RU2806750C2 - Способ формирования теплообменной поверхности с комбинированным пористым покрытием и теплообменная поверхность, полученная таким способом - Google Patents
Способ формирования теплообменной поверхности с комбинированным пористым покрытием и теплообменная поверхность, полученная таким способом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806750C2 RU2806750C2 RU2018108563A RU2018108563A RU2806750C2 RU 2806750 C2 RU2806750 C2 RU 2806750C2 RU 2018108563 A RU2018108563 A RU 2018108563A RU 2018108563 A RU2018108563 A RU 2018108563A RU 2806750 C2 RU2806750 C2 RU 2806750C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat transfer
- microns
- coating
- transfer surface
- aluminum
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение откосится к формированию теплообменной поверхности на алюминии или алюминиевом сплаве в виде керамического капиллярно-пористого покрытия. Способ характеризуется тем, что поверхность из алюминия или алюминиевого сплава помещают в гальваническую ванну с водным многокомпонентным силикатно-щелочным электролитом, прикладывают переменное электрическое напряжение в импульсном анодно-катодном режиме и пропускают постоянный ток с образованием на поверхности керамического капиллярно-пористого покрытия толщиной от 1 до 100 мкм с микро- и нанорельефной открытой пористостью 10-50% от объема покрытия, с расстоянием между порами от 10 нм до 40 мкм и диаметром 1-50 мкм, при этом температуру электролита поддерживают соответствующей температуре его кипения с недогревом на 5-30°С, а плотность тока поддерживают в диапазоне от 1 А/дм2 до 50 А/дм2. Сформированная теплообменная поверхность по сравнению с гладкой поверхностью обеспечивает интенсификацию теплообмена в плёночном, переходном и пузырьковом режимах кипения от 2 до 5 раз. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.
Description
Изобретения относятся к области теплообмена в двухфазных системах и технологии микродугового оксидирования поверхностей вентильных металлов и может быть использовано в машиностроении при производстве теплообменных аппаратов. Преимущественной областью использования заявленных изобретений может быть криогенная, холодильная техника, двухфазные термосифоны, а также теплообменные аппараты химических производств, где требуется повышенная эффективность теплообмена при низких температурных напорах.
Известно, что с целью интенсификации теплообмена при фазовых превращениях теплоносителя (хладагента) применяют пористые покрытия теплообменных поверхностей /А.С. СССР №1702152, F28F13/18, опубл. 30.12.1991, А.С. СССР №705241, F28F13/14, опубл. 25.12.1979/. Известно о влиянии структуры покрытий, геометрии, пористости, размера пор и их распределения на эффективность теплообмена /Кузма-Кичта Ю.А. Методы интенсификации теплообмена на макро-микро и наномасштабах. М.: МЭИ-2013, с 124; Патент РФ № 2517795, В82В3/00, опубл. 27.05.2014/. Известно также о влиянии защитных антикоррозионных свойств покрытий, полученных методом микродугового оксидирования /Патент РФ № 2027139, F28F21/00, опубл. 20.01.1995. Патент RU № 2078857, C25D11/02, опубл. 23.04.1992/.
Известен способ формирования пористого слоя на поверхности алюминия /патент № CN 102553814, C25D11/04, опубл. 11.07.2012/, предназначенный для усиления адгезии между алюминием и защитным покрытием, которое наносится на пористый слой оксида алюминия. Недостаток указанного технического решения заключается в том, что пористый алюминиевый слой выполняет функцию промежуточного слоя между наносимым покрытием и алюминием, заполняется защитным материалом и не может обеспечить повышение теплопереноса. Известен также способ, приведенный в патенте /ЕР0823496, C25D11/026, опубл. 20.05.1998/. Недостаток этого способа в том, что формируется сплошное покрытие, выполняющее только защитную функцию без формирования открытой пористости и пароотводящих каналов.
Известен способ тепловой стабилизации и обеспечения бескризисного режима работы энергетического и технологического оборудования /патент РФ № 2034225, F28F13/18, опубл. 30.04.1995/, сущность которого заключается в нанесении на стенки парогенерирующего канала пористого покрытия на место, где расходное массовое паросодержание x достигает значения x≥ 0,8 x°, гр , где x°, гр - массовое паросодержание в месте высыхания пристенной жидкой пленки для гладкого канала. Толщину пористого покрытия выбирают в диапазоне 10 - 300 мкм с пористостью 30 - 70% и размером пор от 1 до 100 мкм. Недостатком данного технического решения является отсутствие регламентации открытой пористости, которая и обеспечивает повышение эффективности теплообмена.
