一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面制造技术

本发明专利技术公开了属于强化传热技术领域的一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面。所述沸腾换热表面的换热基底具有微结构表面或粗糙表面，在粗糙表面间隔设有电极膜，或在微结构表面的微结构顶部设有电极膜；所述换热基底表面、电极膜表面均绝缘。利用本发明专利技术设计的具有局部电极的沸腾换热表面，可耦合外加电场实现对整个沸腾过程气泡动力学的主动调控，有效解决沸腾过程中的随机性和不稳定性，促进强化换热技术革新，使换热过程与环境的联动响应成为可能。

【技术实现步骤摘要】
一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面
本专利技术属于强化传热
，特别涉及一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面。
技术介绍
沸腾相变换热由于其换热性能高，被广泛应用到各种工业场合。强化传热通过提高换热效率使换热表面结构更加紧凑，占用空间少，节约原料同时提高生产率。强化传热技术主要从流体侧流动状态的强化、换热表面侧的强化两个思路展开。流体换热侧的强化思想主要通过插入扰动件强化对流换热、引入动力源(如喷流)扰动强化等；沸腾换热表面侧的强化主要通过将光滑表面发展为人为粗糙化或设计加工表面微结构。利用传统光滑表面换热具有核化点密度小、换热效率低、换热效果差、使用寿命短的特点，因此目前很少有换热设备直接采用光滑表面。表面微结构的设计，可以增大换热表面核化密度、促进气泡生长、大幅度提升换热效率；如引入微米尺度微柱、微坑，可固定气化核心的同时，将换热性提高2-3倍；但研究表明微柱、微坑间距d>3r时沸腾气泡之间相互作用即可忽略，因此微结构的设计和分布需考虑其空间布局；同时从强化机理角度，微结构虽能固定并增大气化核心密度，但由于表面微结构引起的毛细力作用，反而增加气泡脱离时间，降低脱离频率。从核态沸腾气泡动力学中气泡核化、生长、合并、脱离整个过程来讲，气泡快速成核、生长并快速脱离具有最高的换热性能。微结构增大核化密度但减缓气泡的脱离，近年来研究者着手利用改变表面浸润性弥补微结构的弊端。而研究结果表明，疏水表面促进气泡核化，但其延长气泡的脱离时间，降低气泡的脱离频率；而亲水表面的沸腾过程具有较高的气泡脱离频率，却较难引起气泡核化；无法实现整个气泡动力学过程(气泡成核、生长及脱离)的有效提高。同时目前研究的浸润表面制备方法大部分为氧化、氟化等表面改性方法，其改性膜层附着力差、稳定性弱，且寿命短。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面，具体技术方案如下：一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面具体为：沸腾换热表面的换热基底具有微结构表面或粗糙表面，在粗糙表面间隔设有电极膜，或在微结构表面的微结构顶部设有电极膜；所述换热基底表面、电极膜表面均绝缘。所述微结构表面上微结构排列方式为规则排列如阵列式、交错式排列，或为不规则排列。所述换热基底材料为金属如紫铜或单晶硅、蓝宝石、石墨烯等非金属；可以理解的是，换热领域常用的换热材料均适用于本专利技术，优选导热性良好的基底材料。所述换热基底形状为平板、圆管或异形，其中异形为换热领域常见换热器形状。所述粗糙表面的粗糙度Ra为2～200μm。所述微结构为纳米级或微米级的微柱、微坑或微槽道；可以理解的是，现有技术中，所有用于提高换热效率的微结构均适用于本专利技术，优选为纳米级或微米级的方形微柱、矩形微柱、半球形微坑或圆柱形微坑。所述电极膜通过电极引线引出，其中电极引线连接至电源。所述电极引线表面绝缘。所述表面绝缘可以通过在表面设置绝缘层实现，所述绝缘层厚度为百纳米级。其中，换热基底材料为单晶硅等非导电材料时，则无需设置绝缘层。所述绝缘层材料为惰性金属、金属氧化物、陶瓷或硅胶；优选导热性优良的绝缘材料，可以通过掺杂导热性优良材料的方式来提高绝缘材料导热性。所述电极膜、电极引线的材料为导电材料，优选为金属，进一步优选为金、银、铜或铝。所述电极膜厚度为百纳米级。所述电源为直流电源或交流电源；其中，直流电源通过通、断电实现电场可控；交流电源通过控制交流频率实现电场可控，交流频率根据沸腾气泡动力学周期调节。