的自由颗粒将提高碰撞几率及碰撞动量，可强化沸腾传热。实验测试结果表明，自由颗粒/多孔基体复合强化沸腾结构在相同的沸腾条件下，其传热系数比传统多孔基体最大提高至2.2倍，显示出良好的沸腾传热性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (5)

1.一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构的制备方法，其特征在于，所述的自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构包括基底和形成于所述基底表面的多孔基体结构，所述多孔基体结构内分布有若干个孔腔，且所述孔腔内分散有能够在所述孔腔内运动的自由颗粒；所述多孔基体结构通过烧结金属颗粒制作；所述自由颗粒为铍、铬、钴、铁、锰、钕、镍、钼、铌、锇、铂、钪、钽、钛、钨、硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化铪、氮化硼、氮化钛、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、二氧化铈、硒化锌、硫化锌、硼化镧、三氧化二钇、三氧化二钛、五氧化三钛、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化铝、氧化铬、氧化铜、氧化镝、氧化镧、氧化镍、氧化锌、氧化钇、三氧化钨、二硼化钛、二硼化锆中的一种或多种；所述自由颗粒的粒径为50-120μm；所述孔腔为V型、U型或柱形；所述孔腔在所述多孔基体结构内阵列排布或在其截面平行排布；所述基底为金、银、铁或其合金、铜或其合金、铝或其合金；

所述的制备方法，包括以下步骤：

(1)将金属颗粒和制孔剂混合装入金刚石模具中并置于基底表面，向所述金刚石模具施加压力压紧颗粒，氢气气氛下烧结，去除制孔剂，即得烧结金属多孔基体；

(2)在金属多孔基体打孔形成孔腔，将自由颗粒和防止自由颗粒与孔壁粘结的辅助剂混合填充于孔腔，并在孔腔开口的一侧或两侧分散至少一层铜颗粒封闭所述孔腔；

(3)去除辅助剂，真空干燥，即得自由颗粒分散于多孔基体结构内的强化沸腾结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制孔剂为硫酸钾、氯化钡中的一种或多种；所述金属颗粒为铜颗粒，所述铜颗粒与所述制孔剂的体积比为3-5:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底为紫铜，使用前经砂纸打磨除去氧化层；所述步骤(1)中烧结的温度控制为850-920℃；烧结时间为30-60min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述辅助剂为硫酸钡；所述自由颗粒与所述硫酸钡的体积百分比为20％-75％。

5.权利要求1所述的自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构在强化沸腾传热领域的应用。

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