Известен электрохимический способ получения покрытия /патент № RU 2483145, C25D11/02, опубл. 27.05.2013/, заключающийся в проведении микродугового оксидирования и/или анодирования на различных участках металлического изделия и включающий обработку изделия, части которого размещены в двух резервуарах, герметично разделенных друг от друга при пропускании переменного тока между двумя противоэлектродами, находящимися в упомянутых резервуарах, заполненных электролитом. Недостатком указанного способа является то, что он не направлен на формирование пористых покрытий с фиксированным процентом открытой пористости.
Известна обработанная поверхность алюминиевого материала и способ его производства /WO 2015015768, опубл.05.02.2015/, в котором на части поверхности алюминиевого материала формируется коррозионно-стойкий сплошной слой оксидной пленки, а на других участках поверхности - пористый слой оксида. Недостаток указанного технического решения заключается в отсутствии формирования сплошного пористого слоя, необходимого для реализации агрегатного перехода нагреваемой среды в парообразное состояние.
Известен способ формирования нано-структуры /заявка на патент US 20130171418, C25D11/026, опубл. 04.07.2013 и патент № CN 103249873, C25D11/026, опубл. 14.08.2013/, заключающийся в формировании многослойной структуры при окислении слоев разнородных материалов с разным коэффициентом теплового расширения. Недостаток указанного технического решения состоит в том, что при его реализации формируются протяженные поры, ориентированные по нормали к поверхности, что усложнит их заполнение нагревательной средой, циркуляцию среды в поровом канале, а также затруднит выход паровой фазы из их объема.
Известны способы формирования пористых пленок /патент США № US 4687551 C25D11/04, опубл. 18.08.1987 и патент № JPS60181295, C25D11/04, опубл. 14.09.1985/, заключающиеся в получении тонких пленок, состоящих их пористого оксида алюминия, полученного путем его анодирования путем постепенного увеличения тока и уменьшения напряжения. Недостаток этого технического решения заключается в том, что в результате формируется тонкая пленка со сквозной пористостью, которая не может выполнять роль непроницаемого барьера между теплоносителем и нагреваемой средой.
Известен способ /патент SU №1183822, F28F13/02, опубл. 07.10.1985/, согласно которому получают поверхность с пористым покрытием, сформированную с чередующимися участками высокой и низкой пористости. Такое покрытие одновременно обеспечивает высокие значения интенсивности теплообмена и критические плотности теплового потока при кипении жидкости. Недостаток такого подхода в том, что основной эффект таких покрытий достигается при кипении жидкости. В случае низких тепловых напоров, не обеспечивающих режим пленочного кипения, важным фактором формирования пузырьков пара является наличие пор определенного размера, в которых будет происходить локальный перегрев жидкости и переход в парообразное состояние.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования керамического покрытия на поверхностях вентильных металлов /Патент RU 2238351, C25D11/02, опубл. 20.10.2004/, включающий помещение токопроводящей поверхности в гальваническую ванну с электролитом, подаче переменного электрического напряжения к поверхности и к ванне с условием поочерёдного выполнения функций катода и анода и, следовательно, поочерёдного протекания между ними анодного и катодного токов с образованием на поверхности оксидного покрытия. Однако недостатками указанного способа и получаемого покрытия являются ограничение режимов процесса микродугового оксидирования и концентрации компонентов раствора величинами, вызывающими повышение пористости покрытия.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в получении поверхности, обеспечивающей повышение эффективности теплообмена в условиях низких тепловых напоров в пузырьковой области, а также способа её изготовления. Техническим результатом является интенсификация теплообмена в плёночном, переходном и пузырьковом режимах кипения от 2 до 5 раз.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ формирования комбинированного керамического покрытия, при котором токопроводящую поверхность помещают в гальваническую ванну с водным кислотным электролитом, прикладывают переменное электрическое напряжение в импульсном анодно-катодном режиме, пропускают постоянный ток с применением электролитов на повышенных температурных режимах и повышенных кислотных концентрациях раствора с образованием на поверхности оксидного покрытия. Отличительной особенностью данного способа является то, что температуру электролита поддерживают соответствующей температуре его кипения с недогревом на 5-30°С, а плотность тока поддерживают в диапазоне от 1 А/дм2 до 100 А/дм2
Для получения покрытия используют многокомпонентные силикатно-щелочные электролиты, содержащие наряду с метасиликатом натрия NaOH или КОН в концентрации от 2 до 10 г/л.
