[发明专利]一种多尺度强化沸腾功能表面及复合制备方法

说明书

本发明公开了一种多尺度强化沸腾表面及其复合制备方法。首先通过电泳沉积法在金属或金属合金光滑表面镀纳米颗粒涂层。随之，利用电化学方法在纳米颗粒涂层表面生成蜂窝状微结构。从而制备出一种多尺度复合结构表面。该复合结构表面综合了两种单一制备方法的优点，一方面可提供更多有效汽化核心，另一方面可显著提升表面补液能力。因此，该复合结构表面可强化沸腾换热性能，包括传热系数和临界热流密度。对于超润湿性流体，如FC‑72、HFE‑7200、NOVEC‑649等，强化效果亦明显。同时，该制备方法成熟、简单易行、低成本，为其大规模、工业化应用提供可能。

技术领域

本发明属于强化换热和节能技术领域，具体涉及一种应用于能源动力、石油化工，电子器件冷却等领域的强化沸腾换热表面。

背景技术

沸腾换热广泛存在于多种工业设备及工业过程，如燃煤及太阳能电站，高功率电子设备冷却等。强化沸腾换热可提升设备效率，减小能耗，保障运行安全。就沸腾换热而言，换热系数和临界热流密度是两大关键参数。换热系数决定了热传递效率，而临界热流密度决定了热传递安全极限。若热流密度超过临界值，设备温度将瞬间骤升，设备烧毁甚至爆炸。沸腾换热性能与表面特征，如粗糙度、润湿性、表面形貌等密切相关。通过机械、物理、化学等手段对沸腾表面进行改性以强化沸腾换热成为研究热点。

当前，常用的改性手段包括电火花线切割，激光，烧结，刻蚀，沉积等。改性表面强化沸腾换热原理可简单归结如下。改性表面往往提供更多的汽化核心，降低核化起始温度，从而强化沸腾换热系数。另外，某些改性表面可调控高热流条件下的气泡行为，延缓亥姆霍兹不稳定性的发生，强化临界热流密度。润湿性的改变通常可改变表面吸收液体的能力，即可增强沸腾表面补液能力，因而亦可强化临界热流密度。

然而，稳定性、成本及大规模制备可行性成为限制诸多表面改性手段的主因。电泳沉积法(Cao Z.,Wu Z.,Pham A.D.,Yang Y.,Abbood S.,Falkman P.,Ruzgas T.,AlbèrC.and Sundén B.,Int J Heat Mass Transfer,2019,133:548-560)和电化学沉积法(El-Genk M.S.and Ali,A.F.,Int J Multiphase Flow,2010,36(10):780-792)则无需大型设备，加工成本低且可进行大面积表面制备，具有较好的工业应用前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种沸腾换热强化表面及其制备方法。该表面综合电泳沉积法及电化学沉积法两者的优点，有效地强化沸腾换热系数和临界热流密度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

先通过电泳法初始修饰表面，再通过电化学法增强表面吸液能力。

(1)金属或金属合金表面处理：用不同目数的砂纸依次打磨表面。然后在丙酮和已醇中分别进行超声清洗，最后用去离子水冲洗并吹干。

(2)表面初始修饰：目标表面作电极并配对另一电极。在配对电极中间放置乙醇，并将一定量纳米颗粒溶液(胶体)滴在两电极间，施加电场，在电场作用下将纳米颗粒沉积在目标光滑表面，产生纳米颗粒涂层。

(3)表面二次修饰：将带有纳米颗粒涂层的表面作为阴极，另一表面作为阳极，硫酸铜溶液和稀硫酸作为电解质。施加电场将铜离子和氢离子还原在目标表面，同时氢气上升，产生蜂窝状多孔结构。

(4)增强结构强度及稳定性：步骤(3)可采取短时间大电流和长时间小电流交替多次进行。或采取退火增强机械强度的方法，将制备好的表面放在烧结炉或热板中，维持温度300-500℃一小时。

所述表面可为不同材质金属或金属合金表面，如铜，不锈钢等。

所述技术方案步骤(1)中，先按轨迹“8”打磨表面，使得表面平整。然后在两正交方向，分别单向打磨20-30次。切勿往复打磨。