有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，換熱金屬管管壁的至少一面上有一層與換熱金屬板的光壁面結(jié)構(gòu)不同的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上布滿納米金屬和/或陶瓷骨架，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和具有納米金屬和/或陶瓷骨架的總表面積比換熱金屬板光壁面至少增加10倍。本發(fā)明能大大提高傳熱效率和節(jié)約材料，降低成本。本發(fā)明還提供了這種管式換熱管的制造方法。
【專利說明】有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器及制造方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及大比表面積換熱器及制造方法，特別涉及在換熱器的換熱金屬基板制作具有微米孔的金屬骨架及納米骨架而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的管式換熱器及制造方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
目前換熱器不管是板式換熱器或管式換熱器，要增加換熱效率，其主要技術(shù)措施是在換熱器的金屬熱交換板，管壁要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，在換熱器換熱基板材料確定后，要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，增大傳熱面積和提高傳熱系數(shù)是最重要的技術(shù)措施。大量的強(qiáng)化傳熱技術(shù)都是圍繞在換熱金屬板面或管壁面上用機(jī)械加工的方法去增加傳熱面積，比如在換熱板面上制作凹凸紋路，制作鱗片，制作矩形等柱形微觀結(jié)構(gòu)，制作粗糙表面等來擴(kuò)展換熱面積，這些機(jī)械加工方法得到的表面積與光壁面比僅是幾倍表面積的增加，即使采用池沸騰也稱大容量沸騰的強(qiáng)化傳熱原理和實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證，換熱效率也僅是I?2倍的增加，也有在管內(nèi)插網(wǎng)狀物或?qū)鳠峁鼙砻嬷瞥啥嗫谞?，使介質(zhì)換熱時(shí)氣泡核心的數(shù)量大幅度增加從而提高傳熱系數(shù)的報(bào)道，提高傳熱效率也不過是I?2倍。
[0003]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的是為了克服以上不足，提供一種能大大提高傳熱效率和節(jié)約材料，降低成本的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器。本發(fā)明的另一個(gè)目的是為了提供這種管式換熱器的制造方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣來實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，換熱金屬管管壁的至少一面上有一層與換熱金屬板的光壁面結(jié)構(gòu)不同的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上布滿納米金屬和/或陶瓷骨架，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和具有納米金屬和/或陶瓷骨架的總表面積比換熱金屬板光壁面至少增加10倍。
[0005]上述的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是泡沫金屬材料制成。
[0006]上述的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)材料制成。
[0007]上述的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是燒結(jié)金屬編織網(wǎng)材料制成。
[0008]上述的換熱金屬管管壁面與具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層之間在換熱金屬管管壁上沉積有一層至少有防腐蝕性能或增加金屬骨架熔結(jié)連接性能或增加熱傳導(dǎo)性能或改變基板材料與微米孔結(jié)構(gòu)層材料等同性能的涂層。
[0009]上述的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及納米金屬和/或陶瓷骨架與熱冷交換流體介質(zhì)接觸的表面上涂覆有一層疏水性低表面能的涂層。
[0010]上述的具有微米孔的金屬骨架與換熱金屬管管壁面之間有便于熱冷交換流體介質(zhì)流動(dòng)的間隙，該間隙為0.1毫米?I毫米。
[0011]上述的換熱金屬管管壁縱向斷面為增大換熱面積而增加管壁周長的異型管。
