一種仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管及換熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金、制冷等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)蒸氣高效冷凝的傳熱管，具體涉及一種仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管及具有該傳熱管的換熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]蒸氣冷凝傳熱過(guò)程廣泛存在于能源利用、化工、冶金、制冷等多工業(yè)領(lǐng)域中，蒸氣冷凝潛熱高效回收利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，尤其在不凝性氣體存在的條件下，蒸氣在傳熱管表面發(fā)生冷凝，在液膜或液滴與混合氣體之間會(huì)形成以不凝性氣體為主的氣膜層，蒸氣必須克服不凝性氣膜層阻力傳遞至氣液界面才能發(fā)生冷凝，增加了傳質(zhì)阻力，且不凝性氣膜層的存在使傳熱的驅(qū)動(dòng)力減小，嚴(yán)重削弱冷凝傳熱性能。在燃?xì)忮仩t煙氣潛熱回收過(guò)程中，不凝性氣體體積含量占80%左右，水蒸氣體積含量占20%左右；在煤制合成氨等化工行業(yè)中，成品氨中含有氫氣、甲烷等組分，這些組分隨成品氨到氨壓縮制冷工段，會(huì)釋放出來(lái)形成不凝性氣體，在降溫冷凝回收一部分氨的過(guò)程中，不凝性氣體的體積含量達(dá)90%左右，使氨蒸氣冷凝傳熱過(guò)程復(fù)雜，增加功耗并使性能惡化；同時(shí)隨著節(jié)能與節(jié)材的技術(shù)需求，也對(duì)制冷行業(yè)中冷凝器提出了更高的冷凝傳熱性能指標(biāo)。由此可見，蒸氣冷凝傳熱涉及領(lǐng)域范圍廣，充分回收蒸氣冷凝過(guò)程中的顯熱和潛熱，對(duì)提高我國(guó)化石能源綜合利用效率和促進(jìn)工業(yè)節(jié)能具有重要意義。
[0003]根據(jù)固體表面微觀結(jié)構(gòu)與冷凝液在固體表面的潤(rùn)濕特性不同，蒸氣冷凝形式通?？梢苑譃槟罾淠椭闋罾淠?。相對(duì)于膜狀冷凝，珠狀冷凝是一種更高效的傳熱方式，其冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝要提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，如果能夠在工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)該過(guò)程，將會(huì)大幅度降低傳熱面積，從而既能獲得節(jié)能效果，又能降低設(shè)備成本，有著顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。但是，珠狀冷凝是一個(gè)包含液滴核化、生長(zhǎng)、合并和脫離的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程，也是一個(gè)具有多尺度特征和受多因素影響的復(fù)雜過(guò)程。珠狀冷凝在很大程度上依賴于傳熱管壁面的表面條件，在工業(yè)上它是一種較難實(shí)現(xiàn)和不穩(wěn)定的冷凝形式。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的旨在提供一種高效回收水蒸氣及有機(jī)蒸氣顯熱與潛熱的冷凝式傳熱管及具有其的換熱器，尤其在不凝性氣體存在的條件下，能夠有效地削弱不凝性氣體熱阻層，實(shí)現(xiàn)蒸氣高效冷凝傳熱。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0006]一種仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管，包括傳熱管基管，以及設(shè)置在傳熱管基管外表面的超疏水基底層，在所述的超疏水基底層表面設(shè)置有親水性凸起，超疏水基底層和其表面的親水性凸起構(gòu)成仿生結(jié)構(gòu)表面，由傳熱管基管和其外表面的仿生結(jié)構(gòu)表面構(gòu)成仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管。
[0007]所述的傳熱管基管的管型為圓管、橢圓管、矩形通道、圓角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。
[0008]所述的傳熱管基管的材料為銅、碳鋼、不銹鋼、鋁或納米多孔結(jié)構(gòu)陶瓷。
[0009]所述的傳熱管基管當(dāng)量外徑為2-300mm。
[0010]所述的傳熱管基管當(dāng)量?jī)?nèi)徑為l-300mm。
[0011]所述的親水性凸起為球形、橢球形、四面體、六面體、柱狀或銷釘狀結(jié)構(gòu)，以隨機(jī)無(wú)序或等間距地排列在超疏水性基底層上，且相鄰親水性凸起的間距為0.5-50mm，其中，等間距排列分為順排和叉排兩種結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的柱狀結(jié)構(gòu)親水性凸起與傳熱管基管的管軸夾角β為0-90°，柱狀結(jié)構(gòu)親水性凸起頂部開設(shè)均勻排列方形或鋸齒形的凹槽。
[0013]所述的方形或鋸齒形的凹槽將柱狀結(jié)構(gòu)親水性凸起分隔為親水性母凸起和親水性子凸起，親水性母凸起為柱狀結(jié)構(gòu)親水性凸起底部柱基，親水性子凸起為柱狀結(jié)構(gòu)親水性凸起頂部被分隔后的間隔棱柱。
[0014]所述的方形或鋸齒形的凹槽的長(zhǎng)度均為0.01-30mm，親水性子凸起與親水性母凸起的高度比為0.1-1 ;所述的親水性凸起的高度L與傳熱管基管當(dāng)量外徑的比值為0.0l-0.5ο