Предлагается также теплообменная поверхность с комбинированным пористым покрытием, состоящая из непроницаемой подложки, и капиллярно-пористого покрытия с неравномерной пористостью. Поверхность отличается тем, что керамическое капиллярно-пористое покрытие с микро- и нанорельефной открытой пористостью 10-50% от объема покрытия, толщиной от 1 до 50 мкм и расстоянием между порами от 10 нанометров до 40 мкм, имеет сквозные по толщине пароотводящие каналы диаметрами в 3-5 раз меньше средней глубины пор покрытия.
Теплообменная поверхность имеет поры как нормального, так и тангенциального расположения по отношению к теплопередающей поверхности.
Теплопередающая поверхность имеет композитную структуру из нанесенной на основной металл подложки из алюминия или алюминиевого сплава толщиной 10-150 мкм, на которую нанесено капиллярно-пористое покрытие.
На фиг.1 и 2 представлено покрытие по предлагаемому изобретению, где
1 – кривая кипения азота на поверхности шара без покрытия
2 – кривая кипения азота на поверхности шара с покрытием по настоящему изобретению.
3 – непроницаемая подложка.
4 – материал покрытия.
5 – сквозные пароотводящие каналы.
Для повышения эффективности теплообмена необходимо формировать на поверхности теплообменного элемента, контактирующей с нагреваемой средой, систему открытых пор и каналов, микронного объема, обеспечивающих кратковременный нагрев и переход в парообразное состояние нагреваемой жидкости. Данная цель достигается путём формирования на теплообменной поверхности вентильных металлов микро- и нанорельефного керамического пористого покрытия с открытой пористостью и пароотводящими каналами, которые формируют в процессе микродугового оксидирования теплообменной поверхности.
Покрытие с образованием на поверхности оксидного покрытия по настоящему изобретению формируют за счет применения многокомпонентных силикатно-щелочных электролитов, содержащих наряду с метасиликатом натрия NaOH или КОН в концентрации от 2 до 10 г/л, поддержания высоких температурных режимов электролита, прикладывают переменное электрическое напряжение в импульсном анодно-катодном режиме, таким образом, что температуру электролита поддерживают соответствующей температуре его кипения с недогревом на 5-30°С, а плотность тока должна составлять в диапазоне от 1 А/дм2 до 100 А/дм2.
Диаметр пор и толщина слоя пропорциональны величине плотности электрического тока и температуры электролита. При повышении плотность тока с 1-5 А/дм2 до 30-50 А/дм2 пористость увеличивается с 10% до 35-40% при ограничении толщины покрытия не более 100 мкм. Увеличение температуры нагрева электролита с 150С до 600С также приводит к увеличению пористости до 50%. В результате регулирования указанных параметров формируют открытую пористость до 10-50% от объема покрытия.
Для достижения указанного технического результата нужно создать покрытие со следующими требованиями к его пористости: поры не должны доходить до основного металла с целью коррозионной защиты поверхности, поры должны иметь поперечный размер в сечении 1-50 мкм и диаметром в 3-5 раз меньше средней глубины пор покрытия, промежутки между порами должны составлять от 10 нм до 40 мкм, поры должны иметь как нормальное, так и тангенциальное расположение по отношению к теплопередающей поверхности.
Теплопередающая поверхность может иметь композитную структуру. Например, на поверхность из меди, никеля, стали или других металлов может наноситься слой алюминия толщиной 10-150 мкм, на котором и формируют пористое покрытие.
Примером реализации такого способа является применение водного электролита, содержащего 2г/л КОН + 6 г/л Na2SiO3 + 2 г/л NaAlO2. Формирование покрытия проводилось на следующих режимах:
Плотность тока, А/дм2 | 6 – 7 |
Напряжение на аноде, В | 550 – 600 |
Напряжение на катоде, В | 150 – 260 |
Время, мин | 55 – 60 |
В результате в покрытии общей толщиной примерно 77 мкм получена открытая пористость 37-40%.
