RU2786292C1

RU2786292C1 - Method for forming a combined hydrophilic coating

Info

Publication number: RU2786292C1
Application number: RU2022124342A
Authority: RU
Inventors: Юрий Альфредович Кузма-Кичта; Никита Сергеевич Иванов; Александр Владимирович Лавриков
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2022-12-19

Abstract

FIELD: energy-saving technology.

SUBSTANCE: invention relates to energy-saving technology and thermal power engineering, and in particular to a method for forming a hydrophilic coating from aluminum oxide nanoparticles on a heat exchange surface. To implement this method, the following operations are carried out. Grooves with a width of 10 µm to 100 µm are cut on said surface. The said surface is heated up to 50-100°C. A nanofluid consisting of aluminum oxide nanoparticles 50 to 100 nm in size and isopropanol is applied to the heat exchange surface. The liquid is evaporated from said nanofluid at atmospheric pressure in air and the application of said nanofluid and liquid evaporation from the nanofluid are repeated 10 to 15 times.

EFFECT: invention provides an increase in heat transfer during evaporation and boiling by increasing the area of evaporation and increasing the centers of vaporization during boiling.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергосберегающей технике и теплоэнергетике, в частности к способам улучшения смачивания и капиллярных свойств поверхности теплообмена для повышения теплоотдачи при испарении и кипении.The invention relates to energy-saving technology and thermal power engineering, in particular to methods for improving the wetting and capillary properties of the heat exchange surface to increase heat transfer during evaporation and boiling.

Известен способ формирования нанорельефа на теплообменной поверхности (патент РФ №2433949, МПК В82В 3/00, опубл. 20.11.2011) путем осуществления на ней кипения наножидкости, заключающийся в том, что выбирают материал наночастиц с температурой плавления, равной 0.8-0.9 от температуры плавления изделия, получают при кипении наножидкости сплошной слой наночастиц на поверхности с минимальным термическим сопротивлением, выдерживают поверхность вместе со слоем наночастиц в инертной атмосфере при температуре 0,7-0,8 от температуры плавления наночастиц в течение 30 мин. Технический результат - получение на поверхности изделия слоя с минимальным термическим сопротивлением и скрепление указанного слоя с поверхностью изделия.There is a known method of forming a nanorelief on a heat exchange surface (RF patent No. 2433949, IPC V82V 3/00, publ. 20.11.2011) by boiling a nanofluid on it, which consists in choosing a material of nanoparticles with a melting point equal to 0.8-0.9 of the temperature melting of the product, a continuous layer of nanoparticles on the surface with a minimum thermal resistance is obtained by boiling the nanofluid, the surface is kept together with the layer of nanoparticles in an inert atmosphere at a temperature of 0.7-0.8 of the melting temperature of the nanoparticles for 30 min. EFFECT: obtaining a layer with minimal thermal resistance on the product surface and bonding said layer to the product surface.

Недостатком способа является выдерживание слоя в инертной атмосфере в течение 30 минут, необходимость кипения жидкости.The disadvantage of this method is keeping the layer in an inert atmosphere for 30 minutes, the need to boil the liquid.

Известен способ получения покрытия на внутренней поверхности трубы (авторское свидетельство SU №1237310, МПК B22F 7/00, опубл. 15.06.1986), включающий нанесение на поверхность трубы слоя полимерного связующего и слоя металлического порошка, его формование с периодически изменяющимся вдоль трубы усилием и последующее спекание. Устройство для получения покрытия на внутренней поверхности трубы содержит формующий элемент и привод, причем формующий элемент выполнен в виде стержня и надетой на него пружины, закрепленной жестко одним концом в стержне и другим концом соединенной через кольцо с приводом.A known method of obtaining a coating on the inner surface of the pipe (author's certificate SU No. 1237310, IPC B22F 7/00, publ. 06/15/1986), including applying a layer of polymer binder and a layer of metal powder to the surface of the pipe, its molding with a force periodically changing along the pipe and subsequent sintering. The device for obtaining a coating on the inner surface of the pipe contains a forming element and a drive, and the forming element is made in the form of a rod and a spring put on it, rigidly fixed at one end in the rod and the other end connected through the ring to the drive.

