CN114485253B - 一种亲疏水转换的智能表面换热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种亲疏水转换的智能表面换热管，基管内表面沿周向分为间隔区以及智能表面区，智能表面区从管内壁依次先后构建绝缘层一、导电层、多孔层、绝缘层二，最后将疏水基团进行带电喷涂到绝缘层二上，各智能表面区域的导电层与多通道直流电源的不同通道相连，基管外等距分若干截面，每截面上下端均焊接有热电偶监测截面的上下端温度，温度反馈于计算机，计算机调节多通道直流电源各通道的电流，使带电疏水基团发生移动，使管内表面在时空层次进行亲疏水转变。本发明能够实现换热管在进行换热过程中，根据不同流型使管内表面发生湿润性转变，对管内相分布调控，使多相流动结构与传热达到协同，提高传热效果。
Description
技术领域
本发明涉及换热器技术领域，特别是指一种亲疏水转换的智能表面换热管。
背景技术
相变传热作为一种高效的能量传递方式，广泛的应用于工业应用和生产生活中各个方面，通过汽液相变从开始成核到汽泡\液滴最终的脱离的动态变化，分为冷凝传热以及沸腾传热两种。
然而在沸腾/冷凝传热中，随着换热管汽液相变过程的不断进行，在不同阶段对表面特性的需求是不同的。
在冷凝换热过程中，具有高表面能的亲水表面可以降低蒸气成核能进而促进液滴核化，亲水表面在冷凝传热前期能够使蒸气分子迅速从气相主体发生相变进而形成而液滴，但随着换热的不断进行，亲水表面由于具有高表面能从而发生膜状凝结，在表面形成连续的液膜，增加了蒸汽与换热界面的热阻，而低表面能的疏水表面能使液滴形成滴状冷凝并迅速脱落，使表面凝液快速更新，降低蒸汽与换热界面热阻，从而强化冷凝传热。
在沸腾换热过程中，疏水表面可以在低过热度下成核，利于汽核的生成。随着换热的不断进行，疏水表面气泡难以脱离大量聚合使固液边界形成气膜，热量传递行程增加，导致换热过程迅速恶化，是传热过程中管内热阻的主要部分。同时，管内由于重力的作用导致上管壁液膜“顶部薄，底部厚”的相分布，换热过程上壁面补液困难，管内上壁面液滴蒸发速率与补液速率无法达到相平衡时，导致壁面干涸，换热过程恶化。
汽液相变进行强化一直是传热领域内的重点研究内容，目前，目前能量系统中换热结构使用工业材料(如铜、铝、不锈钢等金属)以及表面强化手段，只具有单一亲/疏性，然而汽液相变的在不同阶段对表面特性的需求是不同的，无法满足换热过程的动态的需求变化实现表面亲疏性转变。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题，提出一种亲疏水转换的智能表面换热管。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种亲疏水转换的智能表面换热管，换热管由导电端及基管组成，导电端位于基管的两端，基管内表面沿周向分为间隔区以及智能表面区，间隔区和智能表面区在基管内表面均为多个，智能表面区从管内壁依次先后构建绝缘层一、导电层、多孔层、绝缘层二，绝缘层二上喷涂有疏水基团。
优选的，各个智能表面区之间均设有一个间隔区。
优选的，绝缘层一以及绝缘层二均采用具有高导热性强绝缘性的材料，优选阴极电弧沉积或脉冲激光沉积法制备的类金刚石膜。
优选的，导电层采用导电性好的金属，优选铜片；在多孔层的表面烧结一层均质的铜粉。
优选的，绝缘层二沉积厚度小于铜粉粒径且均匀沉积在导电层上。
优选的，在绝缘层二表面喷涂一层均匀的带正电的疏水基团，疏水基团采用静电喷涂设备进行喷涂。
一种亲疏水转换的智能表面换热管的其控制系统，包括热电偶、计算机、多通道直流电源，各个智能表面区的导电层通过基管上的导电端与多通道直流电源的不同通道相连，基管外壁等距分若干截面，每截面上下端均焊接有热电偶，热电偶与计算机电连接，计算机还与多通道直流电源电连接并调节多通道直流电源各通道的电流。
本发明的有益效果是：