[0012]上述的的換熱金屬管管壁遠(yuǎn)離具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層另一面上固定有擴(kuò)大表面積用于熱交換的翅片結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，該制造方法是首先在片狀或帶狀金屬板的至少一面上制造具有微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層，其次是在具有微米孔的金屬骨架上結(jié)構(gòu)層上制取納米金屬和/或陶瓷骨架，再將具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上具有納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶狀金屬材料裁切、焊制或制作為管式換熱器。
[0014]上述的方法中是在熱交換的換熱金屬板面上直接制作具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，然后在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，用微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上具有的納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶材金屬材料縱向裁切，帶材縱向卷管對對接合縫焊接成為管式換熱器。
[0015]上述的方法中是將具有微米孔的泡沫金屬材料或具有微米孔的燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)或具有微米孔的燒結(jié)編織金屬絲網(wǎng)作為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，然后在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作具有納米金屬和/或陶瓷骨架，再將具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和納米金屬和/或陶瓷骨架與換熱金屬板面采用焊接熔焊覆合在一起，再將此片狀或帶狀金屬材料縱向裁切，對板材或帶材縱向成管對對接合縫焊接成為管式換熱器。
[0016]上述的方法中是將具有微米孔的泡沫金屬材料或具有微米孔的燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)或具有微米孔的燒結(jié)編織金屬絲網(wǎng)的作為具有微米孔的金屬骨架，與管式換熱器換熱金屬板面熔焊在一起，然后在此結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，用此具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上具有納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶狀金屬材料經(jīng)縱向裁切，對板材或帶材縱向成管對對接合縫焊接成管式換熱器。
[0017]上述的方法中金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱金屬板金屬管管壁之間的焊接是用電子束或激光束或高頻焊接或接觸焊方法中的至少一種，對其點(diǎn)焊接或條形焊。
[0018]上述的方法中，換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是將金屬或合金粉未與制孔劑粉末及粘結(jié)劑按制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層后各自體積空間所占比例兒設(shè)計(jì)的孔徑大小來配粉末粒徑大小及材料配合比例關(guān)系混合，涂布或刮涂在換熱金屬板面上，在真空燒結(jié)爐或氣體保護(hù)爐燒結(jié)，再將制孔劑占據(jù)的孔位利用CO2氣體蒸發(fā)溢出成為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層厚度為5微米?I毫米。
[0019]上述的方法中，換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是將金屬或合金粉末與制孔劑粉末按制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層后各自體積空間所占比例和設(shè)計(jì)的孔徑大小來確定粉末粒徑大小及材料配合比例，混合后，用熱噴涂方法均勻噴涂在換熱金屬板面上，再將噴涂后的換熱金屬板面放入真空燒結(jié)爐或氣體保護(hù)爐燒結(jié)除碳和/或?qū)⑵渲糜谒谐}成為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的厚度為5微米?I毫米。
