CN114199064B - 强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、强化沸腾传热方法 - Google Patents

强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、强化沸腾传热方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、强化沸腾传热方法，涉及强化沸腾传热技术领域，所述浸润性温敏自适应换热表面包括换热基底和置于所述换热基底上的热释电材料纳米层。本发明解决了现有方法通过材料相变来改变亲/疏水性，马氏体相变温度和低临界溶液温度一旦确定，所构成的表面都只有一对亲水和疏水态的技术问题，本发明将热释电材料作为的换热表面应用于沸腾两相换热系统中，可实现浸润性自适应温度改变，这种浸润性温敏自适应的换热表面可以利用沸腾两相换热系统中的壁面温度波动，实现汽泡扩散区的换热效率的提高和汽泡聚集区的沸腾危机的抑制，应用前景广阔。

Description

强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、 强化沸腾传热方法
技术领域
本发明涉及强化沸腾传热技术领域，尤其是涉及一种强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、强化沸腾传热方法。
背景技术
在沸腾两相换热系统中，易出现壁面温度波动、汽泡扩散/聚集交替等特殊现象。汽泡的聚集易导致沸腾危机产生，而汽泡的扩散会使冷却剂处于换热效率较低的单相或过冷沸腾状态。因此，为同时解决上述汽泡聚集区易产生沸腾危机和扩散区换热效率低的两者问题，我们期望有一种换热表面：在冷却剂单相或过冷沸腾时，加热壁面易于核化、核化密度点多，换热效率增强；在汽泡簇拥时，核态沸腾受限、大汽毯难以形成，临界热流密度提高。
目前，沸腾传热强化方法可分为被动和主动两类。被动方法通常是在换热表面上加工多孔、肋/槽、微/纳等结构和亲疏水混合层。表面结构通过改变表面粗糙度、有效换热面积和核化密度点的方式增强换热效率，并利用毛细作用和汽、液流动路径分离提高临界热流密度；亲疏水混合层是同时提高换热效率和临界热流密度的一种折中，即单独的疏水表面能强化换热，但会提前产生沸腾危机。相反，亲水表面可提高临界热流密度，却抑制核态沸腾。
主动方法则是通过调控换热表面的浸润性，进而提高传热效率和临界热流密度。能够原位改变传热表面亲/疏水性、且能用于沸腾瞬态的方法主要有交流电浸润、表面活化剂、形状记忆合金、换热表面涂覆光敏材料和温敏材料。其中，电浸润效应通过改变表面电荷或表面能而影响其浸润性；表面活化剂亲/疏水基团(如SDS，长链疏水，带电基团亲水)在外部交流电场作用下可交替吸附于表面；形状记忆合金(TiNi等合金)利用马氏体相变温度可设计Wenzel-Cassie态转换；光敏材料(TiO2)受紫外光(UV)照射产生电子-空穴对并吸收亲水的羟基自由基；温敏聚合物(如polyNiPAAM)的低临界溶液温度(LCST)为亲/疏水相转变边界，半导体陶瓷(TiO2等)在高温情况下由烧结效应引起的表面缺陷增加或电子跃迁产生电子-空穴对，进而对亲水基的吸附能力增强。
相对于被动方法，主动方法因浸润性可调控能同时满足传热表面高换热效率和高临界热流密度两方面的要求，而在传热壁面温度动态变化的换热系统和设备中，浸润性对温度敏感的方法(如形状记忆合金和温敏聚合物)更加适用。然而，上述两者均是通过材料相变来改变亲/疏水性，马氏体相变温度和低临界溶液温度一旦确定，所构成的表面都只有一对亲水和疏水态。传统的沸腾传热强化方法，浸润性对于温度的瞬时变化不存在响应。因此，当壁面温度变化时，传热表面浸润性能够自适应调节的方法将是一种新的突破。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种换热表面，能够实现传热表面浸润性的温敏自适应改变。
本发明的目的之二在于提供上述换热表面的制备方法。
本发明的目的之三在于提供一种强化沸腾传热方法。
本发明的目的之四在于提供一种包括上述换热表面的换热系统。
本发明的目的之四在于提供一种包括上述换热表面的换热设备。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面，包括换热基底和置于所述换热基底上的热释电材料纳米层。