1、本发明构建润湿性可转换的智能表面，能够使换热管在进行相变传热时，通过施加电场来实现管内表面实现润湿性的时空层次的可逆转换；
2、本发明在冷凝换热时，前期形成亲水表面降低蒸气成核能进而促进液滴核化，使蒸气分子迅速从气相主体发生相变进而形成而液滴，随着换热的不断进行，表面逐渐从亲水表面转变为疏水表面，使液滴形成滴状冷凝并迅速脱落，使表面凝液快速更新，降低蒸汽与换热界面热阻从而强化冷凝传热；
3、本发明在沸腾换热时，前期表面浸润性为疏水表面，疏水表面可以在低过热度下成核，利于汽核的生成，随着换热的不断进行，管内浸润性形成由管内底部到顶部依次由弱到强的梯度结构，底部的拉普拉斯压力比顶部大，使得流体获得从底部移动到顶部的驱动力，实现液滴的反重力定向输运，能够给壁面提供更多的液体，促进壁面液体补充，增强沸腾表面的浸润性，调控基管内相分布，减少壁面干涸现象，增加提高传热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明控制系统图；
图3是本发明基管横截面示意图；
图4是本发明冷凝换热疏水表面液滴流动示意图；
图5是本发明沸腾换热梯度表面流体示意图；
在附图中：1、导电端，2、基管，3、间隔区，4、智能表面区，401、绝缘层一，402、导电层，403、多孔层，404、绝缘层二，5、热电偶，6、计算机，7多通道直流电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图5所示一种亲疏水转换的智能表面换热管，换热管由导电端1及基管2组成，导电端1位于基管2的两端，基管2内表面沿周向分为间隔区3以及智能表面区4，间隔区3和智能表面区4在基管2内表面均为多个，间隔区3将不同智能表面区4分割开来，一般情况下，间隔区3采用在基管2内插入与基管2直径相同的分隔架分隔，分隔架的扇叶即为间隔区3。
智能表面区4从管内壁依次先后构建绝缘层一401、导电层402、多孔层403、绝缘层二404，绝缘层二404上喷涂有疏水基团。
绝缘层一401以及绝缘层二404均采用具有高导热性强绝缘性的材料，优选阴极电弧沉积或脉冲激光沉积法制备的类金刚石膜。
导电层402采用导电性好的金属，优选铜片；在多孔层403的表面烧结一层均质的铜粉，将表面烧结铜粉的铜片面放入不同的智能表面区4，将一端进行密封，另外一端采用水力冲压机进行加压，使导电层402与绝缘层一401与基管2壁面紧密结合。
绝缘层二404沉积厚度小于铜粉粒径且均匀沉积在导电层402上。保证表面多孔结构不被覆盖，提高基管2内表面孔隙率。
在绝缘层二404表面喷涂一层均匀的带正电的疏水基团，疏水基团采用静电喷涂设备进行喷涂。
一种亲疏水转换的智能表面换热管的其控制系统，包括热电偶5、计算机6、多通道直流电源7，各个智能表面区4的导电层402通过基管2上的导电端1与多通道直流电源7的不同通道相连，基管2外壁等距分若干截面，每截面上下端均焊接有热电偶5用于监测基管2截面的上下端温度，并将该温度反馈于计算机6，计算机6还与多通道直流电源7电连接并调节多通道直流电源7各通道的电流，使带电疏水基团发生移动，使管内表面在时空层次进行亲疏水转变。
控制系统的工作原理如下：
基管2在进行冷凝换热时，刚开始多通道直流电源7电源控制基管2上端导电层402的通道释放电流，将带电疏水基团分布于基管上表面，其余智能表面区4显示为亲水，亲水表面降低蒸气成核能进而促进液滴核化，使蒸气分子迅速从气相主体发生相变进而形成液滴，随着换热的不断进行，由于重力作用下壁面表面聚集液体，截面处下壁面比上壁面较低，当计算机6监测大于1/2的截面处于此情况，计算机6调整多通道直流电源7各通道释放相同电流，使带电疏水基团向基管2内中部以及底部移动，使疏水基团均匀分布于基管2内壁面，形成基管2内壁面均疏水，使液滴形成滴状冷凝并迅速脱落，使表面冷凝液快速更新，降低蒸汽与换热界面热阻从而强化冷凝传热。
