CN115464272A - 一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器，涉及强化传热与节能领域，制备方法包括先对金属表面进行去污除油清洗，再采用飞秒激光烧蚀技术对清洁后的金属表面进行烧蚀，得到具有由微米级槽道主结构及覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构组合而成的复合微结构的表面，板式蒸发器包括人字形金属波纹板，该人字形金属波纹板具有上述微结构强化表面，此种微结构强化表面在蒸发器中可实现增大汽化核心密度、提高汽液界面的蒸发量、降低成核所需过热度等效果，微结构中的多孔次结构又可为沸腾过程中汽泡的生成提供大量的潜在成核点，从而有效强化沸腾传热过程，使板式蒸发器的传热性能明显提升。

Description

一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器

技术领域

本发明涉及强化传热与节能领域，特别是涉及一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器。

背景技术

热力循环系统是一类实现对可再生能源利用的重要绿色低碳技术。蒸发器作为众多热力循环系统中的核心部件，其性能直接影响系统的效率和经济性。板式换热器因其传热效率高、结构紧凑、成本较低等优点，被作为蒸发器广泛应用于各类热力循环系统中，如发明名称为“一种板式降膜蒸发器”、申请号为“201420827124.2”的发明专利，包括由支柱、导杆、活动压紧板、固定压紧板组成的框架以及若干叠装在框架内并用紧固螺栓紧固的蒸发板片。但是对于可再生能源中的中低温热源，因其温度低，导致工质在如上述发明专利一样的一般蒸发器内换热驱动力不足，热阻大，为了满足系统的额定热负荷，必须增大蒸发器的换热面积，大尺寸的蒸发器则增大了系统成本和占用空间，导致系统的经济性降低。另一方面，非共沸混合工质的非等温汽-液相变过程与热(冷)源具有更好的匹配性，当使用非共沸混合工质替代传统纯工质时，可有效提升循环系统效率，实现系统成本的降低。但是相对于纯工质，非共沸混合工质各成分之间存在额外的传热传质阻力，其沸腾传热系数降低，传热性能减弱，传热性能的降低迫使一般蒸发器所需换热面积和换热器成本大大增加，抑制或抵消了使用非共沸混合工质系统提升效率所带来的经济成本降低的优势。

此外，板式换热器由多块波纹曲面金属板叠装而成，其紧凑型结构以及波纹板自身的曲面构造，增加现有微加工技术在波纹曲面板上制造微结构强化表面的难度，致使制造过程存在明显技术缺陷，如发明名称为“一种板式蒸发器用换热板”、申请号为“201310119871.0”的发明专利，其在换热板片基体上端面加工出微肋、开有微凹或在所述换热板片基体的表面加工出粗糙结构，或者如纳米粒子电化学沉积法，存在耗时长、程序复杂、成本高，且生成的结构具有随机性等不利因素。

由此，如何提升可再生能源利用中低温热能的利用效率以及非共沸混合工质在蒸发器内的传热性能，以及如何简化换热板表面制作工艺成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器，以解决上述现有技术中出现的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种微结构强化表面的制备方法，包括以下步骤：

1)预处理：对金属表面进行去污除油清洗；

2)激光烧蚀：采用飞秒激光烧蚀技术，发射高能激光作用到所述金属表面，使该表面迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶形成复合微结构，所述复合微结构包括微米级槽道主结构和覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构；激光烧蚀的各项参数为：激光功率20W-400W，波长266nm-1064nm，脉宽10fs-12ps，重复频率300kHz-800kHz，扫描速度0.2m/s-2m/s，扫描间距50μm-200μm。

优选地，步骤2)得到的所述微米级槽道主结构的凹槽宽度为10μm–100μm，所述纳米级或亚微米级多孔次结构的晶粒尺寸为100nm–10μm。

优选地，步骤2)中激光烧蚀的路径为垂直的网格结构。

优选地，步骤2)所采用的设备是飞秒或皮秒激光器，通过160mm f-theta lens的扫描振镜加工，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过与设备连接的电脑进行设定，激光烧蚀的路径通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制。