Недостатком данного способа является необходимость использования полимерного порошка и использования спекания для закрепления частиц.The disadvantage of this method is the need to use a polymer powder and the use of sintering to fix the particles.

Также известен способ, описанный в работе Chen Feng, Sanjeev Chandra, «Evaporation of ethanol films wicking on structured, porous coatings deposited on copper plates,» International Journal of Heat and Mass Transfer, т.136, pp. 821-831, 2019. Частицы медного порошка (53-88 мкм в диаметре) впрыскивались в водородно-кислородное пламя, которое потоком горячего газа перемещало их на прямоугольные полосы меди (25 мм на 100 мм и толщиной 0,8 мм), помещенные на расстоянии 100 мм от распылительного сопла, где они соприкасались и спекались друг с другом, образуя твердое покрытие. Для получения покрытий использовали и алюминиевые порошки (35-63 мкм в диаметре), которые вводились одновременно с медными порошками для формирования композитного медно-алюминиевого покрытия. Затем алюминий выщелачивали, помещая пластину в 30% раствор гидроксида натрия при температуре 100°С, для увеличения пористости. Каналы для усиления капиллярных эффектов в медных покрытиях были сделаны путем размещения кусочков алюминиевой проволоки на подложках перед распылением. Распыленные частицы порошка проходили через отверстия в сетке и оседали на подложку, образуя пирамидальные массивы с сеткой каналов между ними. Для покрытия получена высота подъема жидкости до 40 мм.Also known is the method described in Chen Feng, Sanjeev Chandra, "Evaporation of ethanol films wicking on structured, porous coatings deposited on copper plates," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 136, pp. 821-831, 2019. Copper powder particles (53-88 µm in diameter) were injected into a hydrogen-oxygen flame, which moved them by a stream of hot gas onto rectangular strips of copper (25 mm by 100 mm and 0.8 mm thick) placed on a distance of 100 mm from the spray nozzle, where they touched and sintered together to form a hard coating. Aluminum powders (35–63 μm in diameter) were also used to obtain coatings, which were introduced simultaneously with copper powders to form a composite copper-aluminum coating. The aluminum was then leached by placing the plate in a 30% sodium hydroxide solution at 100° C. to increase the porosity. Channels to enhance capillary effects in copper coatings were made by placing pieces of aluminum wire on substrates prior to sputtering. The sprayed powder particles passed through the holes in the mesh and settled on the substrate, forming pyramidal arrays with a network of channels between them. For the coating, the liquid rise height was obtained up to 40 mm.

Недостатками данного способа являются необходимость применения водородно-кислородного пламени, специальной сетчатой структуры из полос меди и спекания частиц на поверхности.The disadvantages of this method are the need to use a hydrogen-oxygen flame, a special mesh structure of copper strips and sintering of particles on the surface.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования гидрофильного покрытия из наночастиц, раскрытый в патенте РФ №2727406, МПК С23С 24/08, опубл. 21.07.2020, согласно которому покрытие формируют путем нанесения на нагретую до 250°С поверхность теплообмена раствора наночастиц с помощью распыления с последующим испарением капель воды при атмосферном давлении на воздухе. Высота подъема жидкости составляет от 10 до 15 мм.The closest in technical essence to the present invention is a method for forming a hydrophilic coating of nanoparticles, disclosed in the patent of the Russian Federation No. 2727406, IPC C23C 24/08, publ. 07/21/2020, according to which the coating is formed by applying a solution of nanoparticles to a heat exchange surface heated to 250°C by spraying, followed by evaporation of water droplets at atmospheric pressure in air. The height of the liquid rise is from 10 to 15 mm.

