一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管的制作方法

本发明涉及一种广泛应用于能源、电子、制冷等领域的高效冷凝换热管，具体涉及的是一种为提高冷凝换热效率而设计的基于仿生结构的高性能冷凝换热管。

背景技术：

蒸气冷凝传热过程广泛存在于能源、化工、制冷等工业领域中，蒸气冷凝能产生大量潜热，因此潜热的回收对于节能减排十分重要。在制冷行业中，采用冷凝效率更高的冷凝器可以缩小冷凝器面积，节省材料。另外，当蒸气中存在不凝性气体时，会在液膜或液滴与混合气体之间形成一层气膜，使得蒸气与气液界面或冷凝器壁面之间增加了传质阻力，严重削弱了冷凝换热性能。综上所述，提高冷凝效率，高效回收蒸气冷凝过程中的热量，对我国工业的发展和促进节能减排具有重要意义。

根据固体表面微观结构与润湿特性，蒸气冷凝可分为膜状冷凝和珠状冷凝。珠状冷凝相对于膜状冷凝是一种更高效的传热方式，其冷凝传热系数比膜状冷凝提高1-2个数量级。珠状冷凝的实现可以大幅降低传热面积，在经济和环境方面获得很大的收益。但实际上，珠状冷凝是一种包含液滴核化、生长、合并、脱离的动态循环过程，具有多尺度特征并且受多因素影响。珠状冷凝很大程度上依赖于换热管的表面条件，在工业上是一种较难实现并且不稳定的冷凝形式。

仙人掌利用分布在茎表面的刺结构的超亲水材质进行高效集水，由于针状刺的尖端截面半径小于根部截面半径，使得水珠在拉普拉斯压力差的作用下，不断向锥刺根部运动。水珠在根部聚集后，沿着带有疏水蜡质表层的脊柱沟槽传输，并聚集其他小水珠将其带走，从而完成一个集水循环。

对换热管表面采用表面处理技术是提高冷凝换热效率的主要技术之一，通常采用纵槽道或加低肋等方式增大换热面积，同时使凝结液在表面张力的作用下更加易于排出，减小了冷凝液膜的厚度，从而达到强化冷凝换热的目的。但是以上方法实现的冷凝方式均为膜状冷凝，冷凝液膜附着在管壁上形成一个热阻，使得需要冷凝的气体无法直接接触管壁，导致冷凝换热系数依然较低，强化冷凝换热的提升空间有限。

技术实现要素：

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管，该换热管模仿仙人掌的集水过程，能大大提高冷凝换热系数，达到高效换热的目的，同时增强了换热结构的稳定性，提升了工业生产的推广价值。

技术方案

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管采用的技术方案：该冷凝换热管包括带有疏水微槽道结构的换热管基管，设置在换热管基管表面上的超疏水基底，分布在所述超疏水基底上的疏水微槽道结构和分布在所述疏水微槽道结构上的针状亲水仿生结构。

所述的换热管基管的管型为圆管、椭圆管、矩形通道、圆角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。

所述的换热管基管的材料为铜、碳钢、不锈钢、铝或纳米多孔结构陶瓷。

所述的换热管基管的当量外径为2-200mm，当量内径为1-200mm。

所述的换热管基管外壁具有疏水微槽道结构，且所述疏水微槽道结构的宽度为0.1-10mm，深度为0.1-5mm。

所述疏水微槽道结构以某种分布方式将各个针状亲水仿生结构连接在一起，其分布方式取决于针状亲水仿生结构的排列方式以及冷凝换热管的摆放方式；若冷凝换热管摆放方式为卧式，则疏水微槽道结构应尽量沿着换热管基管的圆周方向分布；若冷凝换热管摆放方式为立式，则疏水微槽道结构应尽量沿着换热管基管轴向分布。