优选地，步骤1)所述的金属样品材质为钢、钛或铜。

优选地，步骤1)所述的对金属表面进行清洗的方法是酸洗或超声波。

一种应用上述方法制备的微结构强化表面的板式蒸发器，包括人字形金属波纹换热板、固定架、支撑杆和移动架，所述人字形金属波纹换热板具有所述微结构强化表面，所述支撑杆一侧安装在所述固定架上，所述人字形金属波纹换热板层叠安装在所述支撑杆之间，所述支撑杆另一侧安装有所述移动架，所述固定架与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与移动架之间均设置有密封垫圈，所述密封垫圈用于限制流入蒸发器中的热源和工质的流向，所述支撑杆位于所述移动架外侧的部分设置有锁紧结构，所述锁紧结构用于固定并夹紧移动架。

优选地，层叠安装的相邻所述人字形金属波纹换热板的人字波纹上下方向相反，且相邻两块所述人字形金属波纹换热板的波峰与波谷互相接触。

优选地，所述支撑杆分别安装在所述固定架上下两侧。

优选地，所述支撑杆上设置有螺纹结构，所述锁紧结构为与所述螺纹结构相配合的螺母。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.本发明采用飞秒激光烧蚀技术，相较于传统微加工技术，生成微结构快速、准确、耐久、成本低，制备的复合微结构强化表面由于具有众多的凹槽，可增大汽化核心密度，提高汽液界面的蒸发量，凹槽表面又覆盖有无数纳米级和亚微米级的晶粒形成的多孔次结构，可为沸腾过程中汽泡的生成提供大量的潜在成核点，两者结合使得复合微结构强化表面可有效改善液体接触角以及汽泡的成核、成长和脱离过程，降低成核所需过热度，从而有效强化沸腾传热过程，使单位面积上的换热效率显著提升。

2.通过将飞秒激光烧蚀路径设置为垂直网格结构，最大程度上地增加了复合微结构的密度，使其各种有益效果的发挥得到了优异的展现，且网格结构对于板式蒸发器的波纹曲面结构来说加工更为简单方便，基于以垂直网格结构为路径烧蚀得到的复合微结构强化表面，可以建立出更加良性的非共沸混合物在板式换热器交叉波纹通道内沸腾的两相流流型，得到基于流型的性能优异的换热模型。

3.应用了复合微结构强化表面的板式蒸发器，具有复合微结构强化表面可有效强化沸腾传热过程、使单位面积上的换热效率显著提升的优点，使其面对中低温热能的能源再利用和使用非共沸混合工质的系统时，既可有效提高中低温热能的利用效率，又改善了非共沸混合工质在一般蒸发器内传热性能低的问题，在控制经济成本的前提下，多方面有效地提升了基于先进热力循环技术的可再生能源利用系统的能源利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为金属表面经飞秒激光制备微结构后的扫描电镜图；

图2为基于微结构强化表面的人字形金属波纹换热板的结构示意图；

图3为基于微结构强化表面的板式蒸发器的组装示意图；

其中，1—固定架，2—人字形金属波纹换热板，3—移动架，4—支撑杆，5—锁紧结构，6—密封垫圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图和具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例一：

一种微结构强化表面的制备方法，包括以下步骤：

1)本实施例采用人字形波纹钢板作为基底，将人字形波纹钢板进行酸洗。

2)在皮秒激光器上安装160mm f-theta lens的扫描振镜，将清洗干净的人字形波纹钢板放到皮秒激光器的工作台上。

3)用CorelDRAW软件绘制垂直的网格结构，直线与直线之间的距离为100μm。

4)将绘制的图案输出到激光烧蚀仪中，在控制面板中设置激光功率为30W，波长1064nm，重复率1MHz，脉宽10ps，重复频率400khz，扫描速度0.5m/s，通调整激光焦距，进行烧蚀。

