CN113739616B - 一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管及其制造工艺 - Google Patents
一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管及其制造工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，基管的外壁固设烧结层，烧结层由顶端金属多孔层及至少一层亲水金属多孔层组成，亲水金属多孔层相互层叠设置，亲水金属多孔层由若干个亲水金属颗粒组成，亲水金属颗粒的粒径由下往上依次递增，亲水金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜；顶端金属多孔层固定设置亲水金属多孔层的顶端面，顶端金属多孔层由若干个亲水区和若干个疏水区错落布置组成，亲水区和疏水区均由若干个顶端金属颗粒呈孔隙结构排布组成，顶端金属颗粒的粒径大于亲水金属颗粒的粒径，亲水区内的顶端金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜，疏水区内的顶端金属颗粒的外壁包覆疏水性薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及换热管领域，尤其涉及一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管及其制造工艺。
背景技术
随着管壳式换热器在强化传热方向的深入发展，使用高通量换热管的高通量换热器应运而生，益于高通量换热管的使用，相比于采用光滑换热管的传统换热器，高通量换热器有较高的热通量。
高通量换热管一种外表面或内表面具有金属多孔层的换热管，高通量换热管能实现低温差下的高效传热，有利于实现能源的梯级利用，提高能源利用率，减少废热排放。高通量换热管根据金属多孔层的制造工艺分主要分类有烧结型、热喷涂型、机加工型以及电化学腐蚀型。其中，烧结型高通量换热管由于表面多孔换热管性能更好，更能在低过热度下获得高热通量，具有良好的阻垢性能。
烧结型高通量换热管是在换热管内壁或外壁上通过烧结法形成单层或多层金属多孔层，依次来提高换热管的换热效率。通常烧结多孔管的表面换热能力是光滑管3～10倍。换热管内外壁面上的金属多孔层具有较高的毛细抽吸力并且改善了径向热阻，使其在强化传热方面的应用更具优势。
制备烧结多孔层的材料对于烧结多孔管的换热性能有着不小的影响，但烧结多孔层能强化换热管换热能力的根本，在于其孔隙率与毛细抽吸力。通常烧结多孔层采用不规则金属粉末颗粒进行烧结，表面会形成大小不一的孔隙，对于强化传热是有利因素。但不规则颗粒的烧结很难把握孔隙率大小，造成烧结后的金属多孔层的换热性能不尽相同。同时，对于沸腾传热，小颗粒金属粉末烧结出的金属多孔层孔隙多，有利于产生更多的气泡，但孔隙小，液体流动性差，气泡附着力强；大颗粒金属粉末烧结出的金属多孔层孔隙大，液体流动性好，有利于气泡快速脱离，但孔隙少，产生的气泡少。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管及其制造工艺，使用本发明后，能够得到一种同时具备亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，在增加表面传热面积的同时，保证表面气泡快速脱离，加强沸腾传热的能力。
本发明所采用的技术方案如下：
一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，包括光滑的基管，所述基管的外壁固定设置烧结层，所述烧结层由一层顶端金属多孔层及至少一层的亲水金属多孔层层叠组成，所述至少一层亲水金属多孔层相互层叠设置在基管外壁上，每层所述亲水金属多孔层均由若干个形状规则的亲水金属颗粒呈孔隙结构排布组成，各层亲水金属多孔层中的所述亲水金属颗粒材质相同，亲水金属颗粒的粒径随着层数由下往上依次递增，亲水金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜；所述顶端金属多孔层固定设置在最上层亲水金属多孔层的顶端面，所述顶端金属多孔层由若干个亲水区和若干个平面呈规则形状的疏水区错落布置组成，所述亲水区和疏水区均由若干个规则的顶端金属颗粒呈孔隙结构排布组成，所述顶端金属颗粒的粒径大于亲水金属颗粒的粒径，所述亲水区内的顶端金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜，所述疏水区内的顶端金属颗粒的外壁包覆疏水性薄膜。
进一步地，所述亲水金属颗粒、顶端金属颗粒的粒径范围均为44～200μm。