На фиг.1 показаны результаты испытаний теплообменной поверхности из алюминия с капиллярно-пористым микро- и нанорельефным покрытием из Al2O3 при кипении азота. На фиг.2 показана структура покрытия, полученная с помощью электронного микроскопа (х1000).
Кривые кипения азота на гладкой и с покрытием поверхностях свидетельствуют об интенсификации теплообмена в плёночном, переходном и пузырьковом режимах кипения азота от 2 до 5 раз. Поперечное сечение керамического покрытия (фиг.2) характеризуется наличием сквозных каналов, проникающих от поверхности покрытия до основного металла.
Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом представлено в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение характеристик пористого покрытия
Параметры покрытия | патент РФ № 2034225 C1 МПК F28F13/18 (прототип для поверхности) | Формула предлагаемого технического решения |
Способ получения покрытия | Нанесение покрытия на поверхность теплообменной трубки | Формирование из материала темплообменной трубки путем его преобразования методом МДО |
Область применения | Парогенераторы | Криогенная и холодильная техника |
Открытая пористость покрытия | С пористостью 30 - 70% | С открытой пористостью 10-50% |
Толщина слоя покрытия | Толщину пористого покрытия выбирают в диапазоне 10 - 300 мкм | Толщиной слоя от 1 до 100 мкм |
Расстоянием между порами | Расстоянием между порами от 10 нанометров до 40 мкм | |
Размеры сквозных по толщине пароотводящих каналов | Размер пор от 1 до 100 мкм. | Поры должны иметь поперечный размер в сечении 1-50 мкм и диаметром в 3-5 раз меньше средней глубины пор покрытия |
Claims (5)
1. Способ формирования теплообменной поверхности на алюминии или алюминиевом сплаве в виде керамического капиллярно-пористого покрытия, характеризующийся тем, что поверхность из алюминия или алюминиевого сплава помещают в гальваническую ванну с водным многокомпонентным силикатно-щелочным электролитом, прикладывают переменное электрическое напряжение в импульсном анодно-катодном режиме и пропускают постоянный ток с образованием на поверхности керамического капиллярно-пористого покрытия толщиной от 1 до 100 мкм с микро- и нанорельефной открытой пористостью 10-50% от объема покрытия, с расстоянием между порами от 10 нм до 40 мкм и диаметром 1-50 мкм, при этом температуру электролита поддерживают соответствующей температуре его кипения с недогревом на 5-30°С, а плотность тока поддерживают в диапазоне от 1 А/дм2 до 50 А/дм2.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения покрытия используют многокомпонентные силикатно-щелочные электролиты, содержащие наряду с метасиликатом натрия NaOH или КОН в концентрации от 2 до 10 г/л.
3. Теплообменная поверхность на алюминии или алюминиевом сплаве с керамическим капиллярно-пористым покрытием, полученная способом по п.1, состоящая из подложки алюминия или алюминиевого сплава, на поверхности которой сформировано керамическое капиллярно-пористое покрытие толщиной от 1 до 100 мкм с микро- и нанорельефной открытой пористостью 10-50% от объема покрытия, с расстоянием между порами от 10 нм до 40 мкм и диаметром 1-50 мкм.
4. Теплообменная поверхность по п.3, отличающаяся тем, что поры имеют как нормальное, так и тангенциальное расположение по отношению к теплопередающей поверхности.
