一種仿生結構煙氣冷凝式傳熱管的製作方法

2023-05-23 08:45:01 1

專利名稱：一種仿生結構煙氣冷凝式傳熱管的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種廣泛應用於能源、化工、冶金、電力等多個工業領域中實現煙氣餘熱深度利用與水資源回收的冷凝式傳熱管，具體涉及一種仿生結構煙氣冷凝式傳熱管。
背景技術：
電站鍋爐和工業鍋爐是兩大耗能設備，其設計排煙溫度均高於100°C，實際運行中排煙溫度高於設計值5 10°C，使鍋爐效率進一步降低。煙氣餘熱包含顯熱和潛熱兩部分，以燃煤和燃氣鍋爐為例，燃煤鍋爐煙氣中水蒸氣體積份額約為8%，攜帶熱量佔30%左右；燃氣鍋爐煙氣中水蒸氣體積份額高達20%，攜帶熱量佔65%左右。由此可見，工業煙氣餘熱資源量大，涉及領域範圍廣，充分回收煙氣中的顯熱和潛熱，能夠降低排煙溫度，並且將煙氣中水蒸氣可資源化利用，對提高化石能源綜合利用效率和促進工業節能具有重要意義。煙氣餘熱作為低品位能源的一種，在能源和環境問題日益突出的今天，得到各行各業的高度重視，相變傳熱是實現這種低溫差傳熱的有效手段。將煙氣溫度降低到酸露點溫度以下，實現煙氣中餘熱和水蒸氣冷凝回收，將節約大量能源和寶貴水資源；同時，水蒸氣冷凝過程中可吸收煙氣中的SOx和NOx等有害氣體，減輕對環境的汙染。總之，煙氣餘熱回收利用具有節能、節水、減少(X)2及其它有害氣體排放等多重功效，是化石能源綠色利用的前沿領域。相對於膜狀冷凝，珠狀冷凝是一種更高效的傳熱方式，其冷凝傳熱係數比膜狀冷凝要提高1 2個數量級，如果能夠在工業應用中實現該過程，將會大幅度降低傳熱面積， 從而既能獲得節能效果，又能降低設備成本，有著顯著的經濟和環境效益。但是，珠狀冷凝在很大程度上依賴於傳熱管壁面的表麵條件，在工業上它是一種不穩定的現象。

發明內容
本發明的目的是提供一種高效回收工業煙氣餘熱和水資源的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，本發明不僅能夠深度強化煙氣中水蒸氣的冷凝傳熱特性，還能夠在一定程度上防止低溫腐蝕的發生。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是包括傳熱管基管以及設置在傳熱管基管外表面的超疏水基底層，在所述的超疏水基底層表面設置有親水性凸起，超疏水基底層和其表面的親水性凸起構成了仿生結構表面。所述的親水性凸起為球形、橢球形、四面體、六面體、柱狀或銷釘狀結構，以隨機無序或等間距地分布在超疏水性基底層上，且相鄰親水性凸起的間距為0. 5 50mm，其中等間距排列分為順排和叉排兩種結構。所述的親水性凸起以肋狀結構等間距地排列在超疏水性基底上，且相鄰肋狀親水性凸起的間距為0.5 50mm，肋狀親水性凸起與傳熱管基管的管軸夾角β為0 90°。所述的肋狀親水性凸起頂部開設均勻排列的凹槽，此凹槽將肋狀親水性凸起分隔為親水性母凸起和親水性子凸起。所述的凹槽的長度相等均為0. 1 30mm，親水性子凸起與親水性母凸起的高度比 0. 1 1。所述的親水性凸起的高度L與傳熱管基管當量外徑的比值為0. 01 0. 5。所述的傳熱管基管的管型為圓管、橢圓管、矩形通道、圓角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。所述的傳熱管基管的材料為銅、碳鋼、不鏽鋼、鋁或納米多孔結構陶瓷。所述的傳熱管基管當量外徑為4 300mm。所述的傳熱管基管當量內徑為3 300mm。本發明採用親水性和超疏水性區域有機結合的仿生結構表面。當煙氣流經該傳熱管表面時，水蒸氣的冷凝不僅僅是由於溫差驅動而發生冷凝，仿生結構表面的「活性勢」和煙氣與壁面的溫差共同構成水蒸氣冷凝過程的驅動力；同時，親水性凸起周圍的超疏水性表面結構也有助於小水珠的聚和長大。該優點將大幅度強化珠狀冷凝的傳熱特性，同時，超疏水性基底表面具有滾動阻力小的表面特性，有利於水珠滾動，在一定煙氣流速條件下，大水珠更容易從傳熱管表面脫落，能夠有效地限制水珠在傳熱管表面的滯留時間。因此，煙氣中的酸蒸氣溶於水後形成的酸液，能夠及時排走，一定程度上防止了低溫腐蝕的發生，保證了受熱面的安全可靠性。由於本發明的上述優點，更適用於工業領域中小溫差傳熱場合應用。