第二方面，本发明提供了上述强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面的制备方法，包括以下步骤：
在换热基底上制备热释电材料，形成热释电材料纳米层。
第三方面，本发明提供了一种强化沸腾传热方法，在换热基底上设置热释电材料纳米层；
当壁面温度上升时，浸润性增加，核化和汽泡聚合受到抑制；当壁面温度下降时，浸润性下降，核化和汽泡聚合增加，实现传热表面浸润性的温敏自适应改变；换热表面的浸润性受壁面温度变化影响，而表面浸润性通过汽泡行为改变近壁两相沸腾传热，进而反馈于壁面温度。
第四方面，本发明提供了一种换热系统，所述换热系统包括上述浸润性温敏自适应换热表面。
第五方面，本发明提供了一种换热设备，所述换热设备包括上述浸润性温敏自适应换热表面。
本发明提供的强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面及其制备方法、强化沸腾传热方法至少具有如下有益效果：
本发明将热释电材料作为的换热表面应用于沸腾两相换热系统和设备中，可实现浸润性自适应温度改变(即在壁面温度升高时，表面浸润性增加，呈亲水性；温度降低时，浸润性减弱，呈疏水性)，这种浸润性温敏自适应的换热表面可以利用沸腾两相换热系统和设备中的壁面温度波动，实现汽泡扩散区的换热效率的提高和汽泡聚集区的沸腾危机的抑制，可应用于包括核反应堆工程、换热器、化工等涉及两相沸腾传热的相关领域，应用前景广阔。
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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为温敏表面浸润性动态变化致近壁沸腾传热改变示意图；
图2为温敏表面温升和温降过程的亲疏水变化，其中左侧为温升过程的亲水性，右侧为温降过程的疏水性；
图3为本发明实施例1的BTO表面制备示意图；
图4为BTO热释电材料纳米层厚度可控制备，其中左侧为反应前躯体Ba(OH)2的浓度10mM，右侧为反应前躯体Ba(OH)2的浓度30mM。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
改变换热表面浸润性是提高传热效率和临界热流密度的方法之一。疏水表面核化所需的壁面过热度低，多汽化核心使低热流密度表面具有较高的换热系数。亲水表面抑制壁面核化、限制汽液界面滑移和汽泡聚合，并能补给泡底微液层，进而提高临界热流密度。
本发明基于热释电材料，开发了一种浸润性温敏自适应的换热表面，应用于强化沸腾传热系统中，换热表面可实现浸润性自适应温度改变(即在壁面温度升高时，表面浸润性增加，呈亲水性；温度降低时，浸润性减弱，呈疏水性)，可抑制汽泡聚集区的沸腾危机和提高汽泡扩散区的换热效率。
本发明一方面提供了一种强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面，包括换热基底和置于所述换热基底上的热释电材料纳米层。
对换热基底不作限定，可以为现有技术中已知的任何适用于沸腾两相换热系统的基底，例如金属基底。
热释电材料纳米层是指由热释电材料构成的纳米层状结构，热释电材料存在当温度超过居里温度(TC)时，热释电系数下降至零的特点，此时材料不再具备热释电性。虽然对热释电材料不作限定，但针对不同冷却剂选择不同热释电材料，可以为现有技术中已知的释电系数较高、居里温度合适(居里温度大于等于冷却剂的沸点)的热释电材料，例如可实现的热释电材料包括BTO(BaTiO3)、TGS(硫化三甘肽)、PMN-PT(铌酸镁铅-钛酸铅)等，但是针对不同的冷却工质应选用恰当的热释电材料作为纳米层表面。
例如常压下以水为冷却剂工质的换热系统，水的沸点为100℃。作为一种可选的实施方式，热释电材料为BTO，其居里温度为120℃；热释电材料纳米层为BTO纳米棒阵列层。
在一种优选的实施方式中，BTO纳米棒阵列层的厚度为6.8-20μm。
温度下限是6.8μm，满足换热表面浸润性在汽泡生长周期内随壁面温度动态改变的条件；厚度上限是20μm，在这个厚度范围内纳米棒阵列不影响换热设备主体机械性能和表面热阻。