Недостатками данного метода является низкая высота подъема жидкости, необходимость распыления наножидкости на поверхность с промежутками в 10 секунд.The disadvantages of this method are the low height of the liquid rise, the need to spray the nanofluid onto the surface at intervals of 10 seconds.

Техническая задача состоит в увеличении высоты подъема жидкости за счет формирования гидрофильной пористой структуры на поверхности теплообмена.The technical problem is to increase the liquid rise height due to the formation of a hydrophilic porous structure on the heat exchange surface.

Технический результат изобретения заключается в повышении теплоотдачи при испарении и кипении за счет увеличения площади испарения и увеличении центров парообразования при кипении.The technical result of the invention is to increase heat transfer during evaporation and boiling by increasing the evaporation area and increasing the centers of vaporization during boiling.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования гидрофильного покрытия из наночастиц оксида алюминия на поверхности теплообмена, включающем нанесение на поверхность теплообмена наножидкости, согласно изобретению, сначала на упомянутой поверхности нарезают канавки шириной от 10 мкм до 100 мкм, нагревают упомянутую поверхность до 50-100°С, затем в качестве наножидкости на поверхность теплообмена наносят наножидкость, состоящую из наночастиц оксида алюминия размером от 50 до 100 нм и изопропанола, осуществляют испарение жидкости из упомянутой наножидкости при атмосферном давлении на воздухе и повторяют нанесение упомянутой наножидкости и испарение жидкости из наножидкости от 10 до 15 раз.This technical result is achieved by the fact that in the known method of forming a hydrophilic coating of aluminum oxide nanoparticles on the heat exchange surface, including applying a nanofluid to the heat exchange surface, according to the invention, first grooves are cut on the said surface with a width of 10 μm to 100 μm, the said surface is heated to 50 -100°C, then, as a nanofluid, a nanofluid consisting of nanoparticles of aluminum oxide with a size of 50 to 100 nm and isopropanol is applied to the heat exchange surface, the liquid is evaporated from the said nanofluid at atmospheric pressure in air, and the application of the said nanofluid and the evaporation of the liquid from the nanofluid are repeated 10 to 15 times.

Сущность способа формирования комбинированного гидрофильного покрытия поясняется фигурами, где на фиг.1 показана фотография поверхности теплообмена с нанесенным покрытием, а именно, слой наночастиц оксида алюминия, нанесенный на микроструктуру. На фиг.2 показана схема измерения высоты подъема жидкости по слою, полученному заявленным способом. Схема измерения высоты подъема жидкости содержит подложку 1, жидкость 2, иглу 3, линейку 4, камеру 5. На фиг. 3 показана зависимость высоты подъема жидкости от толщины покрытия.The essence of the method of forming a combined hydrophilic coating is illustrated by the figures, where figure 1 shows a photograph of the heat exchange surface coated, namely, a layer of aluminum oxide nanoparticles deposited on the microstructure. Figure 2 shows a diagram of measuring the height of the rise of the liquid in the layer obtained by the claimed method. The scheme for measuring the height of the rise of the liquid contains a substrate 1, a liquid 2, a needle 3, a ruler 4, a chamber 5. In Fig. 3 shows the dependence of the height of the rise of the liquid on the thickness of the coating.

Способ формирования комбинированного гидрофильного покрытия осуществляется следующим образом.The method of forming a combined hydrophilic coating is carried out as follows.