[0020]上述的方法中，換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是在真空腔室用電阻熱蒸發(fā)或大功率電子束熱蒸發(fā)方法將金屬或合金及制孔劑NaCl、Na2S04、CaSO4, CaCl2中的一種，按制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層后各自體積空間所占比例和設(shè)計(jì)的孔徑大小來確定蒸發(fā)沉積到換熱金屬板面上，蒸發(fā)沉積完成后將沉積在換熱金屬板面上占據(jù)沉積材料空間體積的制孔劑用水浸取除去，留下的是具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，在蒸發(fā)時(shí)，是對金屬或合金材料及制孔劑按其設(shè)計(jì)分別材料、分層、重復(fù)重疊的方式和/或共蒸發(fā)方式沉積在金屬板面上，使金屬或合金形成連續(xù)體，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的厚度為5微米?I毫米。
[0021]上述的方法中，在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，是利用等離子噴涂或電弧噴涂技術(shù)將金屬和/或陶瓷材料及制孔劑NaCl、Na2SO4,CaSO4, CaCl2、樹脂粉、碳粉、煤粉中的至少一種，按制成納米骨架后各自材料所占體積空間比例和設(shè)計(jì)的納米骨架尺寸大小及膜厚來確定材料比例及沉積膜厚，熱噴涂沉積在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上，然后用水浸取除制孔劑和/或在氣體保護(hù)爐中燒結(jié)除碳所占體積空間，留下納米金屬和/或陶瓷骨架。
[0022]上述的方法中，在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作具有納米金屬和/或陶瓷骨架，是在真空腔體內(nèi)用大功率電子束按制成納米骨架后各自材料所占體積空間比例和設(shè)計(jì)的納米骨架尺寸大小及膜厚來確定材料比例及沉積膜厚，熱蒸發(fā)金屬和/或陶瓷材料及鹽類制孔劑NaCl、Na2S04、CaSO4、CaCl2中的至少一種，將其沉積到具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上，沉積完成后，用水浸取鹽，留下的是納米金屬和/或陶瓷骨架。
[0023]上述的方法中，在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，是在真空腔體內(nèi)用等離子束按制成納米骨架后各自材料所占體積空間比例和設(shè)計(jì)的納米骨架尺寸大小及膜厚來確定材料比例及沉積膜厚，熱蒸發(fā)金屬和/或陶瓷材料及鹽類制孔劑NaCl、Na2SO4, CaSO4, CaCl2中的至少一種，將其沉積到具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上，沉積完成后，用水浸取鹽類制孔劑，留下的是納米金屬和/或陶瓷骨架。
[0024]上述的方法中，在換熱器金屬管管壁上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是預(yù)先在真空腔室中在其金屬板面上采用真空等離子體刻蝕方法對其表面刻蝕處理后再制作具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層。
[0025]本發(fā)明的有益效果是，通過本發(fā)明結(jié)構(gòu)及制造方法使管式換熱器的換熱金屬板面至少一面增加了 10?100倍的傳熱表面積，對換熱器實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱，與光壁換熱器比，使傳熱效率提高了 2?7倍，加上可以在基板上及骨架上涂鍍防腐蝕、防電腐蝕、增加傳熱能力、疏水低表面能的金屬、陶瓷及復(fù)合材料等，因此可以用鋼材等材料替代傳熱好的銅材，不僅可以節(jié)約材料及成本，也能提高各種性能，包括該結(jié)構(gòu)層與流體介質(zhì)接觸界面防結(jié)垢保持熱交換性能，特別是強(qiáng)化傳熱性能。也因可以減小傳統(tǒng)換熱器的換熱面積和體積空間，綜合降低了換熱器的成本且提高了其綜合性能。
[0026]【專利附圖】

【附圖說明】:圖1為本發(fā)明管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為圖1中本發(fā)明管式換熱器局部放大圖。
[0028]圖3為本發(fā)明管式換熱器另一結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為本發(fā)明管式換熱器再一結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5為本發(fā)明管式換熱器縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]【具體實(shí)施方式】:
實(shí)施例1:
圖1、圖2給出了本實(shí)施例1圖。本實(shí)施例1不銹鋼管式換熱器I上的換熱管2的管壁的一面具有銅金屬材料制成的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層4和在其上的納米銅金屬骨架5。在有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上的納米銅金屬骨架與熱交換流體介質(zhì)接觸表面鍍涂有一層疏水低表面能層7。在換熱管管壁2 (即基板)上與有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層4之間有一層改性膜涂鍍層6。在不銹鋼管式換熱器換熱管管壁外面纏繞并激光焊接有增加換熱面積的不銹鋼或鋁材料薄片的翅片8。有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層4是在真空腔內(nèi)電子束按設(shè)計(jì)沉積膜后各種材料應(yīng)占體積比例1.5?2.0: I來蒸發(fā)銅材料和制孔劑Nacl，具體是分別材料、分層、往復(fù)重疊沉積和/或共沉積結(jié)合沉積在換熱器管壁基板上已有的改性膜涂鍍層6之上，用水浸取除鹽(制孔劑NaCl)后，留下具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層4，微米孔孔徑在10?150微米，最佳在100微米左右，再將此帶材在真空腔內(nèi)用電子束沉積方法按體積比例3?I蒸發(fā)銅和NaCl，沉積到具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上，用水浸取除鹽后，留下納米銅金屬骨架5在微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層的孔洞及骨架上，此納米銅金屬骨架呈網(wǎng)狀及柱狀或粒狀，膜厚度可以為50?400納米，再將此帶材成品在真空腔內(nèi)用電子束蒸發(fā)沉積方法沉積二硫化鑰或CaF或氟硅聚合物等疏水性低表面材料在此微米孔洞及骨架和在其上的納米骨架的表面上，膜層厚度為5?50納米厚，最后將此帶材縱向分切，用激光焊或氬弧焊機(jī)在制管機(jī)生產(chǎn)線上，將縱向卷管對接合縫3處焊接呈管，再用此管按設(shè)計(jì)手冊制作各式管殼式換熱器。此管式換熱器因采用不銹鋼作管殼或稱管壁，用不銹鋼或鋁材薄片增加管壁外側(cè)的換熱面積，可以適用于具有一定腐蝕性的空氣或流體介質(zhì)作熱交換介質(zhì)，特別是管壁內(nèi)壁上鍍涂了一層銅膜層來改性和增加結(jié)合力，在其表面制作了具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，并在其骨架上制作了納米尺寸的傳熱性能好的銅金屬骨架，增加了與光壁面比多幾十倍的換熱表面積，提高了管壁內(nèi)換熱流體介質(zhì)的換熱效率至少3?6倍，比傳統(tǒng)內(nèi)外壁都是光壁面的不銹鋼材料的換熱管綜合提高換熱效率2?3倍，大大節(jié)約了換熱綜合成本，節(jié)約了能源。
[0032]實(shí)施例2:
圖1、圖2給出了本實(shí)施例2圖。本實(shí)施例2耐高溫耐腐蝕的微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層及納米骨架是金屬和/或陶瓷的復(fù)合管式換熱器的結(jié)構(gòu)基本與實(shí)施例1相同。制作方法基本與實(shí)施例1同。不同處是將換熱管2管壁的改性膜層6的材料改為氧化鋯，具有微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層4及在其結(jié)構(gòu)層骨架上制作的納米金屬骨架5的材料改為金屬陶瓷復(fù)合材料鋯及氧化鋯，疏水性膜7的材料改為二硫化鑰，此換熱管內(nèi)腔就可以承受更高換熱溫度和更有腐蝕性的流體介質(zhì)。證明此發(fā)明有廣泛的應(yīng)用范圍。
[0033]實(shí)施例3:
圖3給出了實(shí)施例3圖。本實(shí)施例3不銹鋼管管壁兩面都有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和納米金屬和/或陶瓷骨架的管式換熱器。不銹鋼管管壁兩面都涂鍍有鈦金屬改性膜層6，其是不銹鋼帶材在真空腔內(nèi)被等離子體分別兩面刻蝕成活性表面后，在真空腔內(nèi)用電子束蒸發(fā)鍍鈦完成，膜厚I?3微米。真空等離子體對金屬表面刻蝕是使其表面氧化層被去除，表面粗糙化及活化便于與改性涂鍍層和新制作的微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層接合牢固。金屬骨架結(jié)構(gòu)層和納米骨架制作方法是有幾種方法，其一種是在不銹鋼帶材的改性膜層6上，在真空腔室內(nèi)用電子束分別材料分層往復(fù)重疊沉積與共蒸發(fā)沉積結(jié)合蒸發(fā)鈦金屬和NaCl。按沉積到帶材上的厚膜體積計(jì)算鈦與鹽的比例為1.5:1?2: 1，1.5:1為最佳。膜厚為80?300微米，100?200微米為最佳。孔徑80?150微米最佳。兩面都涂鍍沉積完成后，將帶材浸入水中除鹽成具有微米孔的金屬骨架。