一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法技术

本发明专利技术公开了属于强化传热技术领域的一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法。该制备方法主包括主要三个步骤：第一步为烧结多孔金属表面；第二步为多孔结构全面亲水化处理；第三部为设计定位微细管注液器，并利用其定位功能向局部多孔结构表面注入疏水化处理溶液，进行局部疏水化处理；最后获得具有可控亲水毛细结构和局部疏水的多孔换热表面。本发明专利技术利用高效传热多孔结构耦合可控局部亲疏水改性处理，促进液体在多孔换热表面内的快速传输，加快了液相向疏水汽化核心的补给；同时疏水汽化核心降低了对气泡的吸附力，促进气泡快速脱离，提高了多孔结构传热表面的可控性，所制备高效可控的多孔传热表面，是换热器加工领域的技术革新。

【技术实现步骤摘要】
一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法
本专利技术属于强化传热
，特别涉及一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法。
技术介绍
沸腾相变传热作为一种高效传热手段，广泛应用于高效换热器、快速冷却以及能源存储等领域。但鉴于沸腾过程存在膜沸腾或干壁现象，显著降低传热效率，甚至导致设备烧毁的情况。在实际应用过程中，沸腾传热必须控制在传热系数大和壁温较低的核沸腾阶段；或者为避免干壁、烧毁现象，提高对设备材料的要求、限制换热器的应用工况。因此，提高沸腾相变传热效率、保证换热设备的安全高效运行，其重中之重即为如何精确调控沸腾形态，有效提高核沸腾形态下的相变传热性能。沸腾过程可分为自然对流传热、核沸腾、膜沸腾几个阶段。自然对流阶段是沸腾气泡产生之前较低热通量状态；当壁面过热度增大到一定程度，在壁面核化中心处产生气泡，初始气泡在上升过程中很快与周围液体换热冷却消失，逐渐形成稳定的核沸腾，核沸腾阶段传热系数随壁面过热度的增大而明显上升；当过热度达到临界值，气泡大量产生，在表面合并成热导率低的汽膜，使传热分系数下降，转变为膜状沸腾。一旦壁面过热度超过临界值，沸腾进入膜沸腾阶段，传热表面出现干烧现象，换热器即面临烧毁的危险，同时其传热效率显著降低；为此，实际应用中核沸腾是沸腾相变传热的主要形态。而核化沸腾的两大必要条件为过热度和汽化核心，汽化核心密度正比于壁面热流密度的平方，即加热壁面汽化核心密度越大其传热效率越高；因此传热表面耦合多孔结构能够使其具有密度最大的汽化核心。一般情况下，多孔结构传热表面的换热性能是光滑表面的1.5‐3倍，致使近年来多孔结构传热材料甚是火爆，也因此涌现出诸多制备多孔材料的方法和研究。事实上，多孔结构相邻多个汽化核心形成的气泡之间具有相互作用，核化中心过密会引起气泡之前的相互抑制或融合，恶化传热。另一方面，制备不同亲疏水性表面或分割表面控制高效滴状冷凝相变传热形态；构造微结构促进冷凝液滴Cassie态附着，加快液滴的脱落频率，强化冷凝传热效率；设计外加电场抑制沸腾气泡的产生，减小气泡脱离半径和脱离频率，强化单相对流传热等等；已成为目前调控相变形态，从根本上强化相变传热的前沿热点课题。微结构制备疏水或超疏水表面，使得冷凝液滴在范德华力、毛细结构的毛细吸引力以及与之对应的惯性力、剪切力的共同作用下，更容易跳跃脱离，大大减小液滴的脱离直径和液滴合并的可能性，有效抑制大面积的膜换热形态，降低表面液滴热阻。而有超亲水性的表面微结构能够在毛细吸引力作用下，促进沸腾气泡脱离后液相的及时补充，缩短了气泡脱离周期，从而提高池沸腾临界热流密度；光滑表面的亲疏水性对沸腾临界热通量的影响很小，而多孔亲水性表面可将沸腾临界热通量提高至原来的1.5‐1.6倍，其多孔结构空隙和毛细泵力是强化沸腾传热的根本。而疏水的多孔金属反而大大降低了沸腾临界热流密度，形成了类似与膜沸腾的气泡层。多孔金属强化沸腾的主要优势，在于表面密集的核化中心，以及微小孔隙能够提供较大的毛细作用力使液体补充。控制成核中心，调控高热流密度在传热表面的分布，一直是沸腾传热过程中的重点和难点；如何巧妙设计多孔金属结构，调控汽化核心在沸腾表面的分布，是利用多孔金属强化沸腾相变的关键。