进一步地，每层金属多孔层的厚度为该层亲水金属颗粒粒径的2～3倍，顶端金属多孔层的厚度为顶端金属颗粒的2～3倍。
进一步地，所述烧结层的孔隙率为30%～70%，所述孔隙率是指孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，即孔隙的体积除以（孔隙＋材料）的总体积。
进一步地，所述疏水区的平面呈圆形、矩形、三角形、环向条纹形、纵向条纹形、螺旋线形中的一种。
进一步地，所述亲水金属颗粒和顶端金属颗粒的形状可以是球形、柱状、类球形、树枝状等规则形状。
进一步地，所述亲水金属颗粒和顶端金属颗粒可以是铜粉、铁粉、铝粉等纯金属的颗粒，也可以是不锈钢之类合金的颗粒。
一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，步骤如下：
第一步：将亲水金属混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在光滑的基管外壁上，风干后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为亲水金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十，烧结后形成金属多孔层；
第二步：将顶端金属颗粒混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在金属多孔层的顶端面，然后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十，形成顶端金属多孔层；
第三步：将表面固定设置烧结层的换热管置于90℃～100℃的金属氧化液中氧化10～20分钟，金属氧化液会顺着孔隙一直流到基管的外壁，使得所述亲水金属颗粒和顶端金属颗粒的外壁均包覆亲水性薄膜，形成亲水金属多孔层及顶端金属多孔层的亲水区；
第四步：选择、规划部分亲水区变为规则形状的疏水区，使用疏水化修饰剂对疏水区内的顶端金属颗粒进行浸润处理，浸润20～40分钟后将换热管放入160℃～200℃的环境进行热处理，使得疏水区内的顶端金属颗粒外壁包覆疏水性薄膜；
其中所述亲水金属混合液为亲水金属颗粒与粘结剂按重量比为9～19:1的比例混合而成，所述顶端金属颗粒混合液为顶端金属颗粒与粘结剂按重量比为9～19:1的比例混合而成，所述金属氧化液为次氯酸钠（NaClO2）、氢氧化钠（NaOH）、十二水磷酸钠（Na3PO4~12H2O）和水的混合液，所述粘结剂可以是四苯、二甲苯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚苯烯中的一种，所述疏水化修饰剂为氟硅烷溶剂。
进一步地，如果需要烧结两层以上的金属多孔层，完成第一步后参照第一步重复，将不同粒径的金属混合液依次喷涂或离心涂膜后进行烧结，烧结温度为亲水金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十。
进一步地，第一步中的烧结温度为金属颗粒熔点摄氏温度的三分之二。
进一步地，所述金属氧化液中次氯酸钠（NaClO2）、氢氧化钠（NaOH）、十二水磷酸钠（Na3PO4~12H2O）和水的重量比例为3～4:5:10:80～100。
进一步地，所述粘结剂可以是四苯、二甲苯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚苯烯等有机溶剂或其他高分子材料。
进一步地，所述疏水化修饰剂可以是全氟辛基硅烷或其他氟硅烷溶剂。
进一步地，所述疏水区的形状呈圆形、矩形、三角形、环向条纹形、纵向条纹形、螺旋线形中的一种。
本发明的有益效果如下：
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、烧结层的每一层均采用规则形状的金属颗粒进行烧结，能够更好地控制烧结层的孔隙数与孔隙率大小。
2、梯度多孔结构有结构强度稳定、渗透性好和导热性能好的特点，较好地解决了烧结多孔层孔径与透气能力之间的矛盾。
3、顶端金属多孔层既有亲水区又有疏水区，在控制气泡成核中心的同时，保证换热介质顺利进入烧结层的孔隙内，增大换热面积。
4、至少一层亲水金属多孔层有助于加强换热介质沿着换热管的轴向流动。
综上，使用本发明后，能够得到一种同时具备亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，在增加表面传热面积的同时，保证表面气泡快速脱离，加强沸腾传热的能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图2在A处的放大图。
图3为本发明的俯视图。
图4为本发明的分子结构示意图。