如图1的扫描电镜图所示，烧蚀后的表面为由宽度为25μm到100μm的凹槽结构和100nm–10μm的晶粒形成的微腔。

实施例二：

一种微结构强化表面的制备方法，包括以下步骤：

1)本实施例采用人字形波纹铜板作为基底，将人字形波纹铜板进行超声波清洗。

2)在皮秒激光器上安装160mm f-theta lens的扫描振镜，将清洗干净的人字形波纹铜板放到皮秒激光器的工作台上。

3)用CorelDRAW软件绘制垂直的网格结构，直线与直线之间的距离为200μm。

4)将绘制的图案输出到激光烧蚀仪中，在控制面板中设置激光功率为20W，波长355nm，重复率1MHz，脉宽10ps，重复频率300khz，扫描速度1m/s，通调整激光焦距，进行烧蚀。

实施例三：

一种微结构强化表面的制备方法，包括以下步骤：

1)本实施例采用人字形波纹钛板作为基底，将人字形波纹钛板进行超声波清洗。

2)在飞秒激光器上安装160mm f-theta lens的扫描振镜，将清洗干净的人字形波纹铜板放到飞秒激光器的工作台上。

3)用CorelDRAW软件绘制直线阵列，直线与直线之间的距离为50μm。

4)将绘制的图案输出到激光烧蚀仪中，在控制面板中设置激光功率为500W，波长800nm，重复率1MHz，脉宽70fs，重复频率800khz，扫描速度2m/s，通调整激光焦距，进行烧蚀。

实施例四：

如图3所示，本实施例提供一种应用实施例一制备的微结构强化表面的板式蒸发器，包括固定架1、人字形金属波纹换热板2、移动架3和支撑杆4，其中，人字形金属波纹换热板2具有实施例一所述方法制备的微结构强化表面，支撑杆4一侧安装在固定架1上，人字形金属波纹换热板2层叠安装在支撑杆4之间，支撑杆4另一侧安装有移动架3，支撑杆4位于移动架3外侧的部分设置有锁紧结构5，锁紧结构5与支撑杆4配合将移动架固定锁紧。如图2所示，固定架1与人字形金属波纹换热板之间2、两两人字形金属波纹换热板2之间、人字形金属波纹换热板2与移动架3之间均设置有密封垫圈6，密封垫圈6用于限制流入蒸发器中的热源和工质的流向。

作为本实施例进一步的优选方案，层叠安装的人字形金属波纹换热板2正人字与倒人字相互间隔设置，且相邻两块人字形金属波纹换热板2的波峰与波谷互相接触，将流道划分为众多互相连通的子通道，最终形成一种当量直径为毫米级的特殊交叉波纹通道。此种特殊交叉波纹通道增强了流体扰动和湍流强度，可以使介质均匀地流过板片表面，增加了有效的换热面积，提高了换热效率，且不易结垢，安装方便。

作为本实施例进一步的优选方案，支撑杆上设置有螺纹结构，所述锁紧结构为与所述螺纹结构相配合的螺母和弹簧垫圈，在支撑杆上套入弹簧垫圈，再旋入螺母并拧紧，使移动架将层叠安装的人字形金属波纹换热板2及密封垫圈6按牢压实，以达到密封要求。

本实施例应用了复合微结构强化表面的人字形金属波纹换热板2，复合微结构强化表面由于具有众多的凹槽，可增大汽化核心密度，提高汽液界面的蒸发量，凹槽表面又覆盖有无数纳米级和亚微米级的晶粒形成的多孔次结构，可为沸腾过程中汽泡的生成提供大量的潜在成核点，两者结合使得复合微结构强化表面可有效改善液体接触角以及汽泡的成核、成长和脱离过程，降低成核所需过热度，从而有效强化沸腾传热过程，显著提升单位面积上的换热效率，使本实施例中的蒸发器面对中低温热能的能源再利用和使用非共沸混合工质的系统时，既可有效提高中低温热能的利用效率，又可改善非共沸混合工质在蒸发器内传热性能低的问题，在控制经济成本的前提下，多方面有效地提升了基于先进热力循环技术的可再生能源利用系统的能源利用效率。

