专利名称：超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，属于强化传热及控制技术领域。
背景技术：
自二十世纪三十年代khmidt等发现滴状凝结现象以来，滴状冷凝换热以其高效的换热性能一直备受业界关注。为了得到良好的滴状冷凝换热表面，采用了许多方法，如在换热表面镀上金、银、铑、钯、钼等贵重金属，由于这些金属高昂的价格，这种方法很难在行业推广。在蒸汽中添加有机促进剂，如氟化二硫化碳，也可以实现珠状凝结，这种方法由于对蒸汽和冷凝液造成了污染并会对冷凝表面产生污损和腐蚀，一般只能在特殊情况下应用。二十世纪九十年代以后，业界开始尝试在换热表面镀PTFE、PFA以及ETFE膜等低表面能物质来实现珠状凝结，但由于这些镀层靠物理或者化学吸附作用与表面结合，结合力较弱， 使用寿命较短，一般只有数百小时，在运行环境恶劣的情况下，应用寿命还会缩短，因此，也没有得到工程应用。近些年来，随着纳米技术的发展，纳米超疏水材料制备的日臻成熟，开始尝试将纳米超疏水材料应用到冷凝器的设计和制造中，为此，就超疏水表面的制备、微观传热机理以及传热特性等方面进行了大量卓有成效的工作，并取得了大量的成果。在实现冷凝换热器盘管表面由膜状凝结转变微滴状凝结方面取得了很大的成功。然而，目前的研究表明， 在冷凝情况下，由于蒸汽能够进入到超疏水表面的微观结构中，形成“粘性”很强的文策尔 (Wenzel)水滴，使得超疏水表面上液滴不能快速脱落，换句话说，冷凝条件下超疏水表面并没有形成强超疏水的卡西(Cassie)状态水滴，超疏水表面失效了。因此，目前利用超疏水表面实现的滴状冷凝过程中，冷凝液滴是在增长到一定阈值后在重力作用下自然脱落，由于脱落的液滴尺寸较大时热阻也较大，使得冷凝传热系数，尤其在低冷凝负荷时并不能得到大幅提高。如何在冷凝条件下恢复超疏水表面的强疏水性成为目前提高滴状冷凝传热性能的重要问题。
发明内容针对上述现有技术所存在的缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种使得超疏水表面的冷凝液滴强制脱落并控制冷凝液滴脱落尺寸和脱落频率，进而根据负荷要求控制滴状冷凝传热性能控制装置。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是，一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，其特点是，该装置主要包括计算机、控制模块和实现模块，所述的控制模块包括信号发生/合成器、功率放大器以及反馈控制调节单元；所述的实现模块包括微振动换能器、滴状冷凝换热器以及传热性能检测单元；所述调频、调幅信号发生器与功率放大器连接，功率放大器与微振动换能器相连接，微振动换能器固紧在冷凝器冷凝管道上；所述信号发生/合成器预设定的频率、振幅信号经功率放大器放大后驱动微振动换能器产生与信号发生/合成器产生的相应带宽频率和振幅的机械振动，加载于滴状冷凝换热器，通过传热性能测试单元对冷凝器性能进行测试，将检测得到的信号传输给反馈控制调节单元，传热性能检测单元由流量计以及温度等传感器组成，对冷凝器传热性能进行检测并给出测量结果，并把测量结果反馈信号控制调节系统，信号调节系统对传热性能情况进行判断，同时根据要求调整微振动的频率和振幅，并把新生成信号经信号发生/合成器传输到功率放大器，再进行控制调节驱动微振动换能器的机械振动。所述的超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，其特征在于，所述滴状冷凝换热器表面为微凸结构的超疏水表面，微凸结构型式为微圆柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱。所述的信号发生/合成器生成一定频率范围的正弦波信号，通过计算机逻辑编程可实现单一频率或某一带宽频率正弦信号的输出，并根据传热性能反馈信号对频率进行调节。超疏水表面滴状冷凝传热性能控制原理(1)当蒸汽在冷凝换热器表面冷凝时，由于蒸汽的颗粒尺度和超疏水表面微观几何结构在同一数量级，因此蒸汽颗粒很容易侵入到微观结构内，进而随着冷凝的进行形成液核并不断成长，这种情况下形成的液滴即文策尔(Wenzel)液滴，实验表明具有很强的 “粘”性，即使将超疏水表面倾斜很大角度液滴也不能脱落(Yang-Tse Cheng的研究发现倾斜至73. 7 °液滴才能脱落)，使得冷凝表面的传热热阻加大，传热性能下降。文策尔(Wenzel)状态液滴侵入了粗糙表面微结构内，其接触角与表面粗糙度的关系为 cos θ= r cos θγ ( 1)式中Λ为液滴在固体表面的表观接触角，Γ为表面粗糙度，是指实际的液-固界面真实接触面积和表观(或投影)面积之比Q );终为杨氏接触角。与文策尔(Wenzel)液滴不同，当蒸汽冷凝时如果液核在超微结构柱体顶部生成， 则形成的液滴没有侵入到微观结构内部，此时形成的液滴为卡西(Cassie)状态，粘性极其微弱，表面稍微倾斜液滴即能滚落。卡西(Cassie)状态液滴在表面微结构底部截留了一部分空气，其接触角与表面微结构的关系为COS θ = Jl COS θγ + f.2 COS ^2 (2)式中，力和f为设想为粗糙表面由两种物质组成的复合表面时每种物质所占的表