本专利技术提出多孔结构耦合亲疏水性能调控沸腾传热性能，是从相变传热的物理机理出发，从根本上强化传热性能的新技术、新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，包括如下步骤：步骤1，首先利用颗粒烧结制备多孔金属传热表面；步骤2，然后对整体骨架进行亲水性处理，针对局部毛细结构进行疏水表面处理；步骤3，经过恒温一定时间的化学键合，最终获得具有可控“疏水点”以及“亲水毛细结构”的整体亲水局部疏水的多孔金属传热表面；所述步骤1利用颗粒烧结制备多孔金属表面为采用金属颗粒烧结制备多孔金属结构的平面、或者具有固定的汽化核心空穴的多孔金属表面；具体步骤：(1.1)首先对不同直径金属颗粒进行分类筛选并做预处理，保证颗粒的均匀性；(1.2)平铺金属颗粒于换热金属表面上，用刮板刮平确保金属颗粒表面平整，然后进入焙烧炉烧结；(1.3)所述平整金属颗粒表面是借鉴单层石墨烯取样方法制备，利用黏贴薄膜粘附单层高熔点卤盐颗粒，压覆于金属颗粒层顶部获得生胚，或者利用模具压覆金属颗粒表面获得具有汽化核心空穴的生胚；将生胚在惰性气体保护下烧结，并在保持气体保护状态下冷却；继而将烧结表面浸泡温水中脱溶，获得具有固定汽化核心空穴的多孔金属表面。所述步骤2对整体骨架进行亲水性表面改性,及针对局部毛细结构进行疏水表面改性；包括：(2.1)首先对整体骨架的各表面进行亲水性的表面改性，所述进行亲水性的表面改性即按照步骤1进行固定汽化空穴的多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水处理；(2.2)所述局部毛细结构进行疏水改性是利用毛细管注液器吸取疏水处理液，局部注入疏水处理液滴于具有固定汽化核心空穴或局部的汽化核心点的多孔金属表面中；经过恒定室温一定时间的化学键合，以疏水处理液与金属表面物完成缩合反应为准，获得具有亲水毛细结构和局部疏水点的多孔金属表面；所述疏水处理液为具有疏水基团可以与氧化金属表面发生键合反应的均可。所述多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水处理是将多孔金属传热表面放在NaClO2：NaOH：Na3PO4·12H2O：H2O＝3.75:5:10:81.25wt％的金属氧化液中，在96℃浸泡30min，对多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水化处理。所述毛细管局部注入疏水处理液滴大小则根据毛细管直径d和液体表面张力σ计算液体进入毛细管的高度h，以及液滴体积和液滴直径D决定，并估算疏水点直径D`；或局部疏水点液滴的大小还能利用精密微步进电机控制；由于多孔毛细结构的亲水性，因此D`>D；当利用机加工方法制备固定汽化核心空穴时，其尺度与沸腾气泡相近，则同理反推微细针头的直径与液滴的直径由下面二式计算：其中ρ为液体密度，mg为液体质量；所述疏水处理液体是指能够将金属表面疏水化修饰，在金属氧化层表面形成疏水基团的功能化液体。所述局部毛细结构进行疏水改性的毛细管注液器是加工具有灵活固定排布针管的定位微细管注液器，利用定位微细管注液器将疏水处理溶液准确引入步骤1得到的具有固定汽化空穴的多孔金属表面上，得到固定汽化核心空穴或局部的汽化核心点，并进行恒定、高温脱水处理，获得具有传热性和疏水性好的固定汽化核心空穴的多孔金属表面。所述恒定、高温脱水处理为60℃恒温浸泡1h，然后80‐200℃脱水3h。所述步骤1‐(1.3)的焙烧炉烧结为600‐700℃烧结3h，然后氮气保护下自然冷却；获得多孔金属传热表面。所述定位微细管注液器由微细针头固定在注射器活塞筒底部的排布定位板上，活塞及活塞推动杆插入活塞筒，活塞筒底部与插入定位托内槽构成，与定位托底上定位配合，其定位托确保微细针头在注射器上的位置分布与预设的汽化核心点或已有固定汽化核心空穴的分布保持一致；保证微细针头与定位槽中多孔表面上的固定汽化核心空穴或预设汽化核心点的精准定位，以便对局部进行疏水表面改性。