所述的超疏水基底具有微纳米二元表面结构，且滚动角小于6度。

所述针状亲水仿生结构以随机无序或等间距地排列在超疏水基底上，其中，等间距排列分为顺排和叉排两种结构，且相邻针状亲水仿生结构的间距为0.5-40mm。

所述针状亲水仿生结构与换热管基管的管轴夹角β为0-90°，长度为0.1-30mm。

有益效果：本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用一种具有微纳米结构的超疏水基底，其表面具有滚动阻力小的特点，有利于液滴滚动，在一定的蒸气流速条件下，冷凝液滴更容易从换热管表面脱落，更有利于冷凝液的排除。

2、当不凝性气体存在时，超疏水基底层的微纳米结构将不凝性气体捕获，从而减小了基底与液体的接触面积，使固体表面对液滴的粘滞力降低，达到明显降低传热热阻的目的。

3、本发明采用针状亲水仿生结构，亲水材质可以快速捕集蒸气分子，提高冷凝速率，同时其产生的拉普拉斯压力缩短小液珠的聚集过程，并不断向锥刺根部运动。在小液珠的运动过程中加快水珠的聚集，对冷凝过程起到很大的促进作用。

4、本发明的换热管基管具有疏水微槽道结构，能够利用重力的作用，使得在针状亲水仿生结构根部聚集的液珠沿着沟槽下滑并聚集其他小液珠，缩短液珠脱离冷凝表面的时间，保证凝结循环过程的正常进行。

附图说明

图1为针状亲水仿生结构以叉排的方式等间距地分布在超疏水基底上的换热管表面示意图。

图2为针状亲水仿生结构以叉排的方式等间距地分布在超疏水基底上的换热管横截面示意图。

图中有：换热管基管1、超疏水基底2、针状亲水仿生结构3、疏水微槽道结构4。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

如图1所示，本发明是在带有疏水微槽道的换热管基管表面制备超疏水基底以及分布在所述超疏水基底上的针状亲水仿生结构。基于仿生结构的冷凝换热管表面上，亲水性区域和超疏水性区域有机结合，针状亲水仿生结构以叉排的方式等间距地分布在超疏水基底上。疏水微槽道结构根据针状亲水仿生结构的排列方式以及冷凝器的摆放方式进行合理的分布。

另外，针状亲水仿生结构还可以随机无序的方式或顺排的方式排列在超疏水基底上。

以上针状亲水仿生结构的排列方式中，针状亲水仿生结构与换热管基管的管轴夹角β为0-90°，长度为0.1-30mm，相邻的针状亲水仿生结构的间距为0.5-40mm。

本发明的换热管基管的管型为圆管、椭圆管、矩形通道、圆角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管，换热管基管的材料为铜、碳钢、不锈钢、铝或纳米多孔结构陶瓷，换热管基管的当量外径为2-200mm，当量内径为1-200mm。分布在换热管基管上的疏水微槽道结构的宽度为0.1-10mm，深度为0.1-5mm。

如图2所示，当针状亲水仿生结构以叉排的方式等间距地分布在超疏水基底上时，从轴向看去，可以发现针状亲水仿生结构的分布密度较高，能达到较好的冷凝效果。

图中的换热管摆放方式为卧式，因此疏水微槽道应尽量沿着圆管的圆周方向分布；若换热管的摆放方式为立式，则疏水微槽道应尽量沿着圆管轴向分布。保证冷凝液滴能在重力作用下流畅地排走。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管，是一种基于仿生结构的高性能冷凝换热管，用于将水蒸气或有机蒸气高效冷凝并及时排走冷凝液。该冷凝换热管包括带有疏水微槽道结构的换热管基管(1)，设置在换热管基管(1)表面上的超疏水基底(2)，分布在所述超疏水基底(2)上的疏水微槽道结构(4)和分布在所述疏水微槽道结构(4)上的针状亲水仿生结构(3)。经过基于超声波雾化的喷雾干燥技术处理的换热管基管有效地改善了材料的表面性能，降低了表面能，在换热管表面形成更稳定的珠状冷凝；分布在冷凝表面上的疏水微槽道可以将运动到所述针状亲水仿生结构根部的液珠及时引导走，保证冷凝循环的顺利进行。

技术研发人员：施娟;冯东阳;陈振乾
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2017.10.27
技术公布日：2018.04.13