在此基础之上，通过将飞秒激光烧蚀路径设置为垂直网格结构，最大程度上地增加了复合微结构的密度，使其各种有益效果的发挥得到了优异的展现，且网格结构对于板式蒸发器的波纹曲面结构来说加工更为简单方便，基于以垂直网格结构为路径烧蚀得到的复合微结构强化表面，可以建立出更加良性的非共沸混合物在板式换热器交叉波纹通道内沸腾的两相流流型，得到基于流型的性能优异的换热模型，最终表现为蒸发器的效率显著提升，基于飞秒激光烧蚀技术制造的复合微结构强化表面相对于光滑表面可提升沸腾换热系数2到3倍。而且，加工复合微结构强化表面所采用的飞速激光烧蚀技术相较于传统微加工技术，生成微结构快速、准确、耐久、成本低。

总结来说，应用了复合微结构强化表面的蒸发器既提升了再生能源利用中的中低温热能的利用效率，又改善了非共沸混合工质在蒸发器内传热性能低的问题，使单位面积上的换热效率显著提升，在控制经济成本的前提下多方面有效地提升了基于先进热力循环技术的可再生能源利用系统的能源利用效率。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种微结构强化表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预处理：对金属表面进行去污除油清洗；

2)激光烧蚀：采用飞秒激光烧蚀技术，发射高能激光作用到所述金属表面，使该表面迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶形成复合微结构，所述复合微结构包括微米级槽道主结构和覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构；激光烧蚀的各项参数为：激光功率20W-500W，波长266nm-1064nm，脉宽50fs-12ps，重复频率300kHz-800kHz，扫描速度0.2m/s-2m/s，扫描间距50μm-200μm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)得到的所述微米级槽道主结构的凹槽宽度为10μm–100μm，所述纳米级或亚微米级多孔次结构的晶粒尺寸为100nm–10μm。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中激光烧蚀的路径为垂直的网格结构。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所采用的设备是飞秒或皮秒激光器，通过160mm f-theta lens的扫描振镜加工，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过与设备连接的电脑进行设定，激光烧蚀的路径通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的金属样品材质为钢、钛或铜。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的对金属表面进行清洗的方法是酸洗或超声波。

7.一种应用1-6任一项所述的方法制备的微结构强化表面的板式蒸发器，其特征在于：包括人字形金属波纹换热板、固定架、支撑杆和移动架，所述人字形金属波纹换热板具有所述微结构强化表面，所述支撑杆一侧安装在所述固定架上，所述人字形金属波纹换热板层叠安装在所述支撑杆之间，所述支撑杆另一侧安装有所述移动架，所述固定架与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与移动架之间均设置有密封垫圈，所述密封垫圈用于限制流入蒸发器中的热源和工质的流向，所述支撑杆位于所述移动架外侧的部分设置有锁紧结构，所述锁紧结构用于固定并夹紧移动架。

8.根据权利要求7所述的一种应用所述微结构强化表面的板式蒸发器，其特征在于：层叠安装的相邻所述人字形金属波纹换热板的人字波纹上下方向相反，且相邻两块所述人字形金属波纹换热板的波峰与波谷互相接触。

9.根据权利要求8所述的一种应用所述微结构强化表面的板式蒸发器，其特征在于：所述支撑杆分别安装在所述固定架上下两侧。

10.根据权利要求9所述的一种应用所述微结构强化表面的板式蒸发器，其特征在于：所述支撑杆上设置有螺纹结构，所述锁紧结构为与所述螺纹结构相配合的螺母和弹簧垫圈。

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