其中：1、基管；2、烧结层；201、第一亲水金属多孔层；2011、第一亲水金属颗粒；202、第二亲水金属多孔层；2021、第二亲水金属颗粒；203、顶端金属多孔层；2031、亲水区；2032、疏水区；2033、亲水区中的顶端金属颗粒；2034、疏水区中的顶端金属颗粒。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1～图4所示的一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，包括光滑的基管1，基管1的外壁固定设置烧结层2，烧结层2由第一亲水金属多孔层201、第二亲水金属多孔层202及顶端金属多孔层203及层叠组成，第一亲水金属多孔层201和第二亲水金属多孔层202由下往上层叠设置在基管1外壁上，第一亲水金属多孔层201由若干个呈规则球形状的第一亲水金属颗粒2011呈孔隙结构排布组成，第二亲水金属多孔层202由若干个呈规则球形状的第二亲水金属颗粒2021呈孔隙结构排布组成，第一亲水金属颗粒2011是粒径为45μm的铁粉颗粒，第二亲水金属颗粒2021是粒径为125μm的铁粉颗粒，第一亲水金属多孔层201的厚度为110μm，第二亲水金属多孔层202的厚度为287μm，第一亲水金属颗粒2011和第二亲水金属颗粒2021的外壁包覆亲水性薄膜；顶端金属多孔层203固定设置在第二亲水金属多孔层202的顶端面，顶端金属多孔层203由若干个亲水区2031和若干个平面呈圆形的疏水区2032错落布置组成，亲水区2031和疏水区2032均由若干个呈规则球形状的顶端金属颗粒呈孔隙结构排布组成，顶端金属颗粒是粒径为200μm的铁粉颗粒，顶端金属多孔层203的厚度为580μm，亲水区中的顶端金属颗粒2033的外壁包覆亲水性薄膜，疏水区中的顶端金属颗粒2034的外壁包覆疏水性薄膜；烧结层2的孔隙率为70%，孔隙率是指孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比，即孔隙的体积除以（孔隙＋材料）的总体积。
一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，步骤如下：
第一步：将第一亲水金属混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在光滑的基管1外壁上，第一亲水金属混合液为第一亲水金属颗粒2011与聚苯乙烯按重量比为10：1的比例混合而成，第一亲水金属颗粒2011是粒径为45μm的铁粉颗粒，风干后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100℃（绝对温度为1273.15K），烧结后形成第一金属多孔层；
第二步：将第二亲水金属混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在第一金属多空层上，第二亲水金属混合液为第二亲水金属颗粒2021与聚苯乙烯按重量比为10：1的比例混合而成，第二亲水金属颗粒2021是粒径为125μm的铁粉颗粒，风干后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为1100℃（绝对温度为1273.15K），烧结后形成第二金属多孔层；
第三步：将顶端金属颗粒混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在第二金属多孔层的顶端面，顶端金属颗粒混合液为顶端金属颗粒与聚苯乙烯按重量比为10：1的比例混合而成，顶端金属颗粒是粒径为200μm的铁粉颗粒，然后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十，形成顶端金属多孔层203；
第四步：将表面固定设置烧结层2的换热管置于96℃的金属氧化液中氧化15分钟，金属氧化液为次氯酸钠（NaClO2）、氢氧化钠（NaOH）、十二水磷酸钠（Na3PO4·12H2O）和水按重量比例为3.7：5：10：100的比例混合的混合液，金属氧化液会顺着孔隙一直流到基管1的外壁，使得第一亲水金属颗粒2011、第二亲水金属颗粒2021和顶端金属颗粒的外壁均包覆亲水性薄膜，形成第一亲水金属多孔层201、第二亲水金属多孔层202及顶端金属多孔层203的亲水区2031；
第五步：选择、规划部分亲水区2031变为圆形的疏水区2032，使用全氟辛基硅烷作为疏水化修饰剂对疏水区2032内的顶端金属颗粒进行浸润处理，浸润30分钟后将换热管放入180℃的环境进行热处理，使得疏水区2032内的顶端金属颗粒外壁包覆疏水性薄膜。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (5)
