[发明专利]一种强化冷凝传热的金属表面处理方法

说明书

技术领域

本发明属于强化传热与节能技术领域，具体涉及一种金属表面处理方法。

背景技术

蒸气冷凝现象广泛存在于工业领域和自然界中，它是石油化工、发电、能源动力、制冷空调和节能等领域中重要的换热过程之一。蒸气的冷凝方式根据冷凝液与冷凝表面的润湿程度可分为膜状冷凝和滴状冷凝。目前强化冷凝的方法主要有两种，一种是强化膜状冷凝，主要是降低表面冷凝液膜的厚度，另一种是通过表面处理将膜状冷凝改为滴状或滴膜共存的冷凝模式。滴状冷凝是利用表面张力作用强化冷凝传热的最理想途径，其冷凝传热系数比膜状冷凝要高一个数量级以上。自20世纪30年代Schmidt等发现这种现象以来，国内外众多的研究者进行了广泛深入地研究。

表面能是材料表面现象的主要推动力，是决定蒸气在表面上冷凝呈滴状或膜状的最重要参数。液体在固体表面上冷凝成滴状，而不是铺展成膜状的必要条件是固体表面要有较低的表面能。对于金属材料，由于表面原子受到来自内部原子强金属键的作用力，具有很高的表面能，蒸气难以在其表面形成滴状冷凝。因此，早期实现滴状冷凝的方法主要集中于在金属表面外加一层低表面能材料，依靠物理或化学吸附与基体结合，如表面镀贵金属如金、银、铂等；复合沉积聚四氟乙烯等有机高分子涂层；表面涂覆有机促进剂等。然而，上述表面涂覆方法均不同程度地存在成本高、附加热阻大、涂层与基体结合强度差、涂层表面化学稳定性差等方面的问题，从而不能形成稳定持久的滴状冷凝。上世纪九十年代，赵起等人提出了离子注入技术，通过在金属表层注入N、Ar、He、H等元素，制备低表面能合金材料，实现了水蒸气在其上的滴状冷凝，但是成本高、稳定性差仍是该技术存在的主要问题。

近年来，疏水性纳米涂层表面的冷凝特性成为一个新的研究热点。宋永吉等在紫铜基底上制备了疏水性碳纳米管膜，发现水蒸气在其上能形成较好的滴状冷凝(宋永吉，任晓光，任绍梅，王虹.水蒸气在超疏水表面上的冷凝传热，工程热物理学报，2007，28(1)：95-97)。Manas Ojha等研究了SiO₂纳米棒沉积表面的冷凝特性，认为纳米尺度的涂层表面形貌对气-液-固界面分子间的力场有显著地影响，从而影响相变传热效率(Manas Ojha，AryaChatterjee，Frank Mont，E.F.Schubert，Peter C.Wayner Jr.，Joel L.Plawsky..Therole of solid surface structure on dropwise phase change processes.InternationalJournal ofHeat and Mass Transfer，2010，53：910-922)。目前为止，对于纳米结构表面冷凝特性的研究均是基于疏水性纳米表面涂层，涂层与基体的结合强度、寿命、成本等仍是不可回避的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的为了实现良好的冷凝效果而在金属表面制备疏水性涂覆层技术所存在的涂覆层与金属基体结合强度低、寿命短的缺陷，以及通过改变金属表面化学成分的离子注入技术所存在的成本高等缺陷，提供了一种完全不相同的能够使金属实现强化冷凝传热效果的金属表面处理方法，该方法通过改变金属表面的显微组织结构及应力状态，降低表面自由能，从而将金属表面的冷凝模式由完全的膜状冷凝转变为滴膜共存或完全的滴状冷凝模式，显著强化了蒸气在金属表面的冷凝传热过程，提高了传热效果。

本发明提供了一种金属表面处理方法，其包括下述步骤：用轧辊重复轧制金属的表面，使所述金属的表面形成纳米孪晶；其中，所述纳米孪晶的片层厚度小于200nm；在进行所述轧制时，所述轧辊在绕一公转轴公转的同时与所述金属之间进行速度为0.1～50mm/分钟的水平相对运动，所述轧辊的公转速度为100～300rpm，所述公转轴为一水平方向上的公转轴，所述水平相对运动的运动方向垂直于所述轧辊的公转平面。

本发明的金属表面处理方法能够使蒸汽在金属表面形成完全的滴状冷凝或滴膜共存的冷凝模式，从而显著提高了金属的冷凝传热效果。

本发明中，所述的重复轧制指对所述金属的同一区域进行反复的轧制，所述轧制的重复次数较佳的使所述金属表面形成纳米孪晶结构，且纳米孪晶的片层厚度小于200nm。所述的重复次数较佳的为30～300次，更佳的为100～150次。