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一種局部自適應可控浸潤性耦合微結構強化沸騰換熱方法

2022-07-14 09:49:42
云上高博會 http://www.a00n.com
關鍵詞: 強化傳熱
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項目成果/簡介:

一種局部自適應可控浸潤性耦合微結構強化沸騰換熱方法具體為:在換熱基底微結構頂部設置電極膜,電極膜與金屬電極連接至電源形成電場,換熱工質中帶電金屬納米顆粒在電場作用下間歇吸附于換熱表面,實現換熱表面浸潤性的可控轉換;所述金屬電極固定在換熱基底外部;金屬電極優選為銅電極、鋁電極,形狀優選為板狀、網狀或棒狀。

所述換熱基底材料為金屬如紫銅或單晶硅、藍寶石、石墨烯等非金屬,可以理解的是,換熱領域常用的換熱材料均適用于本發明,優選導熱性良好的基底材料。換熱基底形狀為平板、圓管或異形,其中異形為換熱領域常見換熱器形狀。所述換熱基底微結構為尺寸為納米級或微米級的微柱、微坑或微槽道;可以理解的是,現有技術中,所有用于提高換熱效率的微結構均適用于本發明,優選為納米級或微米級的方形微柱、矩形微柱、半球形微坑或圓柱形微坑。所述換熱基底微結構的排列方式為規則排列如陣列式、交錯式排列,或為不規則排列。所述電極膜通過電極引線引出,以將電極膜連通并連接至電源;換熱基底、電極膜、電極引線的表面均絕緣。所述表面絕緣可以通過在表面設置絕緣層實現,所述絕緣層厚度為百納米級。其中,換熱基底材料為單晶硅等非導電材料時,則無需設置絕緣層。所述絕緣層材料為惰性金屬、金屬氧化物、陶瓷或硅膠;優選導熱性優良的絕緣材料,可以通過摻雜導熱性優良材料的方式來提高絕緣材料導熱性。所述電極膜、電極引線材料為導電材料;優選為金屬,進一步優選為金、銀、銅或鋁。

所述電極膜厚度為百納米級。所述帶電金屬納米顆粒具有均勻親水性表面、均勻疏水性表面或雙親浸潤性表面;親水、疏水或雙親浸潤性表面通過改性獲得;帶電金屬納米顆粒尺度為納米級、微米級,形狀規則或不規則,優選為球形或柱形。所述帶電金屬納米顆粒浸潤性與換熱基底的浸潤性不同,用于改變換熱表面浸潤性。如換熱基底表面為親水(或疏水),帶電金屬納米顆粒表面為疏水(或親水),也可以具有雙親浸潤性。所述電源為直流電源或交流電源;其中直流電源通過通、斷電實現電場可控;交流電源通過控制交流頻率實現電場可控,交流頻率根據沸騰氣泡動力學周期調節。

應用范圍:
選用單晶硅為換熱基底材料,平板狀,尺寸30mm×10mm×2mm;表面設計有微柱陣列,微柱尺寸150μm×150μm×150μm,間距200μm;換熱基底表面為導熱性能優良的金屬氧化物絕緣層,厚度100nm。
在微柱頂端設有厚度為100nm的導電金膜作為電極膜,并以厚度為100nm的導電金膜為電極引線將分布在微柱頂端的各個電極膜連通并引出,其中電極膜、電極引線表面均有厚度100nm的導熱性能優良的金屬氧化物絕緣層。選用粒徑30nm的金屬銅納米顆粒,對其進行陰陽離子表面活性劑帶電處理和疏水處理,并配置成納米流體作為換熱工質。將表面進行絕緣處理的銅板30mm×10mm×2mm作為金屬電極連接至250V直流電源,與電極膜形成電場;通過控制電源通斷,控制金屬銅納米顆粒在微柱頂端的間歇吸附。
氣泡成核階段,電源通電,在電場的作用下,帶電金屬銅納米顆粒吸附在微柱頂端,沸騰表面疏水核化點密度增大1~2倍。氣泡生長合并后,關閉電源,促進了帶電金屬銅納米顆粒從換熱表面脫附,重新分散于納米流體中;重新裸露出的單晶硅基體具有親水性,氣泡很快脫離。電源再次通電,帶電金屬銅納米顆粒再次吸附在微柱頂端,沸騰表面再次核化。即通過控制電源通斷,以實現沸騰表面浸潤性的主動可控轉換,進而達到強化沸騰換熱的目的。與相同形狀、相同尺寸、表面同樣設有微柱結構但未設置電極膜的單晶硅材質換熱表面相比,換熱表面的換熱性能提高1-2倍。
強化沸騰相變換熱過程必須建立在沸騰相變過程的復雜氣泡動力學研究基礎之上。由于過度沸騰和膜沸騰中傳熱表面出現干燒,換熱器存在燒毀的危險,同時傳熱效率顯著降低;因此主動熱控制中的沸騰動力學規律主要針對核態沸騰過程中的氣泡核化、生長、合并、脫離以及更新等物理過程。綜合考慮沸騰氣泡的核化、氣泡的脫離以及液體的更新及補充,對沸騰表面進行局部親疏水處理,通過改變壁面的親疏水性可直接加快或抑制氣泡的脫離。由此微結構換熱表面可得到企業和有關科研機構的廣泛研究,對工業設備換熱效率提升具有重要意義。
效益分析:
1、本發明通過電場調控實現換熱表面微結構局部位置浸潤性的可控轉換,在氣泡成核、上升階段,可利用疏水性促進氣泡核化,加速核化中心的再生、活化;在氣泡脫離階段,可利用親水性促進氣泡脫離,進而實現整個氣泡動力學過程(氣泡成核、生長及脫離)的強化傳熱;
2、本發明將電場調控浸潤性技術引入沸騰換熱過程,通過局部自適應可控浸潤性耦合微結構,在增大沸騰表面核化密度的同時,主動調控氣泡成核、合并和脫離,實現沸騰的全面強化,提高了換熱效率,推動了主動控制沸騰技術的發展,為強化沸騰相變傳熱提供了一種新技術、新方法。
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