[发明专利]一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基体结构，所述多孔基体结构内分布有若干个孔腔，且所述孔腔内分散有能够在所述孔腔内运动的自由颗粒。制备所述自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构时，先将金属颗粒烧结制备得到多孔材料基体，在多孔材料基体上打孔形成孔腔，然后将自由颗粒填充入孔腔并封闭孔腔。本发明基于沸腾传热过程中核化点激活以及吸液芯向成核位点供液的强化特点，将气泡成核和供液分区以防止气泡合并以及降低液体回流阻力；同时利用自由颗粒在沸腾过程中的碰撞强化工作流体内导热、微层蒸发及对流传热，使气泡易成核，生长速率快，脱离频率高，从而实现了强化沸腾传热。

技术领域

本发明属于强化沸腾传热技术领域，具体涉及一种将自由颗粒分散于多孔介质得到的强化沸腾复合结构及其制备方法和应用。

背景技术

多孔介质表面沸腾传热强化技术是未来工业发展的焦点问题之一，多孔表面强化沸腾传热因在较小的过热度条件下可以获得极大的传热系数，能有效提高能源利用效率，已被广泛应用于热能动力、核电、地热能、太阳能、石油化工、食品工程以及低温工程等重要工业领域的关键过程，具有十分重要的社会和经济价值。强化传热的主要途径主要从换热元件表面改形、旋流发生器和振动来影响流场，实现强化传热。传统的强化传热技术目前己很难满足一些特殊条件下的传热要求，研制流阻特性小、导热系数高、传热性能好的高效新型换热元件是当前强化传热技术的重点。

近年来，致力于开发微纳尺度多孔表面的强化沸腾传热研究工作不断增多，中国专利申请201910217150.0公开了一种材料表面微纳米复合强化沸腾结构，该种材料表面微纳米复合强化沸腾结构具有不同层级微米、纳米的多尺度特征，增大了比表面积，增多了汽化核心，减小了起泡运动阻滞，有效降低了液体沸腾的起始过热温度。中国专利201610103638.7公开了一种复合型表面结构，包括基面、一级微结构表面、次级微纳结构表面和相变材料，实现了沸腾表面浸润性可随过热度特征而智能改变的自适应性效果，达到了基于沸腾换热不均引起局部过热度升高而调控沸腾表面浸润性的目的，改善了局部沸腾换热效果差的问题。中国专利201310460362.4公开了一种强化沸腾传热用双重结构多孔铜材料，其将铜纤维毡铺覆于铜基体表面烧结为一体，然后在铜基体表面形成微米级多孔表面，并利用阳极氧化处理在铜纤维表面形成数量众多的纳米级微孔，微米级大孔和纳米级微孔共存增大了热交换面积，并增多了汽化核心的数量，显著提高了沸腾传热效果。

但是这些多孔结构都具有表面均具有表面均一化的尺度效应，在起沸、液体回流、气泡合并存在较大空间竞争，气液两相流动相互阻滞，造成流动阻力过大，高热通量条件下导致表面传热条件恶化；另外，从气泡动力学角度分析，气泡生长及脱离过程强化没有得到有效改善，因此，加快微层蒸发以及强化对流是进一步改善沸腾传热的新视角。

目前，相关研究已经证实多孔介质可强化沸腾传热性能，多孔层的结构对汽泡动力学均有不同程度影响。然而，多孔介质环境气泡生长过程中如何加快核化点的激活、提高气泡生长速率、加快气泡脱离频率仍然是需要解决的问题。受纳米流体强化沸腾传热的启发，纳米粒子在沸腾过程中的碰撞可强化工作流体内部的热传导以及液体的扰流，但纳米流体的团聚问题无法使强化沸腾保持长效性，沉降层厚度增加将增大壁面热阻。基于上述问题，本发明提供一种将自由颗粒与多孔介质相结合的复合强化沸腾结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的一个目的提供一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，该复合强化沸腾表面结合了自由颗粒和多孔介质，将气泡核化与液体供给分区，并通过游离颗粒的碰撞提高沸腾传热性能。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种自由颗粒/多孔介质复合强化沸腾结构，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基体结构，所述多孔基体结构内分布有若干个孔腔，且所述孔腔内分散有能够在所述孔腔内运动的自由颗粒。

在一些实施方案中，所述多孔基体结构可通过烧结金属颗粒、金属丝网或泡沫金属制作或通过电沉积金属制作。