基管2在进行沸腾换热时，刚开始多通道直流电源7控制各通道释放电流，使各导电层402均带电，将带电疏水基团均匀分布于基管2内表面，使基管2内壁面形成疏水结构，疏水表面可以在低过热度下成核，有利于汽核的生成，随着换热的不断进行，管内汽相逐渐增加，上壁面干涸，上壁面比下壁面温度高，当计算机6监测大于1/2的截面处于此情况，计算机6调整多通道直流电源7各通道电流，使带电疏水基团向基管2内壁面中部以及底部移动，使壁面从底部到顶部的润湿性形成由疏水向亲水的梯度表面，实现液滴的反重力定向输运，能够给壁面提供更多的液体，促进壁面液体补充，增强沸腾表面的浸润性，调控基管内相分布，减少壁面干涸现象，增加提高传热效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于，换热管由导电端(1)及基管(2)组成，导电端(1)位于基管(2)的两端，基管(2)内表面沿周向分为间隔区(3)以及智能表面区(4)，间隔区(3)和智能表面区(4)在基管(2)内表面均为多个，智能表面区(4)从管内壁依次先后构建绝缘层一(401)、导电层(402)、多孔层(403)、绝缘层二(404)，绝缘层二(404)上喷涂有疏水基团；
其中，所述换热管受控于控制系统，所述控制系统还包括热电偶(5)、计算机(6)、多通道直流电源(7)，各个智能表面区(4)的导电层(402)通过基管(2)上的导电端(1)与多通道直流电源(7)的不同通道相连，基管(2)外壁等距分若干截面，每截面上下端均焊接有热电偶(5)，热电偶(5)与计算机(6)电连接，计算机(6)还与多通道直流电源(7)电连接并调节多通道直流电源(7)各通道的电流；
在所述控制系统的控制下，换热管的基管(2)在进行冷凝换热时，刚开始多通道直流电源(7)电源控制基管(2)上端导电层(402)的通道释放电流，将带电疏水基团分布于基管(2)上表面，其余智能表面区(4)显示为亲水，蒸汽分子变为液体聚集在基管(2)的下壁面；当计算机(6)监测基管(2)下壁面表面聚集的液体大于基管(2)截面处的1/2的情况，计算机(6)调整多通道直流电源(7)各通道释放相同电流，使带电疏水基团向基管(2)内中部以及底部移动，使疏水基团均匀分布于基管(2)内壁面，形成基管(2)内壁面均疏水；
在所述控制系统的控制下，换热管的基管(2)在进行沸腾换热时，刚开始多通道直流电源7控制各通道释放电流，使各导电层(402)均带电，将带电疏水基团均匀分布于基管(2)内表面，使基管(2)内表面形成疏水结构，基管(2)上壁面干涸形成干涸面，当计算机(6)监测到基管(2)的干涸面大于1/2的截面的情况，计算机(6)调整多通道直流电源(7)各通道电流，使带电疏水基团向基管(2)内壁面中部以及底部移动。
2.根据权利要求1所述的亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于：各个智能表面区(4)之间均设有一个间隔区(3)。
3.根据权利要求1所述的亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于：绝缘层一(401)以及绝缘层二(404)均采用具有高导热性强绝缘性的材料，优选阴极电弧沉积或脉冲激光沉积法制备的类金刚石膜。
4.根据权利要求1所述的亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于：导电层(402)采用导电性好的金属，优选铜片；在多孔层(403)的表面烧结一层均质的铜粉。
5.根据权利要求1所述的亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于：绝缘层二(404)沉积厚度小于铜粉粒径且均匀沉积在导电层(402)上。
6.根据权利要求1所述的亲疏水转换的智能表面换热管，其特征在于：在绝缘层二(404)表面喷涂一层均匀的带正电的疏水基团，疏水基团采用静电喷涂设备进行喷涂。
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