[发明专利]基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管

说明书

技术领域

本发明属于传热强化技术领域，涉及一种基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管。

背景技术

能源危机、环境恶化促使各国致力于能源高效利用与新能源开发。冷凝器大量应用于空调、发电、化工、航空等传统工业，且这些热功转换系统的能量损失中，冷凝器的不可逆换热损占据了相当大的比重，因此，提升冷凝器性能可极大提高能源利用效率。另外，随着能源深度利用的进行，分布广泛的工业余热、太阳能、地热能等低品位能源成为了重要研究对象。针对低品位能源的回收与利用，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统是低品位能源可能的有效利用途径。有机工质换热效率低，新能源温差小、热流密度低，因此冷凝器等换热设备体积庞大。例如，应用海水温差发电系统的冷凝换热器面积高达10⁴m²/MW。这使ORC系统投资成本远高于常规能源系统，从而难以大规模推广应用。因此提高冷凝器等设备换热效率，实现其小型化，将极大地提升传统工业能源利用效率，有力地推动低品位能源的开发。

套管式冷凝器是冷凝换热设备最常见的一种，目前，其冷凝传热强化手段主要包括扩展传热表面和管内插入物两类。常用的扩展表面包括各种内螺纹管、沟槽管、微肋管和异型管等，其中以微肋管应用最为广泛，而插入物则主要为各种形式的扭带、金属线圈、涡发生器等。通过优化扩展表面和插入物结构，以及对两种传热技术进行复合，管内冷凝传热得到了一定的强化。但这些冷凝传热技术是从单相强化传热引进过来的，其强化机理是扩展传热面积及破坏边界层发展，忽略了换热表面浸润性对冷凝换热性能的重要影响。

在冷凝传热模式中，滴状冷凝传热系数是膜状冷凝的10-100倍，而滴状冷凝仅发生憎液型换热表面上。根据Cassie浸润模型，憎液型表面成分需要具有极低的表面能，同时纳米结构等形成的大比表面积及粗糙度有利于提升憎液性能。蒸汽在憎液型表面冷凝后形成的液体不能顺利地浸润换热表面，因而形成液滴，而为附近的蒸汽与换热壁面直接接触创造了条件。如果形成的液滴在一定的技术下可以不断地脱落，从而防止换热壁面液膜的形成，则冷凝过程将保持极高的传热系数。因此，开发可持续的滴状冷凝模式是提高管内冷凝传热的重要途径。

发明内容

本发明通过亲憎液表面配合、以及纳米-微米-毫米-米级多尺度结构协作等，开发了一种将换热壁面冷凝保持在滴状模式下的多尺度冷凝管，可实现管内冷凝换热性能的显著提升。

本发明的技术方案如下：

基于亲憎液表面配合的多尺度冷凝管，由换热管1和多孔膜管3构成。所述换热管1内壁生长有憎液纳米层2；多孔膜管3的膜管基体4表面生长有亲液纳米层5；膜管基体4不连续，表面遍布通透微米孔6；多孔膜管3同轴心地插入换热管1内，与换热管1间形成毫米级间隙，所述换热管1长度为米级，从而构建起一个纳米-微米-毫米-米级结构有机结合的多尺度冷凝管。

优选地，换热管1单独使用，或者多根管形成管束，集合成套管换热器使用。

优选地，换热管1是光滑管、带扩展受热面的换热管或异型管；其中，带扩展受热面的换热管为翅片管、螺纹管、沟槽管。

优选地，憎液纳米层2和亲液纳米层5通过刻蚀法、化学液相沉积法、溶胶-凝胶法、水热法、分子自组装法制备。

优选地，多孔膜管3为中空筒状结构，轴向上一端封口，另一端开口，且封口端迎着来流方向。

优选地，膜管基体4表面的微米孔6为规则、均匀孔洞或多层、交错缝隙。膜管基体4采用薄壁管激光、微电火花打孔或者采用金属丝编织，形成所述规则、均匀孔洞的微米孔6；膜管基体4采用纤维或粉末烧结形成所述多层、交错缝隙的微米孔6。

换热管1内壁憎液纳米层2促使冷凝液滴向管中心自主弹跳；管中心多孔膜管3通过亲液纳米层5和微米孔6捕获并收集弹跳液滴，从而使滴状冷凝持续进行，显著提升管内冷凝换热性能。