超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置的製作方法

2023-04-28 12:55:51

專利名稱：超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，屬於強化傳熱及控制技術領域。
背景技術：
自二十世紀三十年代khmidt等發現滴狀凝結現象以來，滴狀冷凝換熱以其高效的換熱性能一直備受業界關注。為了得到良好的滴狀冷凝換熱表面，採用了許多方法，如在換熱表面鍍上金、銀、銠、鈀、鉬等貴重金屬，由於這些金屬高昂的價格，這種方法很難在行業推廣。在蒸汽中添加有機促進劑，如氟化二硫化碳，也可以實現珠狀凝結，這種方法由於對蒸汽和冷凝液造成了汙染並會對冷凝表面產生汙損和腐蝕，一般只能在特殊情況下應用。二十世紀九十年代以後，業界開始嘗試在換熱表面鍍PTFE、PFA以及ETFE膜等低表面能物質來實現珠狀凝結，但由於這些鍍層靠物理或者化學吸附作用與表面結合，結合力較弱， 使用壽命較短，一般只有數百小時，在運行環境惡劣的情況下，應用壽命還會縮短，因此，也沒有得到工程應用。近些年來，隨著納米技術的發展，納米超疏水材料製備的日臻成熟，開始嘗試將納米超疏水材料應用到冷凝器的設計和製造中，為此，就超疏水表面的製備、微觀傳熱機理以及傳熱特性等方面進行了大量卓有成效的工作，並取得了大量的成果。在實現冷凝換熱器盤管表面由膜狀凝結轉變微滴狀凝結方面取得了很大的成功。然而，目前的研究表明， 在冷凝情況下，由於蒸汽能夠進入到超疏水表面的微觀結構中，形成「粘性」很強的文策爾 (Wenzel)水滴，使得超疏水表面上液滴不能快速脫落，換句話說，冷凝條件下超疏水表面並沒有形成強超疏水的卡西(Cassie)狀態水滴，超疏水表面失效了。因此，目前利用超疏水表面實現的滴狀冷凝過程中，冷凝液滴是在增長到一定閾值後在重力作用下自然脫落，由於脫落的液滴尺寸較大時熱阻也較大，使得冷凝傳熱係數，尤其在低冷凝負荷時並不能得到大幅提高。如何在冷凝條件下恢復超疏水表面的強疏水性成為目前提高滴狀冷凝傳熱性能的重要問題。
發明內容針對上述現有技術所存在的缺陷，本實用新型的目的在於，提供一種使得超疏水表面的冷凝液滴強制脫落並控制冷凝液滴脫落尺寸和脫落頻率，進而根據負荷要求控制滴狀冷凝傳熱性能控制裝置。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是，一種超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，其特點是，該裝置主要包括計算機、控制模塊和實現模塊，所述的控制模塊包括信號發生/合成器、功率放大器以及反饋控制調節單元；所述的實現模塊包括微振動換能器、滴狀冷凝換熱器以及傳熱性能檢測單元；所述調頻、調幅信號發生器與功率放大器連接，功率放大器與微振動換能器相連接，微振動換能器固緊在冷凝器冷凝管道上；所述信號發生/合成器預設定的頻率、振幅信號經功率放大器放大後驅動微振動換能器產生與信號發生/合成器產生的相應帶寬頻率和振幅的機械振動，加載於滴狀冷凝換熱器，通過傳熱性能測試單元對冷凝器性能進行測試，將檢測得到的信號傳輸給反饋控制調節單元，傳熱性能檢測單元由流量計以及溫度等傳感器組成，對冷凝器傳熱性能進行檢測並給出測量結果，並把測量結果反饋信號控制調節系統，信號調節系統對傳熱性能情況進行判斷，同時根據要求調整微振動的頻率和振幅，並把新生成信號經信號發生/合成器傳輸到功率放大器，再進行控制調節驅動微振動換能器的機械振動。所述的超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，其特徵在於，所述滴狀冷凝換熱器表面為微凸結構的超疏水表面，微凸結構型式為微圓柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱。所述的信號發生/合成器生成一定頻率範圍的正弦波信號，通過計算機邏輯編程可實現單一頻率或某一帶寬頻率正弦信號的輸出，並根據傳熱性能反饋信號對頻率進行調節。超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制原理(1)當蒸汽在冷凝換熱器表面冷凝時，由於蒸汽的顆粒尺度和超疏水表面微觀幾何結構在同一數量級，因此蒸汽顆粒很容易侵入到微觀結構內，進而隨著冷凝的進行形成液核並不斷成長，這種情況下形成的液滴即文策爾(Wenzel)液滴，實驗表明具有很強的 「粘」性，即使將超疏水表面傾斜很大角度液滴也不能脫落(Yang-Tse Cheng的研究發現傾斜至73. 7 °液滴才能脫落)，使得冷凝表面的傳熱熱阻加大，傳熱性能下降。文策爾(Wenzel)狀態液滴侵入了粗糙表面微結構內，其接觸角與表面粗糙度的關係為 cos θ= r cos θγ ( 1)式中Λ為液滴在固體表面的表觀接觸角，Γ為表面粗糙度，是指實際的液-固界面真實接觸面積和表觀(或投影)面積之比Q );終為楊氏接觸角。與文策爾(Wenzel)液滴不同，當蒸汽冷凝時如果液核在超微結構柱體頂部生成， 則形成的液滴沒有侵入到微觀結構內部，此時形成的液滴為卡西(Cassie)狀態，粘性極其微弱，表面稍微傾斜液滴即能滾落。卡西(Cassie)狀態液滴在表面微結構底部截留了一部分空氣，其接觸角與表面微結構的關係為COS θ = Jl COS θγ + f.2 COS ^2 (2)式中，力和f為設想為粗糙表面由兩種物質組成的複合表面時每種物質所佔的表
J 2
面份額；終和錢為液滴在兩種物質表面對應的本徵接觸角，假設這兩種不同的表面以極小的片塊均勻分布，每一片塊的面積都遠遠小於液滴的表觀尺寸，假設在液體鋪展過程中兩
種表面所佔分數/工和保持不變。由於空氣對水的接觸角為180°，即^ =180°，因此上式可以變為cos 5=1 +/(cos^-1) (3)式中，/為表面微結構在單位面積上所佔的比例。在實際中，液滴一般處與文策爾(Wenzel)與卡西(Cassie)共存的狀態，即液滴侵入到微結構內的某一位置，但沒有侵入到微結構底部，在微結構底部截留了一部分空氣，稱之為文策爾-卡西(Wenzel-Cassie)狀態液滴，和文策爾(Wenzel)狀態一樣，這種型式的液滴也具有很強的粘性。文策爾(Wenzel) 狀態、文策爾-卡西(Wenzel-Cassie)狀態以及卡西(Cassie)狀態液滴是超微結構表面主要存在三種浸潤狀態，如