本发明的技术特点是开发热释电材料来实现换热表面浸润性的温敏自适应改变。热释电材料因在变温度场下的自极化强度改变特性或因温度变化而表现出的电荷释放效应，如图1所示，在温度升高过程中吸附亲水的羟基自由基，使其在温升过程中表现出较好的亲水性；在降温过程中会吸附疏水的过氧自由基，使其在降温过程中减弱表面的浸润性，表现出疏水性的特点，如图2所示。
在沸腾两相换热系统中，传热表面的温度和对应位置的气泡多少同步变化。因此，将热释电材料作为的换热表面应用于沸腾两相换热系统时，会使换热表面处于传热效率较高的气泡数量区间，即当壁面温度上升，浸润性增加，核化和汽泡聚合受到抑制；当壁面温度下降时，浸润性下降，核化和汽泡聚合增加。因此，利用沸腾两相换热系统中的壁面温度波动，实现汽泡扩散区的换热效率的提高和汽泡聚集区的沸腾危机的抑制。
本发明的另一方面提供了一种上述浸润性温敏自适应换热表面的制备方法，包括以下步骤：
在换热基底上制备热释电材料，形成热释电材料纳米层。
热释电材料包括但不限于BTO(BaTiO3)、TGS(硫化三甘肽)、PMN-PT(铌酸镁铅-钛酸铅)等，进一步可选为BTO；
热释电材料纳米层可选为BTO纳米棒阵列层。
作为一种优选的实施方式，采用水热法在换热基底上制备BTO纳米棒阵列层。
具体地，一种BTO纳米棒阵列表面的制备方法，包括以下步骤：
TiO2粉末加入浓度为8～15M的NaOH溶液中，在高压反应釜加热至120～210℃反应12～24h生成Na2Ti3O7；Na2Ti3O7粉末加入浓度为0.1～0.3M的HCl溶液中，生成H2Ti3O7；清洗H2Ti3O7直至pH值为6～8，烘干形成粉末；
将获得的H2Ti3O7粉末加入Ba(OH)2溶液中，与换热基底一起转移至高压反应釜加热反应，在换热基底上生成BaTiO3纳米棒阵列层。
本发明另一方面提供了一种强化沸腾传热方法，在换热基底上设置热释电材料纳米层；
当壁面温度上升时，浸润性增加，核化和汽泡聚合受到抑制；当壁面温度下降时，浸润性下降，核化和汽泡聚合增加，实现传热表面浸润性的温敏自适应改变；换热表面的浸润性受壁面温度变化影响，而表面浸润性通过汽泡行为改变近壁两相沸腾传热，进而反馈于壁面温度。
关于换热基底和热释电材料纳米层的含义与第一方面中换热基底和热释电材料纳米层的含义一致，在此不再赘述。
进一步地，所述热释电材料纳米层中的热释电材料包括BTO、TGS、PMN-PT材料中的一种或几种，可选为BTO材料；
可选地，所述热释电材料纳米层为BTO纳米棒阵列层。
进一步地，所述BTO纳米棒阵列层的厚度为6.8-20μm。
本发明通过将热释电材料作为的换热表面应用于沸腾两相换热系统中，可实现浸润性自适应温度改变，这种浸润性温敏自适应的换热表面可以利用沸腾两相换热系统中的壁面温度波动，实现汽泡扩散区的换热效率的提高和汽泡聚集区的沸腾危机的抑制，可应用于包括核反应堆工程、换热器、化工等涉及两相沸腾传热的相关领域，应用前景广阔。
本发明另一方面提供了一种换热系统和设备，所述换热设备包括上述的浸润性温敏自适应换热表面。
将本发明的浸润性温敏自适应换热表面用于换热系统和设备中，可作为换热器冷流道的换热表面，在换热表面温度升高时，浸润性增强；在温度下降时，浸润性减弱，以达到提高换热效率同时抑制沸腾危机的目的。
换热系统和设备包括但不限于紧凑式换热器，反应堆堆芯。
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，提供以下实施例仅出于说明目的并不构成对本发明要求保护范围的限制。
除特殊说明外，在实施例中所采用的原料、试剂、方法等均为本领域常规的原料、试剂、方法。
实验中全部药品来源均为分析纯，来源于上海国药集团。
表征手段通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)显微分析，型号为JEOL JSM-7800FPrime型。
实施例1制备BTO纳米棒阵列表面
采用水热方法制备BTO纳米棒阵列表面，如图3所示，包括以下步骤：
0.5g TiO2粉末加入10M浓度的50mL NaOH溶液中，在高压反应釜加热至180℃，反应24h生成Na2Ti3O7。
通过离心机和加热炉获得的Na2Ti3O7粉末加入0.2M浓度的HCl溶液中，在磁搅拌下生成H2Ti3O7。
采用去离子水清洗H2Ti3O7直至pH值为7，随即放置于加热炉中烘干形成粉末。
将获得的H2Ti3O7粉末加入Ba(OH)2溶液中，其中水热合成中H2Ti3O7浓度为0.3mM，Ba(OH)2浓度为10mM，与金属基底一起转移至高压反应釜220℃加热反应8h，最后在换热金属基底上生成BaTiO3(BTO)纳米棒阵列层。