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术将电场主动控制亲疏水技术引入沸腾过程，提出局部电极耦合壁面微结构的思路，设计具有局部电极的沸腾换热表面，通过主动控制沸腾表面浸润性，主动调控沸腾气泡快速成核、生长、脱离及再生，实现整个气泡动力学过程的强化，能够满足主动控制和自适应的新需求；(2)本专利技术提供的沸腾换热表面，在提高传热效率的同时，有效抑制了通用强化沸腾换热手段中的随机性和不稳定性，避免了在换热表面产生大量气泡而出现的干烧现象，有效降低了换热表面温度并延长其使用寿命，同时能有效减小换热面积，实现了换热器的轻量型和紧凑化，更适用于复杂多变的环境并进行联动响应控制；(3)本专利技术从沸腾相变传热的基本物理过程出发，提供了一种从本质上强化沸腾传热的新设计和新思路，促进强化换热技术革新，并使得智能响应控制成为可能。附图说明附图1为本专利技术壁面微结构耦合局部电极换热表面制备流程示意图；附图2为微柱结构耦合有绝缘层电极膜的平板沸腾换热表面示意图；附图3为微坑结构耦合有绝缘层电极膜的平板沸腾换热表面示意图；附图4为粗糙表面耦合有绝缘层导电膜的平板沸腾换热表面示意图；附图5为微柱结构耦合内表面有绝缘层电极膜的管式沸腾换热表面示意图；附图6为粗糙表面耦合有绝缘层导电膜的管式沸腾换热表面示意图；标号说明：1-换热基底；2-微结构；3-电极膜；4-电极引线；5-金属电极。具体实施方式本专利技术提供了一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面，下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图1是壁面微结构耦合局部电极换热表面制备流程示意图；选择具有一定粗糙度的换热基底1，如图(a)；在换热基底1上设计加工微结构2，如图(b)；在微结构顶部加工电极膜3，如图(c)。其中，换热基底1、电极膜3表面均绝缘；微结构2耦合电极膜3构成局部电极，与外部金属电极连接至电源形成可控电场。附图2为微柱结构耦合有绝缘层电极膜的平板沸腾换热表面示意图；选择具有一定粗糙度的换热基底1，如以金属等导电材料为基底材料，对沸腾换热表面进行均匀绝缘处理；然后设计、加工微柱作为微结构2；最后在微柱顶部即微结构2顶端设计加工带有绝缘层的电极膜3；并设计电极引线4以将电极膜3引出并连接至电源。其中，电极膜3与微结构2耦合构成局部电极，与外部金属电极连接至电源形成可控电场。附图3为微坑结构耦合有绝缘层电极膜的平板沸腾换热表面示意图；选择具有一定粗糙度的换热基底1，如以金属等导电材料为基底材料，对沸腾换热表面进行均匀绝缘处理；然后设计加工微坑作为微结构2；在微坑顶端即微结构2顶端设计加工有绝缘层的电极膜3；并设计电极引线4以将电极膜3引出并连接至电源。其中，电极膜3与微结构2耦合构成局部电极，与外部金属电极连接至电源形成可控电场。附图4为粗糙表面耦合有绝缘层导电膜的平板沸腾换热表面示意图；选择表面具有一定粗糙度的换热基底1，如以金属等导电材料为基底材料，对沸腾换热表面进行均匀绝缘处理；然后在换热基底1表面局部加工分散的带有绝缘层的电极膜3；并设计电极引线4以将电极膜3引出并连接至电源。其中，电极膜3与粗糙表面耦合构成局部电极，与外部金属电极连接至电源形成可控电场。图2～4中，如换热基底1材料为单晶硅等非导电材料，则无需进行表面绝缘处理，直接在微结构顶部或粗糙表面分隔设置带有绝缘层的电极膜3即可。附图5为微柱结构耦合内表面有绝缘层电极膜的管式沸腾换热表面示意图；选择具有一定粗糙度的换热基底1，可选择金属铜管；管壁内表面进行绝缘处理；然后在内表面设计加工微柱作为微结构2；在微柱顶端即微结构2顶端设计加工有绝缘层的电极膜3；并设计电极引线以将电极膜3引出并连接至电源。利用导热性良好的绝缘材料将表面绝缘的金属电极5固定在管内，电极膜3与微结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面，其特征在于，所述沸腾换热表面的换热基底具有微结构表面或粗糙表面，在粗糙表面间隔设有电极膜，或在微结构表面的微结构顶部设有电极膜；所述换热基底表面、电极膜表面均绝缘。

【技术特征摘要】
1.一种壁面微结构耦合局部电极的沸腾换热表面，其特征在于，所述沸腾换热表面的换热基底具有微结构表面或粗糙表面，在粗糙表面间隔设有电极膜，或在微结构表面的微结构顶部设有电极膜；所述换热基底表面、电极膜表面均绝缘。2.根据权利要求1所述的沸腾换热表面，其特征在于，所述换热基底材料为金属或单晶硅、蓝宝石、石墨烯，形状为平板、圆管或异形。3.根据权利要求1所述的沸腾换热表面，其特征在于，所述粗糙表面的粗糙度Ra为2～200μm。4.根据权利要求1所述的沸腾换热表面，其特征在于，所述微结构为纳米级或微米级的微柱、微...

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