另一種方法是將不銹鋼帶材置于氣體保護(hù)腔室，兩面用等離子槍熱噴涂鈦金屬和Nacl的熱熔混合物在鈦金屬的改性膜層6上，按沉積到帶材上的厚膜體積計(jì)算鈦與鹽的比例為1.5:1?2: 1，膜厚為80?800微米，100?400微米為最佳?？讖?0?150微米最佳。兩面沉積完成后將帶材浸入水中除鹽成具有微米孔的金屬骨架。還有一種是將不銹鋼帶材置于氣體保護(hù)腔室，兩面用等離子槍熱噴涂鈦金屬和樹脂粉末或煤粉末或碳粉及末的混合物在鈦金屬的改性膜層上，按沉積在帶材上的厚膜體積計(jì)算鈦與樹脂粉末的比例為1.5: I?2: I。膜厚為80?800微米，400?600微米為最佳?？讖?0?150微米最佳。兩面沉積完成后將帶材置于氣體保護(hù)爐加熱除炭形成具有微米孔的金屬骨架。將上述任意一種方法已形成具有微米孔金屬骨架的金屬帶材，又重新回到上述3種方法去，分別用任意一種方法在具有微米孔金屬骨架上制取納米尺寸的鈦金屬骨架。只是熱蒸發(fā)或噴涂鈦金屬和制孔劑在沉積物體積上分配比例變?yōu)?: 1，沉積膜厚度變?yōu)?0?400納米，200?300納米最佳。此換熱管因兩面都制作有大比表面積的鈦金屬的換熱面，兩面都具有等同的強(qiáng)化傳熱效率及防腐性能，與一般的不銹鋼換熱器比，大大的提高了性能，特別使用于換熱器管壁內(nèi)外流體介質(zhì)都是腐蝕性強(qiáng)的溶劑且換熱效率及強(qiáng)化傳熱要求高的領(lǐng)域，具有很好的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益。
[0034]實(shí)施例4:
圖4給出了本實(shí)施例4圖。本實(shí)施例4結(jié)構(gòu)基本與實(shí)施例1同，不同處是換熱管管壁外無翅片，市售泡沫金屬骨架(泡沫金屬)或市售燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)或燒結(jié)金屬編制網(wǎng)，作為具有微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱器的換熱金屬板熔接或焊接制成的具有微米孔及納米尺寸骨架結(jié)構(gòu)層的管式換熱器。
[0035]該管式換熱器管管壁是銅金屬材料，市售的具有微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層是泡沫銅或不銹鋼金屬骨架或燒結(jié)不銹鋼金屬纖維網(wǎng)或燒結(jié)不銹鋼編制網(wǎng)，該金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱金屬板熔接或接觸焊是依靠低熔點(diǎn)的錫鉛合金作中間焊料層被焊接在一起，或是用超聲波壓焊在一起，或是利用涂覆低熔點(diǎn)中間焊料層，直接用電子束或激光束，對二者之間實(shí)行點(diǎn)或條形的熔焊。圖4中序號(hào)9為點(diǎn)焊或條形焊焊接部。在具有微米孔的金屬結(jié)構(gòu)層上制取具有納米尺寸的金屬和/或陶瓷骨架可以是先在結(jié)構(gòu)層上制取納米尺寸骨架后再用焊接方法將其焊接連接在換熱基板上，也可以將此結(jié)構(gòu)層先用焊接方法與基板連接后再在結(jié)構(gòu)層上面制取納米尺寸的不銹鋼金屬骨架。此換熱器的結(jié)構(gòu)層與換熱基板之間除焊接面積以外留有冷熱交換介質(zhì)層流用通道也即間隙10。此間隙10用于換熱器流體介質(zhì)氣一液，液一氣轉(zhuǎn)換時(shí)的層流分流通道，主要用于液體流體的層流，不僅可以提高換熱器層流換熱能力，使換熱管換熱能力成倍增加，還可以使具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層如熱管換熱器的吸液芯層起毛細(xì)管功能作用，使換熱器可成為熱管換熱器。
[0036]微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱管光壁面之間可以熔接、焊接，也可以不熔接焊接，其間隙10大小需針對換熱管直徑大小和長短及流體介質(zhì)種類作專門設(shè)計(jì)。有工程技術(shù)手冊等資料可查借鑒，這里不作累述。當(dāng)設(shè)計(jì)換熱管徑是6?12毫米時(shí)，間隙是0.1?0.4毫米，當(dāng)管徑是12?24毫米時(shí)間隙是0.3?0.5毫米，當(dāng)管徑是24?50毫米時(shí)，間隙是
0.4?0.8毫米，管徑是50?75毫米時(shí)，間隙是0.6?1.0毫米。