С помощью абразива с размером зерна от 10 мкм до 100 мкм на поверхности теплообмена нарезают канавки, затем поверхность нагревают до температуры от 50 до 100°С и наносят наножидкость, состоящую из наночастиц оксида алюминия размером от 50 до 100 нм и изопропанола с концентрацией наночастиц от 0,01 до 0,1%. Наножидкость испаряется при атмосферном давлении на воздухе, что приводит к формированию слоя наночастиц оксида алюминия. Процедуру нанесения наножидкости и испарения жидкости из наножидкости повторяют от 10 до 15 раз. Полученное покрытие (фиг. 1) позволяет достигнуть высоты капиллярного подъема жидкости от 30 до 35 мм и краевого угла 0 градусов.Using an abrasive with a grain size of 10 μm to 100 μm, grooves are cut on the heat exchange surface, then the surface is heated to a temperature of 50 to 100°C and a nanofluid is applied, consisting of nanoparticles of aluminum oxide with a size of 50 to 100 nm and isopropanol with a concentration of nanoparticles from 0.01 to 0.1%. The nanofluid evaporates at atmospheric pressure in air, which leads to the formation of a layer of aluminum oxide nanoparticles. The procedure for applying the nanofluid and evaporating the liquid from the nanofluid is repeated 10 to 15 times. The resulting coating (Fig. 1) allows you to achieve a height of capillary rise of the liquid from 30 to 35 mm and a contact angle of 0 degrees.

Экспериментально обнаружено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах параметров. Для измерения высоты подъема жидкости согласно схеме на фиг. 2 на подложку 1 наносят жидкость 2 с помощью подачи через иглу 3, после чего с помощью линейки 4 измеряют высоту подъема на фотографии, полученной с камеры 5. По измеренным значениям была построена зависимость высоты подъема жидкости от толщины слоя (фиг. 3), где (1) - комбинированное покрытие -слой наночастиц в канавках, (2) - слой наночастиц, (3) - канавки. Комбинированное покрытие обеспечивает значительно лучшие гидрофильные свойства, чем нанесение слоя наночастиц и нарезание канавок по отдельности.It has been experimentally found that the best characteristics of the coating are achieved in the specified ranges of parameters. To measure the height of liquid rise according to the scheme in Fig. 2, liquid 2 is applied to the substrate 1 by feeding through the needle 3, after which, using a ruler 4, the height of the rise in the photograph obtained from the camera 5 is measured. Based on the measured values, the dependence of the height of the rise of the liquid on the layer thickness was plotted (Fig. 3), where (1) - combined coating - layer of nanoparticles in grooves, (2) - layer of nanoparticles, (3) - grooves. The combined coating provides significantly better hydrophilic properties than applying a layer of nanoparticles and cutting grooves separately.

С ростом высоты подъема жидкости увеличивается и площадь испарения, что повышает коэффициент теплоотдачи при испарении, а структура на основе наночастиц увеличивает количество центров парообразования, что приводит к росту теплоотдачи при кипении.With an increase in the liquid rise height, the evaporation area also increases, which increases the heat transfer coefficient during evaporation, and the structure based on nanoparticles increases the number of vaporization centers, which leads to an increase in heat transfer during boiling.

Использование изобретения позволяет исключить технически сложные операции формирования гидрофильной поверхности с помощью нанесения частиц в пламени водородно-кислородной горелки или применение спекания и полимерных паст. Полученное покрытие позволяет увеличить высоту подъема жидкости до 35 мм по сравнению с прототипом.The use of the invention makes it possible to exclude technically complex operations of forming a hydrophilic surface by applying particles in the flame of a hydrogen-oxygen burner or using sintering and polymer pastes. The resulting coating allows you to increase the height of the liquid up to 35 mm compared with the prototype.

Claims

A method for forming a hydrophilic coating from aluminum oxide nanoparticles on a heat exchange surface, including applying a nanofluid to the heat exchange surface, characterized in that, first, grooves with a width of 10 μm to 100 μm are cut on the said surface, the said surface is heated to 50-100°C, then as nanofluid, a nanofluid consisting of nanoparticles of aluminum oxide with a size of 50 to 100 nm and isopropanol is applied to the heat exchange surface, the liquid is evaporated from the said nanofluid at atmospheric pressure in air, and the application of the said nanofluid and the evaporation of the liquid from the nanofluid are repeated 10 to 15 times.