一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法

摘要

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。

权利要求

1.一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管的制作方法，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；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，其特征在于：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；

步骤二，采用吹胀成型配合波纹状模具或者直接对光滑圆管进行机械加工的方法，制作外管为正弦波形状波纹管的冷凝管，其中正弦波的波长为λ*；

步骤三，将波纹管波峰所在曲面遮蔽，然后对波谷所在曲面进行疏水性修饰，得到亲疏水间隔的波纹管；

对波谷所在曲面进行疏水性修饰的具体步骤如下：

步骤3.1，采用官能化硅烷对波谷所在曲面的表面进行化学改性；

步骤3.2，采用化学接枝法将疏水基团与改性后的表面反应，得到呈疏水性的表面。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：化学改性采用官能化硅烷对波谷所在曲面进行修饰。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

说明书

一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管及制作方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 但上述肋管存在以下缺陷：

[0007] 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。

[0008] 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

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 进一步，官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

[0014] 进一步，所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

[0015] 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：

[0016] 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；

[0017] 步骤二，采用吹胀成型配合波纹状模具或者直接对光滑圆管进行机械加工的方法，制作外管为正弦波形状波纹管的冷凝管，其中正弦波的波长为λ*；

[0018] 步骤三，将波纹管波峰所在曲面遮蔽，然后对波谷所在曲面进行疏水性修饰，得到亲疏水间隔的波纹管。

[0019] 进一步，对波谷所在曲面进行疏水性修饰的具体步骤如下：

[0020] 步骤3.1，采用官能化硅烷对波谷所在曲面的表面进行化学改性；

[0021] 步骤3.2，采用化学接枝法将疏水基团与改性后的表面反应，得到呈输水性的表面。

[0022] 进一步，官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

[0023] 进一步，所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

[0024] 本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管，其管壁厚度依照普拉托-瑞利临界不稳定波长呈周期起伏，使管外附着液膜在不稳定性作用下于波峰处局部聚拢，形成液滴，导致波谷处液膜减薄，强化换热效果；波谷处的疏水改性该区域的凝结过程为珠状凝结，换热能力强于膜状凝结。并由于圆管表面润湿性呈亲疏水间隔分布，液滴凝结后倾向于离开疏水区域，确保该区域始终处于液滴较少的状态，保持较高凝结换热系数。另外，本发明提供的制作方法，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。

附图说明

[0025] 图1本发明之冷凝管结构示意图；

[0026] 图2本发明之冷凝管的管外凝结过程示意图；

[0027] 图3本发明之对波谷所在曲面进行疏水性修饰的流程示意图。

[0028] 其中：1内管；2外管；3亲水区；4疏水区；5凝结液体。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0030] 下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

[0031] 如图1所示，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1为光滑圆管、外管2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3，所述波纹管的波谷所在曲面为疏水区4。

[0032] 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；其中，化学改性采用官能化硅烷对波谷所在曲面进行修饰，官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷；所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

[0033] 将本发明亲疏水间隔的波纹管安装于凝结换热装置之中，管内通冷却水。水蒸气将在管外表面发生凝结，热量以凝结潜热的方式被释放于冷凝管表面，并最终被管内冷却水带走，水蒸气在管外凝结过程如图2所示。在同一冷却水供应量情况下，对比常规光滑冷凝管，如铜、不锈钢等，采用亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管可带走更多热量[0034] 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：

[0035] 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；

[0036] 步骤二，采用吹胀成型配合波纹状模具或者直接对光滑圆管进行机械加工的方法，制作外管为正弦波形状波纹管的冷凝管，其中正弦波的波长为λ*；

[0037] 步骤三，将波纹管波峰所在曲面遮蔽，然后对波谷所在曲面进行疏水性修饰，得到亲疏水间隔的波纹管，具体步骤如图3所示，其中，基地为波谷所在曲面：

[0038] 步骤3.1，采用官能化硅烷对波谷所在曲面的表面进行化学改性，其中，官能化硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷。

[0039] 步骤3.2，采用化学接枝法将疏水基团与改性后的表面反应，得到呈输水性的表面，其中，所述疏水基团为聚二甲基硅氧烷。

[0040] 以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。