通过扫描电子显微镜(SEM)表征纳米层微观形貌和测量BTO表面厚度。如图4中左侧所示，纳米层呈纳米棒状阵列，厚度为3.4μm。
热释电材料纳米层厚度需要满足换热表面浸润性在汽泡生长周期内随壁面温度动态改变的条件。采用热释电电势方程，如方程(1)所示，通过表面温度变化确定BTO表面层厚度。
Figure BDA0003311232230000081
方程中U为热释电电势(V)、ΔT为温度变化(T)、l为BTO表面厚度(mm)、p和ε分别为热释电系数(μCm-2K-1)和介电常数。采用红外热像仪获得低热流密度下单汽泡生长周期内(包括核化、生长和脱离)的局部换热壁面温度波动范围约为100.6～102.1℃(ΔT≈1.5℃)，高热流密度下多汽泡聚合所覆盖的壁面温度和单相液接触的壁面温度分别为TW＞108.0℃和TW＜103.0℃(ΔT＞5.0℃)。由于羟基自由基产生所需的最小氧化电位为U＝1.7V，因此，根据方程1，BTO纳米棒阵列层厚度需要大于6.8μm，其中，BTO的热释电系数p和介电常数ε分别为200μCm-2K-1和1200。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，水热合成中H2Ti3O7浓度为10mM，Ba(OH)2浓度为30mM。
如图4中右侧所示，纳米层厚度为7.8μm。
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。

Claims (12)

1.一种强化沸腾传热的浸润性温敏自适应换热表面，其特征在于，所述浸润性温敏自适应换热表面包括换热基底和置于所述换热基底上的热释电材料纳米层；
所述热释电材料纳米层中的热释电材料的居里温度大于等于强化沸腾传热中冷却剂的沸点；
当壁面温度上升时，浸润性增加，核化和汽泡聚合受到抑制；当壁面温度下降时，浸润性下降，核化和汽泡聚合增加，实现传热表面浸润性的温敏自适应改变；换热表面的浸润性受壁面温度变化影响，而表面浸润性通过汽泡行为改变近壁两相沸腾传热，进而反馈于壁面温度。
2.根据权利要求1所述的浸润性温敏自适应换热表面，其特征在于，所述热释电材料纳米层中的热释电材料包括BTO、TGS或PMN-PT材料中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的浸润性温敏自适应换热表面，其特征在于，所述热释电材料纳米层为BTO纳米棒阵列层。
4.根据权利要求3所述的浸润性温敏自适应换热表面，其特征在于，所述BTO纳米棒阵列层的厚度为6.8-20μm。
5.一种权利要求1-4任一项所述的浸润性温敏自适应换热表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在换热基底上制备热释电材料，形成热释电材料纳米层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用水热法在换热基底上制备热释电材料纳米层。
7.一种强化沸腾传热方法，其特征在于，在换热基底上设置热释电材料纳米层；
所述热释电材料纳米层中的热释电材料的居里温度大于等于强化沸腾传热中冷却剂的沸点；
当壁面温度上升时，浸润性增加，核化和汽泡聚合受到抑制；当壁面温度下降时，浸润性下降，核化和汽泡聚合增加，实现传热表面浸润性的温敏自适应改变；换热表面的浸润性受壁面温度变化影响，而表面浸润性通过汽泡行为改变近壁两相沸腾传热，进而反馈于壁面温度。
8.根据权利要求7所述的强化沸腾传热方法，其特征在于，所述热释电材料纳米层中的热释电材料包括BTO、TGS、PMN-PT材料中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的强化沸腾传热方法，其特征在于，所述热释电材料纳米层为BTO纳米棒阵列层。
10.根据权利要求9所述的强化沸腾传热方法，其特征在于，所述BTO纳米棒阵列层的厚度为6.8-20μm。
11.一种换热系统，其特征在于，所述换热系统包括权利要求1-4任一项所述的浸润性温敏自适应换热表面。
12.一种换热设备，其特征在于，所述换热设备包括权利要求1-4任一项所述的浸润性温敏自适应换热表面。
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