[发明专利]一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法

说明书

本发明提供一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管，包括冷凝管本体，所述冷凝管本体的内管为光滑圆管、外管为正弦波形状的波纹管，所述波纹管的波峰所在曲面为亲水区，所述波纹管的波谷所在曲面为疏水区。另外，本发明还提供一种制作上述冷凝管的方法，该方法疏水修饰技术加工便捷，可适用于不锈钢、铜、铝、石英、玻璃等多种材质表面。

技术领域

本发明涉及一种增强凝结换热的设备，具体涉及一种基于普拉托-瑞利不稳定性和疏水改性技术对冷凝管表面形貌和亲疏水行进行选择性改造来增强凝结换热的技术。

背景技术

在气液界面不稳定性的作用下，圆管表面的液膜局部聚拢，形成液滴，该现象被称为普拉托-瑞利不稳定性，这是一种由表面张力引起的、可对圆管表面薄液膜形态产生影响的不稳定作用。普拉托-瑞利临界不稳定波长只与圆管直径与初始液膜厚度之和成正比。由于来自环境的随机扰动的影响，凝结表面总是会形成不稳定波。普拉托-瑞利不稳定性引发的液膜局部聚拢可使冷凝管表面出现薄厚不一的液膜分布，其中部分区域因液膜减薄而带来凝结换热的增强，其原理与肋管强化换热类似。

疏水或超疏水表面，是一种与水互斥的表面性质。因为表面张力的作用，水在疏水表面上倾向于形成液滴，而非铺散并浸润表面。水蒸气在疏水表面凝结形成液滴，被称为珠状凝结，而在亲水表面凝结形成液膜，被称为膜状凝结。在亲疏水间隔的表面上，凝结液体倾向于从疏水区域向亲水区域流动。

现有文献对普拉托-瑞利不稳定性的研究主要集中在液膜分布规律相关的传质研究上，鲜有在不均匀、不稳定液膜形态的基础上进行凝结换热效果影响的研究，亦无对冷凝表面进行结构和化学改性，使之与不稳定波长匹配并进一步强化换热效果的应用。

目前利用表面张力的作用强化管束换热的方案主要为肋管(又称螺纹管)。该技术通过将管外肋化，有效增大换热面积，并利于表面张力在肋片局部形薄液膜，显著强化换热。20世纪40年代中叶以来，2D肋管在制冷行业迅速推广，70年代以来，肋管技术得到进一步发展，3D肋管得到了推广应用，同时2D肋管表面结构优化得到了长足的发展。

但上述肋管存在以下缺陷：

1、现有的强化管束外冷凝的技术手段主要为肋管，其在工业领域已获得广泛应用。但肋管因密集肋片结构造成的管底凝液滞留，形成淹没区，导致局部换热能力变差，有效换热面积减小。同时肋管因表面结构细小，密集复杂，加工过程较复杂，成本较高。

2、目前的研究仅致力于理解普拉托-瑞利不稳定性对液膜生长、迁移、下落、破碎过程的影响，尚无利用此不稳定性对冷凝管束表面进行改性从而强化凝结换热能力的技术方案，亦无进一步结合亲疏水性来维持薄液膜区强化换热效果的技术方案。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法，该冷凝管具有亲疏水间隔的曲面。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管，包括冷凝管本体，所述冷凝管本体的内管为光滑圆管、外管为正弦波形状的波纹管，所述波纹管的波峰所在曲面为亲水区，所述波纹管的波谷所在曲面为疏水区。

进一步，所述疏水区是先通过对波谷所在曲面进行化学改性，然后再采用化学接枝法将疏水基团与改性后的曲面进行反应获得。

进一步，化学改性采用官能化硅烷对波谷所在曲面进行修饰。

进一步，官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

进一步，所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

本发明还提供了上述基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，根据圆管尺寸和液膜厚度，计算普拉托-瑞利不稳定性的临界不稳定波长λ^*：其中，r为圆管半径，h₀为平均液膜厚度；