圖Ia為親水性表面潤溼性示意圖，圖Ib為超疏水性表面潤溼性示意圖；圖2為單個親水性凸起無規則性分布的仿生結構表面示意圖；圖3為肋狀親水性凸起的仿生結構表面示意圖；圖4為肋狀親水性凸起上開設凹槽的仿生結構表面示意圖；圖5為仿生結構煙氣冷凝式傳熱管的冷凝過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明是在常規煙氣冷凝式傳熱管表面製備親水性凸起1分布在超疏水基底2上的仿生結構表面。通過表面改性措施，把表面接觸角θ小於90°的表面稱為 「親水性表面」;把表面接觸角θ非常大的表面(通常大於150° )稱為「超疏水表面」。當水珠潤溼親水性表面時，固液接觸面積較大，呈現出的狀態如圖1(a)所示。對於超疏水固體表面來說，其潤溼性如圖1(b)所示，表面不平有微小疏水性凸起，凹槽中充滿空氣，水與固體的接觸面積會大大減小，水珠在其表面上滾動阻力較小。參見圖2，3，4，本發明包括傳熱管基管3以及設置在傳熱管基管3外表面的超疏水基底層2，在所述的超疏水基底層2表面設置有親水性凸起1，超疏水基底層2和其表面的親水性凸起1構成了一體化結構的仿生結構表面，親水性凸起1的高度L與傳熱管基管 3當量外徑的比值為0. 01 0. 5。傳熱管基管3外表面的親水性和超疏水性區域，將親水性區域和超疏水性區域有機結合，按照表面結構不同，可以將其分為以下幾類
第一類，親水性凸起1隨機無序地分布在超疏水性基底2上(見圖2)；第二類，親水性凸起1等間距地分布在超疏水性基底2上，其中等間距排列分為順排和叉排兩種結構，所述的順排結構每四個親水性凸起構成一個正方形，所述叉排結構每三個親水性凸起構成一個等邊三角形；第一、二類的親水性凸起均上以單個的形式設置在超疏水性基底層2上的，其形狀為球形、橢球形、四面體、六面體、柱狀或銷釘狀結構，相鄰親水性凸起的間距為0. 5 50mm ；第三類，親水性凸起1以肋狀結構等間距地排列在超疏水性基底層2上(見圖3)；第四類，肋狀親水性凸起1頂部開設均勻排列的凹槽lc，此凹槽Ic將肋狀親水性凸起1分隔為親水性母凸起Ia和親水性子凸起lb，且凹槽Ic的長度相等均為0. 1 30mm， 其中親水性子凸起Ib的高度是自凹槽Ic以上的高度，親水性子凸起Ib與親水性母凸起Ia 的高度比0. 1 1 (見圖4)，由於親水性子凸起Ib之間存在均勻凹槽lc，所以凸起上液膜邊界層被斷開，使凝結液膜受到四周的拉薄作用而使液膜厚度減小；第三、四類相鄰肋狀親水性凸起的間距為0. 5 50mm，肋狀親水性凸起1與傳熱管基管的管軸夾角β為0 90°。如圖5所示，工業煙氣流經仿生結構煙氣冷凝式傳熱管表面，壁面溫度低於露點溫度時，煙氣中的水蒸氣在溫差和親水性凸起1的表面活性勢驅動下發生冷凝。將煙氣中水蒸氣的整個冷凝過程分作吸附、聚合長大和脫落三個環節在吸附環節，靠近壁面附近的煙氣溫度降低到露點溫度以下，煙氣中的水蒸氣凝結成液態，在親水性凸起1上吸著，隨著這一過程的進行，親水性凸起1上逐漸聚合出一層薄薄的水膜，同時，水膜的表面張力和靜電引力將進一步吸著煙氣中的水蒸氣。當水膜展布至親水性凸起1與超疏水性基底2結合處時，則會因基底的超疏水性而被彈起，隨後水膜則會在厚度方向增加，並漸漸形成小水珠。由於親水性凸起1的尺寸及排布方式，部分小水珠將被彈回凸起上，加速水珠的形成； 在聚合長大環節，親水性凸起1上直徑較小的小水珠不能夠脫落，與鄰近小水珠的接觸而並發生聚合，之後繼續長大；最終，水珠達到一定尺寸，逐漸滾動至周圍的超疏水性基底2 上，最終從傳熱管表面脫落。因此，該發明充分結合了親水性和疏水性結構的特點，能夠有效地強化水蒸氣冷凝環節，達到回收煙氣中餘熱和水資源的目的。另外，超疏水性基底2具有滾動阻力小的特點，有利用水珠滾動，在一定煙氣流速條件下，水珠的脫落速率加快，不僅能夠進一步強化冷凝效果，還能夠限制水珠在表面上的停留時間，及時排走煙氣中的酸蒸氣溶於水後形成的酸液，一定程度上防止低溫腐蝕的發生。