圖1所示。本實用新型即涉及一種將文策爾(Wenzel)狀態或文策爾-卡西(Wenzel-Cassie)狀態快速轉變為卡西(Cassie)狀態液滴的方法。(2)在微振動作用下，超疏水表面的液滴會產生振動形變，即表現出不同的形變模式，如圖2所示。定義形變模數J為施加微振動後的形變液滴和靜止時液滴的相交節點數的一半，例如圖2所示的液滴在微振動作用下的形變模數即為J =6/2 =3(圖2中有6個相交節點)。定義偽波長λ為沿液滴表面兩個相鄰節點間的平均距離，即
權利要求1.一種超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，其特徵在於，該裝置主要包括計算機、 控制模塊和實現模塊，所述的控制模塊包括信號發生/合成器、功率放大器以及反饋控制調節單元；所述的實現模塊包括微振動換能器、滴狀冷凝換熱器以及傳熱性能檢測單元； 所述信號發生/合成器與功率放大器連接，功率放大器與微振動換能器相連接，微振動換能器固緊在冷凝器冷凝管道上；所述信號發生/合成器預設定的信號經功率放大器放大後驅動微振動換能器產生與信號發生/合成器產生的電信號大小相應帶寬頻率和振幅的機械振動，加載於滴狀冷凝換熱器，通過傳熱性能測試單元對冷凝器性能進行測試，將檢測得到的信號傳輸給反饋控制調節單元，根據反饋的傳熱性能信號更新預設定正弦信號的頻率及振幅，再對信號發生/合成器和功率放大器進行調節，從而調節微振動換能器的微振動信號頻率及振幅；所述傳熱性能檢測單元包括流量計以及溫度傳感器。
2.根據權利要求1所述的超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，其特徵在於，所述滴狀冷凝換熱器表面為微凸結構的超疏水表面，微凸結構型式為微圓柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱。
3.根據權利要求1所述超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制裝置，其特徵在於，所述的信號發生/合成器生成一定頻率範圍的正弦波信號，通過計算機邏輯編程實現單一頻率或某一帶寬頻率正弦信號的輸出，並根據傳熱性能反饋信號對頻率進行調節。
專利摘要本實用新型公開了一種超疏水表面冷凝傳熱性能控制裝置，特點是，將冷凝換熱器表面進行改性成為成具有一定微觀結構的超疏水表面，用包括計算機、控制模塊和實現模塊的裝置，首先實現滴狀冷凝；然後對冷凝換熱器主體施加機械帶寬微振動迫使某一尺寸或某一尺寸範圍冷凝水滴從換熱器表面快速脫落。達到控制滴狀冷凝傳熱性能的目的。本實用新型的有益效果是可以實現冷凝傳熱的強化，同時對換熱性能的強弱進行控制。利用對換熱表面加載微振動的方式，使得凝結液滴的浸潤狀態發生轉變，液滴易從表面脫落，同時，所加載機械振動為一寬頻率振動，可對不同大小凝結液滴產生作用。控制滴狀凝結過程中的脫落直徑，實現對滴狀凝結換熱強弱的控制。
文檔編號F28F27/00GK202229660SQ201120347478
公開日2012年5月23日 申請日期2011年9月16日 優先權日2011年9月16日
發明者劉海龍, 王興華, 範學良, 蔡小舒, 賈志海 申請人:上海理工大學