5. Теплообменная поверхность по п.3, отличающаяся тем, что теплопередающая поверхность имеет композитную структуру из нанесенной на основной металл подложи из алюминия или алюминиевого сплава толщиной 10-150 мкм, на которую нанесено капиллярно-пористое покрытие.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108563A RU2806750C2 (ru) | 2018-03-12 | Способ формирования теплообменной поверхности с комбинированным пористым покрытием и теплообменная поверхность, полученная таким способом |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108563A RU2806750C2 (ru) | 2018-03-12 | Способ формирования теплообменной поверхности с комбинированным пористым покрытием и теплообменная поверхность, полученная таким способом |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018108563A RU2018108563A (ru) | 2019-09-12 |
RU2018108563A3 RU2018108563A3 (ru) | 2022-03-10 |
RU2806750C2 true RU2806750C2 (ru) | 2023-11-07 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1183822A1 (ru) * | 1984-04-25 | 1985-10-07 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Теплообменна поверхность |
US4687551A (en) * | 1984-10-17 | 1987-08-18 | Alcan International Limited | Porous films and method of forming them |
RU2046157C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-10-20 | Мамаев Анатолий Иванович | Способ микродугового оксидирования вентильных металлов |
RU2199613C2 (ru) * | 2001-05-22 | 2003-02-27 | Агабабян Размик Енокович | Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры (варианты) |
RU2238351C1 (ru) * | 2003-09-02 | 2004-10-20 | Пензенский государственный университет | Способ получения покрытий |
JP4356694B2 (ja) * | 2003-03-19 | 2009-11-04 | 日本電気株式会社 | マイクロチップならびに試料抽出方法、試料分離方法、試料分析方法、および試料回収方法 |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1183822A1 (ru) * | 1984-04-25 | 1985-10-07 | Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции | Теплообменна поверхность |
US4687551A (en) * | 1984-10-17 | 1987-08-18 | Alcan International Limited | Porous films and method of forming them |
RU2046157C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-10-20 | Мамаев Анатолий Иванович | Способ микродугового оксидирования вентильных металлов |
RU2199613C2 (ru) * | 2001-05-22 | 2003-02-27 | Агабабян Размик Енокович | Способ формирования защитного покрытия на деталях запорной арматуры (варианты) |
JP4356694B2 (ja) * | 2003-03-19 | 2009-11-04 | 日本電気株式会社 | マイクロチップならびに試料抽出方法、試料分離方法、試料分析方法、および試料回収方法 |
RU2238351C1 (ru) * | 2003-09-02 | 2004-10-20 | Пензенский государственный университет | Способ получения покрытий |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rishi et al. | Improved wettability of graphene nanoplatelets (GNP)/copper porous coatings for dramatic improvements in pool boiling heat transfer | |
Cheng et al. | Plasma electrolytic oxidation and corrosion protection of Zircaloy-4 | |
JP4868020B2 (ja) | アルミニウムの陽極酸化方法、および陽極酸化アルミニウム | |
US5382347A (en) | Protective coatings for metal parts to be used at high temperatures | |
Rehman et al. | Structure and corrosion properties of the two-step PEO coatings formed on AZ91D Mg alloy in K2ZrF6-based electrolyte solution | |
CN102330095B (zh) | 一种钢基材料表面的Al2O3涂层制备方法 | |
US5158663A (en) | Protective coatings for metal parts to be used at high temperatures | |
JP5265181B2 (ja) | 保護膜製造方法 | |
JP2018090897A (ja) | 陽極酸化皮膜の製造方法及び陽極酸化皮膜 | |
Lu et al. | A novel in-situ nanostructure forming route and its application in pool-boiling enhancement | |
CN106637354A (zh) | 一种铍及铍铝合金表面微弧氧化膜层制备方法 | |
Shchedrina et al. | Non-destructive methods to control the properties of MAO coatings on the surface of 2024 aluminium alloy | |
Najafpour et al. | 2-D microflow generation on superhydrophilic nanoporous substrates using epoxy spots for pool boiling enhancement | |
RU2806750C2 (ru) | Способ формирования теплообменной поверхности с комбинированным пористым покрытием и теплообменная поверхность, полученная таким способом | |
De Graeve et al. | Influence of heat transfer on anodic oxidation of aluminium | |
US3359190A (en) | One-side anodizing of aluminum sheet | |
RU2671311C2 (ru) | Электролит для нанесения покрытия на вентильные металлы и их сплавы, способ нанесения покрытия и покрытие, полученное таким способом | |
JP2018527516A (ja) | シリンダヘッドのダクトのコーティングを形成するための改善された方法およびこれにより得られるシリンダヘッド | |
JP2010077485A (ja) | 陽極酸化皮膜の形成方法とそれを用いたアルミニウム合金部材 | |
Lee et al. | Fabrication of Plasma Electrolytic Oxidation Coatings on Magnesium AZ91D Casting Alloys | |
KR101207708B1 (ko) | 알루미늄의 양극산화 방법 및 양극산화 알루미늄 | |
RU2793671C2 (ru) | Теплопередающая стенка теплообменника и способ формирования покрытия для интенсификации теплообмена теплопередающей стенки теплообменника | |
Emel et al. | Anodic film changes during anodizing commercial pure aluminum | |
WO2021215962A1 (ru) | Способ нанесения покрытия на изделия из вентильного металла или его сплава | |
WO2023167087A1 (ja) | 冷却部材、冷却器、冷却装置及び冷却部材の製造方法 |