權利要求
1.一種仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於包括傳熱管基管(3)以及設置在傳熱管基管( 外表面的超疏水基底層O)，在所述的超疏水基底層( 表面設置有親水性凸起(1)，超疏水基底層(2)和其表面的親水性凸起(1)構成了仿生結構表面。
2.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的親水性凸起(1)為球形、橢球形、四面體、六面體、柱狀或銷釘狀結構，以隨機無序或等間距地排列在超疏水性基底層( 上，且相鄰親水性凸起的間距為0. 5 50mm，其中等間距排列分為順排和叉排兩種結構。
3.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的親水性凸起(1)以肋狀結構等間距地排列在超疏水性基底層( 上，且相鄰肋狀親水性凸起的間距為0. 5 50mm，肋狀親水性凸起(1)與傳熱管基管的管軸夾角β為0 90°。
4.根據權利要求3所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的肋狀親水性凸起⑴頂部開設均勻排列的凹槽(Ic)，此凹槽(Ic)將肋狀親水性凸起⑴分隔為親水性母凸起(Ia)和親水性子凸起(Ib)0
5.根據權利要求3所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的凹槽(Ic) 的長度相等均為0. 1 30mm，親水性子凸起(Ib)與親水性母凸起(Ia)的高度比0. 1 1。
6.根據權利要求1-5中任意一項仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的親水性凸起(1)的高度L與傳熱管基管(3)當量外徑的比值為0. 01 0. 5。
7.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的傳熱管基管(3)的管型為圓管、橢圓管、矩形通道、圓角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。
8.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的傳熱管基管(3)的材料為銅、碳鋼、不鏽鋼、鋁或納米多孔結構陶瓷。
9.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的傳熱管基管(3)當量外徑為4 300mm。
10.根據權利要求1所述的仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，其特徵在於所述的傳熱管基管⑶當量內徑為3 300mm。
全文摘要
一種仿生結構煙氣冷凝式傳熱管，將常規煙氣冷凝式傳熱管表面製備成超疏水基底上分布親水性凸起的仿生結構表面。煙氣流經該傳熱管，煙氣中的水蒸氣在該仿生結構表面經歷吸附、聚合長大和脫落三個環節的冷凝過程。該仿生結構煙氣冷凝式傳熱管能夠深度強化煙氣中水蒸氣的冷凝環節，並且在傳熱管表面能夠穩定地形成珠狀冷凝。本發明能夠高效地回收工業煙氣中的餘熱和水資源，提高能源利用效率，並且能夠一定程度上防止低溫腐蝕的發生。本發明更適用於工業領域中小溫差傳熱場合應用。
文檔編號F28F1/36GK102538542SQ20111045598
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者何雅玲, 唐桂華, 王禹晨, 胡浩威 申請人:西安交通大學