[0037]在微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制取具有納米尺寸的不銹鋼金屬骨架，是利用真空電子束或等離子束或激光束或電阻熱蒸發(fā)或弧源離子鍍蒸發(fā)不銹鋼金屬材料和鹽材料如Nacl，使不銹鋼金屬與鹽按沉積到結(jié)構(gòu)層上體積空間為3: I比例來分層分別往復(fù)重疊與共沉積相結(jié)合的沉積到結(jié)構(gòu)層上，使沉積在結(jié)構(gòu)層上的金屬膜層厚度在20?400納米，300納米為最佳。當(dāng)用水浸取除鹽后能留下的骨架有連續(xù)通孔和不成形孔的骨架，大大增加微米孔結(jié)構(gòu)層的比表面積，可以比光壁表面換熱器增加比表面積幾十倍甚至上百倍。此換熱管熱流密度在為15kw/m2時(shí)，至少增加換熱效率2?4倍。在此微米孔結(jié)構(gòu)層的骨架和納米尺寸金屬骨架與流體介質(zhì)接觸的表面，利用真空熱蒸發(fā)鍍或磁控濺射鍍或電子束、等離子束熱蒸發(fā)鍍等方法，蒸鍍疏水性低表面能的氟硅聚合物或氟碳聚合物5?20納米厚膜層材料，可以防止熱交換液體介質(zhì)中因增加換熱效率采用添加劑法而加入的傳熱固體粒子在骨架表面可能產(chǎn)生的沉淀物及結(jié)垢，防止結(jié)垢衰減熱交換性能?？梢詰?yīng)用和發(fā)揮池沸騰傳熱強(qiáng)化技術(shù)，包含添加劑技術(shù)的應(yīng)用，可以比光壁膜換熱器可提高換熱效率4?7倍。
[0038]實(shí)施例5:
圖5給出了本實(shí)施例5結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例5換熱管管壁呈異形增大管壁周長而增加換熱能力的管式換熱器，其換熱管管壁采用A3鋼，在其板上制作具有微米孔金屬骨架的結(jié)構(gòu)層，是將銅或銅合金微米粉末與樹脂微米粉末或微米碳粉及末或微米煤粉及末配上丙烯酸或聚乙烯醇或聚氨酯粘接劑，以金屬粉占體積比1.5?2份。配其余的粉及粘接劑占I份的比例，混合后涂布或刮涂在A3鋼帶材基板上，經(jīng)過連續(xù)的氣體保護(hù)爐高溫?zé)Y(jié)，或涂布烘干成卷置于氣體保護(hù)爐燒結(jié)，(此時(shí)需要在帶材背面預(yù)先蒸鍍氟化鈣低表面能薄膜，防止背面與銅等材料燒結(jié)時(shí)連接，將銅或銅合金與帶材基板燒結(jié)在一起)，同時(shí)將樹脂粘接劑及其粉末燒損并將產(chǎn)生的C02氣體從制孔劑占的體積空間溢出，而形成具有微米孔的金屬骨架層。金屬骨架膜厚0.4?I毫米，再將此帶材置入真空腔，用電子束或等離子束等熱蒸發(fā)銅或銅合金及制孔劑鹽比如Nacl將它們按銅及銅合金占沉積厚膜體積與制孔劑鹽的比例為3: I分別分層往復(fù)重疊沉積與共蒸發(fā)沉積相結(jié)合沉積到金屬骨架層上，然后用水浸取除鹽，在金屬骨架上形成納米尺寸金屬骨架。骨架膜厚200?300納米，然后再次將此帶材置入真空腔室，用多弧源離子鍍方法或電子束蒸鍍方法將二硫化鑰或氟化鈣材料鍍在微米孔金屬骨架及納米尺寸骨架所有表面，成為低表面能的疏水膜，膜厚5?20納米，再將此帶材縱向分裁，利用縱向?qū)涌p焊管機(jī)，采用高頻對接焊或激光焊或氬弧焊制成管式換熱器。再將此管式換熱器在異形拉管機(jī)上用可以隨動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的成型模具對其縱向拉伸擠壓成形為圖示形狀，為增大管壁周長而增加換熱面積，還可以設(shè)計(jì)和拉伸擠壓呈各種異形換熱器。在異形換熱管外圍再套一個(gè)A3鋼管將其換熱流體介質(zhì)通道11與熱源的高溫高壓沒有結(jié)垢條件的蒸發(fā)汽液連接，將換熱流體介質(zhì)通道12與冷水源連接，可由此異形換熱管利用其管壁內(nèi)大比表面積的微米孔金屬骨架及其上的納米骨架及其增大傳熱面積的異形管壁強(qiáng)化傳熱給通道的冷水，使冷水快速升溫得到熱水，采用此技術(shù)方案的管式換熱器，可以比目前已有技術(shù)的管式換熱器同樣熱水溫度多產(chǎn)生50%?100%的水量，提高了制熱水的效率，節(jié)約了能源。
[0039]若在此異形換熱管外壁增加和固定不銹鋼或銅材料制的翅片等增大傳熱面積的結(jié)構(gòu)，可以將異形管壁內(nèi)因幾十倍強(qiáng)化傳熱表面積增加提高的換熱能力傳導(dǎo)給冷水，可以產(chǎn)生更多熱水量，也因此將額定功率的熱源制熱能力充分釋放而大大節(jié)能。因?yàn)槔渌}量一般在200mg/l，容易在換熱表面結(jié)垢，所以與冷水接觸的表面使用此異形換熱器是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的制熱水的方案。
[0040]上述各實(shí)施例是對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于上述實(shí)施例。凡基于上述內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于換熱金屬管管壁的至少一面上有一層與換熱金屬板的光壁面不同的具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上布滿納米金屬和/或陶瓷骨架，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和具有納米金屬和/或陶瓷骨架的總表面積比換熱金屬板光壁面至少增加10倍。
2.如權(quán)利要求1所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是泡沫金屬材料制成。
3.如權(quán)利要求1所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層是燒結(jié)金屬編織網(wǎng)材料制成。