J 2
面份额；终和钱为液滴在两种物质表面对应的本征接触角，假设这两种不同的表面以极小的片块均勻分布，每一片块的面积都远远小于液滴的表观尺寸，假设在液体铺展过程中两
种表面所占分数/工和保持不变。由于空气对水的接触角为180°，即^ =180°，因此上式可以变为cos 5=1 +/(cos^-1) (3)式中，/为表面微结构在单位面积上所占的比例。在实际中，液滴一般处与文策尔(Wenzel)与卡西(Cassie)共存的状态，即液滴侵入到微结构内的某一位置，但没有侵入到微结构底部，在微结构底部截留了一部分空气，称之为文策尔-卡西(Wenzel-Cassie)状态液滴，和文策尔(Wenzel)状态一样，这种型式的液滴也具有很强的粘性。文策尔(Wenzel) 状态、文策尔-卡西(Wenzel-Cassie)状态以及卡西(Cassie)状态液滴是超微结构表面主要存在三种浸润状态，如
图1所示。本实用新型即涉及一种将文策尔(Wenzel)状态或文策尔-卡西(Wenzel-Cassie)状态快速转变为卡西(Cassie)状态液滴的方法。(2)在微振动作用下，超疏水表面的液滴会产生振动形变，即表现出不同的形变模式，如图2所示。定义形变模数J为施加微振动后的形变液滴和静止时液滴的相交节点数的一半，例如图2所示的液滴在微振动作用下的形变模数即为J =6/2 =3(图2中有6个相交节点)。定义伪波长λ为沿液滴表面两个相邻节点间的平均距离，即
权利要求1.一种超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，其特征在于，该装置主要包括计算机、 控制模块和实现模块，所述的控制模块包括信号发生/合成器、功率放大器以及反馈控制调节单元；所述的实现模块包括微振动换能器、滴状冷凝换热器以及传热性能检测单元； 所述信号发生/合成器与功率放大器连接，功率放大器与微振动换能器相连接，微振动换能器固紧在冷凝器冷凝管道上；所述信号发生/合成器预设定的信号经功率放大器放大后驱动微振动换能器产生与信号发生/合成器产生的电信号大小相应带宽频率和振幅的机械振动，加载于滴状冷凝换热器，通过传热性能测试单元对冷凝器性能进行测试，将检测得到的信号传输给反馈控制调节单元，根据反馈的传热性能信号更新预设定正弦信号的频率及振幅，再对信号发生/合成器和功率放大器进行调节，从而调节微振动换能器的微振动信号频率及振幅；所述传热性能检测单元包括流量计以及温度传感器。
2.根据权利要求1所述的超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，其特征在于，所述滴状冷凝换热器表面为微凸结构的超疏水表面，微凸结构型式为微圆柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱。
3.根据权利要求1所述超疏水表面滴状冷凝传热性能控制装置，其特征在于，所述的信号发生/合成器生成一定频率范围的正弦波信号，通过计算机逻辑编程实现单一频率或某一带宽频率正弦信号的输出，并根据传热性能反馈信号对频率进行调节。
专利摘要本实用新型公开了一种超疏水表面冷凝传热性能控制装置，特点是，将冷凝换热器表面进行改性成为成具有一定微观结构的超疏水表面，用包括计算机、控制模块和实现模块的装置，首先实现滴状冷凝；然后对冷凝换热器主体施加机械带宽微振动迫使某一尺寸或某一尺寸范围冷凝水滴从换热器表面快速脱落。达到控制滴状冷凝传热性能的目的。本实用新型的有益效果是可以实现冷凝传热的强化，同时对换热性能的强弱进行控制。利用对换热表面加载微振动的方式，使得凝结液滴的浸润状态发生转变，液滴易从表面脱落，同时，所加载机械振动为一宽频率振动，可对不同大小凝结液滴产生作用。控制滴状凝结过程中的脱落直径，实现对滴状凝结换热强弱的控制。
文档编号F28F27/00GK202229660SQ201120347478
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者刘海龙, 王兴华, 范学良, 蔡小舒, 贾志海 申请人:上海理工大学