[发明专利]一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法

说明书

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法。

背景技术

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。

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。事实上，多孔结构表面密集的核化中心，还会引起相邻多个汽化核心气泡之间具有相互作用，气泡之间的相互抑制或融合，气泡被抑制延长气泡脱离时间或在传热表面形成空气热阻层，都会显著恶化其传热性能。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，而疏水的多孔金属反而大大降低了沸腾临界热流密度，其根部原因就是汽化核心处过于密集，致使在多孔结构内部形成了类似于膜沸腾的气泡层。

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。本发明提出制备汽化核心模压覆于微纳金属颗粒顶层，烧结‐脱模的方法制备具有固定汽化核心的多孔金属沸腾传热表面，其结构不仅兼具吸液的毛细结构，同时具有汽化核心空穴结构，能够有效控制沸腾过程汽化核心的分布。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，制备方法包括设计汽化核心模板，压覆金属微纳米颗粒顶层，共烧结‐脱模工艺，获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面；具体步骤如下：

1)首先对金属微纳颗粒进行筛选及预处理，并沉积于普通光滑换热表面

2)根据要求加工制备微柱模板，微柱的尺寸以及在模板表面的分布直接影响核化中心的分布；将微柱模板压覆于金属微纳颗粒顶层，并固定成生胚；

3)将生胚在惰性气体保护下烧结3h；烧结完毕惰性气体保护下自然冷却、脱模；获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面。

所述步骤1)中金属微纳米颗粒为铜、铝、镁、钛及其合金材料，其形状为空心或者实心的圆形、方形或三角形颗粒；

所述金属微纳米颗粒的尺度为纳米、微米级别，颗粒尺度越小制备的多孔结构缝隙结构尺寸越小，缝隙大小根据金属质量、密度与体积的关系估计计算，计算公式如下：