1.一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管，包括光滑的基管(1)，其特点在于：所述基管(1)的外壁固定设置烧结层(2)，所述烧结层(2)由一层顶端金属多孔层(203)及两层的亲水金属多孔层组成，两层所述亲水金属多孔层相互层叠设置在基管(1)外壁上，每层所述亲水金属多孔层均由若干个形状规则的亲水金属颗粒呈孔隙结构排布组成，各层亲水金属多孔层中的所述亲水金属颗粒材质相同，亲水金属颗粒粒径范围均为44～200μm，亲水金属颗粒的粒径随着层数由下往上依次递增，亲水金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜；所述顶端金属多孔层(203)固定设置在最上层亲水金属多孔层的顶端面，所述顶端金属多孔层(203)由若干个亲水区(2031)和若干个平面呈规则形状的疏水区(2032)错落布置组成，所述亲水区(2031)和疏水区(2032)均由若干个规则的顶端金属颗粒呈孔隙结构排布组成，所述顶端金属颗粒的粒径大于亲水金属颗粒的粒径，顶端金属颗粒的粒径范围均为44～200μm，所述亲水区(2031)内的顶端金属颗粒的外壁包覆亲水性薄膜，所述疏水区(2032)内的顶端金属颗粒的外壁包覆疏水性薄膜；所述烧结层(2)的孔隙率为30％～70％；每层金属多孔层的厚度为该层亲水金属颗粒粒径的2～3倍，顶端金属多孔层(203)的厚度为顶端金属颗粒的2～3倍；疏水区(2032)的平面呈圆形、矩形、三角形、环向条纹形、纵向条纹形、螺旋线形中的一种；亲水金属颗粒和顶端金属颗粒的形状是球形、柱状、树枝状中的一种；所述亲水金属颗粒和顶端金属颗粒的材质是铜、铁、铝或不锈钢中的一种；
第一亲水金属多孔层(201)的厚度为110μm，第二亲水金属多孔层(202)的厚度为287 μm，顶端金属多孔层(203)的厚度为580μm，第一亲水金属多孔层(201)和第二亲水金属多孔层(202)由下往上层叠设置在基管(1)外壁上。
2.一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，步骤如下：第一步：将亲水金属混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在光滑的基管(1)外壁上，风干后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为亲水金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十，烧结后形成金属多孔层；
第二步：将顶端金属颗粒混合液通过喷涂或离心涂膜的方式均匀覆盖在金属多孔层的顶端面，然后放入烧结炉中进行烧结，烧结温度为金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十，形成顶端金属多孔层(203)；
第三步：将表面固定设置烧结层(2)的换热管置于90℃～100℃的金属氧化液中氧化10～20分钟，金属氧化液会顺着孔隙一直流到基管(1)的外壁，使得所述亲水金属颗粒和亲水顶端金属颗粒的外壁均包覆亲水性薄膜，形成亲水金属多孔层及顶端金属多孔层(203)的亲水区(2031)；
第四步：选择、规划部分亲水区(2031)变为规则形状的疏水区(2032)，使用疏水化修饰剂对疏水区(2032)内的顶端金属颗粒进行浸润处理，浸润20～40分钟后将换热管放入160℃～200℃的环境进行热处理，使得疏水区(2032)内的顶端金属颗粒外壁包覆疏水性薄膜；
其中所述亲水金属混合液为亲水金属颗粒与粘结剂按重量比为9～19：1的比例混合而成，所述顶端金属颗粒混合液为顶端金属颗粒与粘结剂按重量比为9～19：1的比例混合而成，所述金属氧化液为次氯酸钠、氢氧化钠、十二水磷酸钠和水的混合液。
3.根据权利要求2所述的一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，其特征在于：如果需要烧结两层以上的金属多孔层，完成第一步后参照第一步重复，将不同粒径的金属混合液依次喷涂或离心涂膜后进行烧结，烧结温度为亲水金属颗粒熔点绝对温度的百分之七十至百分之八十。
4.根据权利要求2所述的一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，其特征在于：第一步中的烧结温度为金属颗粒熔点摄氏温度的三分之二。
5.根据权利要求2所述的一种兼具亲水性和疏水性的梯度多孔结构换热管的制造工艺，其特征在于：所述金属氧化液中次氯酸钠、氢氧化钠、十二水磷酸钠和水的重量比例为3～4：5：10：80～100。
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