[发明专利]一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法

说明书

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法。

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。

事实上，多孔结构相邻多个汽化核心形成的气泡之间具有相互作用，核化中心过密会引起气泡之前的相互抑制或融合，恶化传热。另一方面，制备不同亲疏水性表面或分割表面控制高效滴状冷凝相变传热形态；构造微结构促进冷凝液滴Cassie态附着，加快液滴的脱落频率，强化冷凝传热效率；设计外加电场抑制沸腾气泡的产生，减小气泡脱离半径和脱离频率，强化单相对流传热等等；已成为目前调控相变形态，从根本上强化相变传热的前沿热点课题。微结构制备疏水或超疏水表面，使得冷凝液滴在范德华力、毛细结构的毛细吸引力以及与之对应的惯性力、剪切力的共同作用下，更容易跳跃脱离，大大减小液滴的脱离直径和液滴合并的可能性，有效抑制大面积的膜换热形态，降低表面液滴热阻。而有超亲水性的表面微结构能够在毛细吸引力作用下，促进沸腾气泡脱离后液相的及时补充，缩短了气泡脱离周期，从而提高池沸腾临界热流密度；光滑表面的亲疏水性对沸腾临界热通量的影响很小，而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，其多孔结构空隙和毛细泵力是强化沸腾传热的根本。而疏水的多孔金属反而大大降低了沸腾临界热流密度，形成了类似与膜沸腾的气泡层。

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。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。本发明提出多孔结构耦合亲疏水性能调控沸腾传热性能，是从相变传热的物理机理出发，从根本上强化传热性能的新技术、新方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，其特征在于，所述局部可控亲疏水性的多孔传热表面制备方法，包括如下步骤：

步骤1，首先利用颗粒烧结制备多孔金属传热表面；

步骤2，然后对整体骨架进行亲水性处理，针对局部毛细结构进行疏水表面处理；

步骤3，经过恒温一定时间的化学键合，最终获得具有可控“疏水点”以及“亲水毛细结构”的整体亲水局部疏水的多孔金属传热表面；

所述步骤1利用颗粒烧结制备多孔金属表面为采用金属颗粒烧结制备多孔金属结构的平面、或者具有固定的汽化核心空穴的多孔金属表面；具体步骤：

(1.1)首先对不同直径金属颗粒进行分类筛选并做预处理，保证颗粒的均匀性；

(1.2)平铺金属颗粒于换热金属表面上，用刮板刮平确保金属颗粒表面平整，然后进入焙烧炉烧结；