所述微细针头尺寸为成核气泡尺度，在10‐30微米范围；其材质为金属、陶瓷或硬质有机材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，包括如下步骤：步骤1，首先利用颗粒烧结制备多孔金属传热表面；步骤2，然后对整体骨架进行亲水性处理，针对局部毛细结构进行疏水表面处理；步骤3，经过恒温一定时间的化学键合，最终获得具有可控“疏水点”以及“亲水毛细结构”的整体亲水局部疏水的多孔金属传热表面；所述步骤1利用颗粒烧结制备多孔金属表面为采用金属颗粒烧结制备多孔金属结构的平面、或者具有固定的汽化核心空穴的多孔金属表面；具体步骤：(1.1)首先对不同直径金属颗粒进行分类筛选并做预处理，保证颗粒的均匀性；(1.2)平铺金属颗粒于换热金属表面上，用刮板刮平确保金属颗粒表面平整，然后进入焙烧炉烧结；(1.3)所述平整金属颗粒表面是借鉴单层石墨烯取样方法制备，利用黏贴薄膜粘附单层金属颗粒，压覆于金属颗粒层顶部获得生胚，或者利用模具压覆金属颗粒表面获得具有汽化核心空穴的生胚；将生胚在惰性气体保护下烧结，并在保持气体保护状态下冷却；继而将烧结表面浸泡温水中脱溶，获得具有固定汽化核心空穴的多孔金属表面；所述步骤2对整体骨架进行亲水性表面改性,及针对局部毛细结构进行疏水表面改性；包括：(2.1)首先对整体骨架的各表面进行亲水性的表面改性，所述进行亲水性的表面改性即按照步骤1进行固定汽化空穴的多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水处理；(2.2)所述局部毛细结构进行疏水改性是利用毛细管注液器吸取疏水处理液，局部注入疏水处理液滴于具有固定汽化核心空穴或局部的汽化核心点的多孔金属表面中；经过恒定室温一定时间的化学键合，以疏水处理液与金属表面物完成缩合反应为准，获得具有亲水毛细结构和局部疏水点的多孔金属表面；所述疏水处理液为具有疏水基团可以与氧化金属表面发生键合反应的均可。...

【技术特征摘要】
1.一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，包括如下步骤：步骤1，首先利用颗粒烧结制备多孔金属传热表面；步骤2，然后对整体骨架进行亲水性处理，针对局部毛细结构进行疏水表面处理；步骤3，经过恒温一定时间的化学键合，最终获得具有可控“疏水点”以及“亲水毛细结构”的整体亲水局部疏水的多孔金属传热表面；所述步骤1利用颗粒烧结制备多孔金属表面为采用金属颗粒烧结制备多孔金属结构的平面、或者具有固定的汽化核心空穴的多孔金属表面；具体步骤：(1.1)首先对不同直径金属颗粒进行分类筛选并做预处理，保证颗粒的均匀性；(1.2)平铺金属颗粒于换热金属表面上，用刮板刮平确保金属颗粒表面平整，然后进入焙烧炉烧结；(1.3)所述平整金属颗粒表面是借鉴单层石墨烯取样方法制备，利用黏贴薄膜粘附单层金属颗粒，压覆于金属颗粒层顶部获得生胚，或者利用模具压覆金属颗粒表面获得具有汽化核心空穴的生胚；将生胚在惰性气体保护下烧结，并在保持气体保护状态下冷却；继而将烧结表面浸泡温水中脱溶，获得具有固定汽化核心空穴的多孔金属表面；所述步骤2对整体骨架进行亲水性表面改性,及针对局部毛细结构进行疏水表面改性；包括：(2.1)首先对整体骨架的各表面进行亲水性的表面改性，所述进行亲水性的表面改性即按照步骤1进行固定汽化空穴的多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水处理；(2.2)所述局部毛细结构进行疏水改性是利用毛细管注液器吸取疏水处理液，局部注入疏水处理液滴于具有固定汽化核心空穴或局部的汽化核心点的多孔金属表面中；经过恒定室温一定时间的化学键合，以疏水处理液与金属表面物完成缩合反应为准，获得具有亲水毛细结构和局部疏水点的多孔金属表面；所述疏水处理液为具有疏水基团可以与氧化金属表面发生键合反应的均可。2.根据权利要求1所述一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水处理是将多孔金属传热表面放在NaClO2：NaOH：Na3PO4·12H2O：H2O＝3.75:5:10:81.25wt％的金属氧化液中，在96℃浸泡30min，对多孔金属表面处理或对金属微结构进行亲水化处理。3.根据权利要求1所述一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述毛细管局部注入疏水处理液滴大小则根据毛细管直径d和液体表面张力σ计算液体进入毛细管的高度h，以及液滴体积和液滴直径D决定，并估算疏水点直径D`；或局部疏水点液滴的大小还能利用精密微步进电机控制；由于多孔毛细结构的亲水...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宏霞，徐进良，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11