5.如權(quán)利要求1所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于換熱金屬管管壁面與具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層之間在換熱金屬管管壁上沉積有一層至少有防腐蝕性能或增加金屬骨架燒結(jié)連接性能或增加熱傳導(dǎo)性能或改變基板材料與微米孔結(jié)構(gòu)層材料等同性能的涂層。
6.如權(quán)利要求1~5之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及納米金屬和/或陶瓷骨架與熱冷交換流體介質(zhì)接觸的表面上、分別涂覆有一層疏水性低表面能的涂層。
7.如權(quán)利要求1~5之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱金屬管管壁面之間有便于熱冷交換流體介質(zhì)流動(dòng)的間隙，該間隙在0.1毫米至I毫米之間。
8.如權(quán)利要求1~5之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于換熱金屬管管壁縱向斷面為增大換熱面積而增加管壁周長的異型管。
9.如權(quán)利要求1~5之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器，其特征在于換熱金屬管管壁遠(yuǎn)離具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的另一面上固定有擴(kuò)大表面積用于熱交換的翹片結(jié)構(gòu)。
10.有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于首先在片狀或帶狀金屬板的至少一面上制造具有微米孔金屬骨架結(jié)構(gòu)層，其次是在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制取納米金屬和/或陶瓷骨架，再將具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上的納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶狀金屬材料裁切、焊制或制作為管式換熱器。
11.如權(quán)利要求10所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于在熱交換的換熱金屬板面上直接制作具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，然后在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，用具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上的納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶材金屬材料縱向裁切，帶材縱向卷管對對接合縫焊接成為管式換熱器。
12.如權(quán)利要求10所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于將具有微米孔的泡沫金屬材料或具有微米孔的燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)或具有微米孔的燒結(jié)編織金屬絲網(wǎng)作為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，然后在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，再將具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層和納米金屬和/或陶瓷骨架與換熱金屬板采用焊接熔焊覆合在一起，再將此片狀或帶狀金屬材料縱向裁切，對板材或帶材縱向成管對對接合縫焊接成為管式換熱器。
13.如權(quán)利要求10所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于將具有微米孔的泡沫金屬材料或具有微米孔的燒結(jié)金屬纖維網(wǎng)或具有微米孔的燒結(jié)編織金屬絲網(wǎng)制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，與管式換熱器換熱金屬板面融焊在一起，然后在此結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，用此具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層及其上具有納米金屬和/或陶瓷骨架的片狀或帶狀金屬材料經(jīng)縱向裁切，對板材或帶材縱向成管對接合縫焊接成管式換熱器。
14.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層與換熱金屬板或換熱金屬管管壁之間的焊接是用電子束或激光束或高頻焊接或接觸焊方法中的至少一種，對其點(diǎn)焊接或條形焊。