[0015]相應(yīng)地，本實(shí)用新型給出了一種換熱器，包括傳熱管組件，所述傳熱管組件為仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管構(gòu)成的傳熱管組件。
[0016]本實(shí)用新型在常規(guī)冷凝式傳熱管表面制備超疏水基底(具有納米尺度微結(jié)構(gòu))上有親水性凸起的仿生結(jié)構(gòu)表面，基管外表面的親水性和超疏水性區(qū)域一體化結(jié)構(gòu)，將親水性和超疏水性區(qū)域有機(jī)結(jié)合，超疏水基底層與其表面的親水性凸起構(gòu)成了仿生結(jié)構(gòu)表面。按照表面結(jié)構(gòu)不同，將其分為四種類型:第一類，親水性凸起隨機(jī)無(wú)序地分布在超疏水性基底上；第二類，親水性凸起等間距排列在超疏水性基底上，其中等間距排列分為順排與叉排兩種結(jié)構(gòu)；第三類，親水性凸起以肋狀結(jié)構(gòu)等間距地排列在超疏水性基底上；第四類，親水性凸起以肋狀結(jié)構(gòu)等間距排列在超疏水基底上，并且親水性肋狀凸起頂部開設(shè)均勻排列的方形或鋸齒形凹槽。
[0017]本實(shí)用新型提供一種親水性和超疏水性區(qū)域有機(jī)結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)表面的冷凝式傳熱管及具有其的換熱器。當(dāng)蒸氣或不凝性氣體與蒸氣的混合氣體流經(jīng)該仿生結(jié)構(gòu)傳熱管表面時(shí)，蒸氣冷凝不僅僅是由于溫差驅(qū)動(dòng)，仿生結(jié)構(gòu)表面的“活性勢(shì)”和蒸氣與壁面的溫差共同構(gòu)成蒸氣冷凝的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，親水性凸起周圍的超疏水性表面結(jié)構(gòu)也有助于液滴的聚和長(zhǎng)大。該優(yōu)點(diǎn)將高效強(qiáng)化珠狀冷凝的傳熱特性，同時(shí)，超疏水性基底表面具有滾動(dòng)阻力小的表面特性，有利于液滴滾動(dòng)，在一定蒸氣流速條件下，冷凝液滴更容易從傳熱管表面脫落，能夠有效地限制水珠在傳熱管表面的滯留時(shí)間。且當(dāng)不凝性氣體存在時(shí)，超疏水基底層具有的納米尺度微結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒉荒詺怏w捕獲，形成固-氣-液界面，減小固液接觸面積，從而使固體表面對(duì)液滴的粘滯力降低，該仿生結(jié)構(gòu)表面甚至?xí)?qū)動(dòng)液滴合并發(fā)生彈跳等運(yùn)動(dòng)，能夠加劇不凝性氣體邊界層擾動(dòng)，顯著減小傳熱熱阻。對(duì)于第三類與第四類仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管，利用肋狀親水性凸起結(jié)構(gòu)和在其上面開設(shè)方形或鋸齒形凹槽等方法生成特殊的二維和三維擴(kuò)展表面，改變親水性凸起上冷凝液膜的表面張力分布，大大減薄液膜厚度，且引導(dǎo)冷凝液在凹槽處快速匯集，加速珠狀冷凝過(guò)程中液滴形成及快速疏導(dǎo)，使傳熱效果顯著提高。由于本實(shí)用新型的上述優(yōu)點(diǎn)，更適用于工業(yè)領(lǐng)域中小溫差傳熱場(chǎng)合應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0018]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定，在附圖中:
[0019]圖1 (a)為親水性表面潤(rùn)濕性示意圖，圖1 (b)為超疏水性表面潤(rùn)濕性示意圖。
[0020]圖2為第一類親水性凸起無(wú)規(guī)則性分布的仿生結(jié)構(gòu)表面示意圖。
[0021]圖3為肋狀親水性凸起的仿生結(jié)構(gòu)表面示意圖。
[0022]圖4(a)為肋狀親水性凸起上開設(shè)方形凹槽的仿生結(jié)構(gòu)表面示意圖，圖4(b)為肋狀親水性凸起上開設(shè)鋸齒形凹槽的仿生結(jié)構(gòu)表面示意圖。
[0023]圖5所示為仿生結(jié)構(gòu)冷凝式傳熱管的冷凝過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型，在此本實(shí)用新型的示意性實(shí)施例以及說(shuō)明用來(lái)解釋本實(shí)用新型，但并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。
[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型是在常規(guī)冷凝式傳熱管表面制備親水性凸起I分布在超疏水基底2上的仿生結(jié)構(gòu)表面。通過(guò)表面改性方法，把表面接觸角Θ小于90°的表面稱為親水性表面；通常把表面接觸角Θ大于150°的表面稱為超疏水表面。當(dāng)液滴潤(rùn)濕親水性表面時(shí)，固液接觸面積較大，呈現(xiàn)出的狀態(tài)如圖1(a)所示；對(duì)于具有納米尺度微結(jié)構(gòu)的超疏水表面，其潤(rùn)濕性如圖1(b)所示，納米尺度的微結(jié)構(gòu)能夠捕獲不凝性氣體，將固-液界面變?yōu)楣?液-氣界面，液體與固體的接觸面積會(huì)大大減小，從而使固體表面對(duì)液滴的粘滯力降低，有效地減小液滴的脫離直徑，同時(shí)液滴在超疏水表面上滾動(dòng)阻力較小，更容易脫離表面。
[0026]如圖2-圖4所示，仿生結(jié)構(gòu)傳熱管基管外表面上親水性和超疏水性區(qū)域一體化結(jié)構(gòu)，將親水性區(qū)域和超疏水性區(qū)域有機(jī)結(jié)合，按照表面結(jié)構(gòu)不同，將其分為四種類型:
[0027]第一類，親水性凸起I隨機(jī)無(wú)序地分布在超疏