15.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是將金屬或合金粉未與制孔劑粉末及粘結(jié)劑按設(shè)計(jì)孔徑大小配粉末粒經(jīng)大小并成比例關(guān)系混合，涂布或刮涂在換熱金屬板面上，在真空燒結(jié)爐或氣體保護(hù)爐燒結(jié)，再將制孔劑占據(jù)的孔位用CO2氣體蒸發(fā)溢出成為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層厚度的5微米~I毫米。
16.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是將金屬或合金粉末與制孔劑粉末按制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層后各自體積空間所占比例和孔徑大小來確定粉末粒徑大小及比例，混合后，用熱噴涂方法均勻噴涂在換熱金屬板面上，再將噴涂后的換熱金屬板面放入真空燒結(jié)爐或氣體保護(hù)爐燒結(jié)除碳和/或?qū)⑵渲门c水中除鹽成為具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的厚度為5微米~I毫米。
17.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于換熱金屬板面上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是在真空腔室用電阻熱蒸發(fā)或大功率電子束熱蒸發(fā)方法將金屬或合金及制孔劑NaCl、Na2S04、CaS04、CaCl2中至少一種，按制成具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層后各自體積空間所占比例和孔徑大小來確定蒸發(fā)沉積到換熱金屬板面上，蒸發(fā)沉積完成后將沉積在換熱金屬板面上占據(jù)沉積材料空間體積的制孔劑用水浸取除去，制作出具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，在蒸發(fā)時(shí)，是對金屬或合金材料及制孔劑按其設(shè)計(jì)分別分層重復(fù)重疊的方式和/或共蒸發(fā)方式沉積在換熱金屬板面上，使金屬或合金形成連續(xù)體，具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的厚度為5微米~I毫米。
18.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，是利用等離子噴涂或電弧噴涂技術(shù)將金屬和/或陶瓷材料及鹽類制孔劑NaCl、Na2SO4,CaSO4XaCl2樹脂粉末、碳粉 孔劑和/或在氣體保護(hù)爐中燒結(jié)除碳所占體積空間，留下納米金屬和/或陶瓷骨架。
19.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于在具有微米孔的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)層上制作納米金屬和/或陶瓷骨架，是在真空腔體內(nèi)用大功率電子束按制成納米骨架各自材料所占體積空間和設(shè)計(jì)的納米骨架尺寸大小及膜厚來確定材料比例及沉積膜厚，熱蒸發(fā)金屬和/或陶瓷材料及鹽類制孔劑NaCl, Na2SO4, CaSO4, CaCl2中的至少一種，將其沉積到具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層的骨架上，沉積完成后，用水浸取鹽類制孔劑，留下的是納米金屬和/或陶瓷骨架。
20.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于在具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上制作納米的金屬和/或陶瓷骨架，是在真空腔體內(nèi)用等離子束按納米骨架各自材料所占體積空間的設(shè)計(jì)比例關(guān)系，蒸發(fā)金屬和/或陶瓷材料及鹽類制孔劑NaCl、Na2S04、CaSO4、CaCl2中的至少一種，將其沉積到具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層上，沉積完成后，用水浸取鹽類制孔劑，留下的是納米金屬和/或陶瓷骨架。
21.如權(quán)利要求10~13之一所述的有微米孔的金屬骨架和納米骨架的管式換熱器的制造方法，其特征在于在換熱器金屬管管壁上直接制取具有微米孔的金屬骨架結(jié)構(gòu)層，是預(yù)先在真空腔室中在其金屬板面上采用真空等離子體刻蝕方法對其表面刻蝕處理后再制作具有微米孔的金 屬骨架結(jié)構(gòu)層。
【文檔編號(hào)】F28F13/18GK103940261SQ201410188853
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】文力 申請人:文力