本发明涉及一种换热器和强化传热与节能技术，尤其涉及一种超疏水/亲水高效传热涂层的制备和新型结构的管壳式换热器。
背景技术：
换热器作为一种热交换设备，在化工、航天、制冷、冶金等诸多行业都有广泛的应用。相较其他类型换热器，管壳式换热器具有技术成熟，结构可靠、易于维护等特点，在工业生产中的应用最多。换热器由于使用条件的多样性(腐蚀性、温度、压力、介质、杂质、热交换量等)，需要对其进行合理的结构设计和优化。管壳式换热器是目前应用最广泛的传热设备之一，是一种在不同温度的流体间实现物料之间热量传递的节能设备，将温度较高的流体通过热传导和热对流传递给温度较低的流体，是提高能源利用率的主要设备之一。
根据管程和壳程流体运动方向的不同，管壳式换热器可以分为横流、纵流换热器。横流式管壳式换热器应制备工艺成熟，发展时间长，被广泛应用。但是横流管壳式换热器存在压降大、易发生振动以及不可避免出现流动死区等不足，从而导致横流管壳式换热器的运行成本大和维修周期短。
传统的传热管束材料多为铜材质或不锈钢材质，传热效率有限，在传热过程中，温度较高的液体向温度较低的液体传递热量，使其温度快速升高，会产生大量的气泡，附着在管束四周，气泡占据整个传热管束形成一层气泡层，而气泡层的存在造成换热不均匀，增加了换热器的热阻，大大降低传热系数。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种换热均匀、稳定性好、以及消除流动死区的超疏水/亲水表面的管壳式换热器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种超疏水/亲水表面的管壳式换热器，包括一壳体，在所述壳体的两端分别通过第一管板和第二管板连接第一封头和第二封头，在所述的壳体一端的底部设置有壳侧冷却液进口管，在壳体另一端的顶部设置有壳侧冷却液出口管，在第一封头和第二封头的水平两端分别设置热流体的进口端和出口端，壳体内设有多个互相平行的换热管束，所述换热管束的两端共同连接在第一管板和第二管板上，所述换热管束的两端开口分别与第一封头和第二封头的内腔连通；
所述的换热管束的表面覆盖有一定几何形状的超疏水区、超亲水区间隔分布的图案化表面，所述壳体内沿长度方向上下平线设置有错开一定距离的第一波浪型横板、第二波浪型横板，所述第一波浪型横板、第二波浪型横板之间设置有折流板，使冷却液在第一波浪型横板、第二波浪型横板之间折回流动，所述换热管束穿过所述折流板。
进一步地，所述的几何形状包括长条形、圆形、正方形、三角形、正六边形、正五边形或多边形。
进一步地，所述超疏水区与超亲水区的宽度比值为1:3～3:1。
进一步地，所述超疏水区、超亲水区的厚度为10nm～100nm。
进一步地，冷却液在所述超亲水区表面的接触角为0°～30°，在所述超疏水区表面的接触角为150°～180°。
进一步地，所述第一管板和第二管板之间固定设置有折流板固定杆，所述折流板沿长度方向固定在所述折流板固定杆上。
进一步地，所述的折流板为螺旋折流板或多组交错分布的弓形折流板。
进一步地，所述第一波浪型横板远离壳侧冷却液出口管的一端通过螺纹固定在第一管板上，另一端与折流板相连接；所述第二波浪型横板远离壳侧冷却液进口管的一端通过螺纹固定在第二管板上，另一端与折流板相连接。
进一步地，所述第一波浪型横板连接第一管板的一端均匀设置有若干通孔，所述第二波浪型横板连接第二管板的一端均匀设置有若干通孔。
进一步地，所述第一管板和第二管板通过法兰分别与第一封头和第二封头紧固连接。
本发明相比现有技术，其具有以下优点：
1.本发明的超疏水/亲水表面涂层结构为化学组成不均匀表面，涂层表面具有微纳米结构，相较传统的光刻胶技术、刻蚀技术、压印技术等方法，具有操作简单、涂层表面光滑，不易沉积污垢，接触状态稳定不坍塌等优点。
2.本发明的超疏水/亲水表面涂层结构能够实现超疏水区域的接触角维持在150°～180°范围内，超亲水区域接触角维持在0°～30°范围内，具有超疏水/亲水区域规则排列的表面的传热系数高于均一润湿性表面，由于疏水区域提高了成核效率，疏水区域周围的亲水区域有效的驱赶饱和气泡，阻止了气泡占据表面，从而有效降低气泡层形成的热阻，提高对流换热效率，对制备的超疏水/亲水涂层表面进行测试，传热系数高达100kw/(m2k)。
3.本发明设计的波浪型横板能够有效的对壳内流体起到导流和扰动的作用。当冷却液体从壳侧的进口管进入时，沿着折流板流动到达两侧的壳体，波浪型横板可以很好的减缓流速损失，使冷却液维持较高的流速流动，降低了换热器的压降差和加剧了冷却液在壳内的湍流程度，有利于热量传递；同时由于波浪型横板的引流导向作用，大大降低了壳内的流动“死区”，以及增大了冷却液体与外界环境的接触面积，有效提高了管壳式换热器的换热效果。
4.上下两侧的波浪型横板在固定端有设置有通孔，可以使冷却液分成两个流动路径，同时提高湍流程度，增大换热面积。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的管壳式换热器的结构示意图。
图2为波浪型横板的结构示意图。
图3为超疏水/亲水表面涂层结构实施例示意图(正六角形)。
图4为超疏水/亲水表面涂层结构另一实施例示意图(长条形)。
图中：1-出口端；2-进口端；3-第一封头；4-第二封头；5-第一管板；6-第二管板；7-壳侧冷却液进口管；8-壳侧冷却液出口管；9-换热管束；10-壳体；11-折流板；12-第一波浪型横板；13-第二波浪型横板；14-折流板固定杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示，一种超疏水/亲水表面的管壳式换热器，包括一壳体10，在所述壳体10的两端分别通过第一管板5和第二管板6并利用法兰连接第一封头3和第二封头4，在所述的壳体10一端的底部设置有壳侧冷却液进口管7，在壳体另一端的顶部设置有壳侧冷却液出口管8，在第一封头3和第二封头4的水平两端分别设置热流体的进口端2和出口端1，壳体10内设有多个互相平行的换热管束9，所述换热管束的两端共同连接在第一管板5和第二管板6上，所述换热管束9的两端开口分别与第一封头3和第二封头4的内腔连通；
所述的换热管束9的表面覆盖有一定几何形状的超疏水区、超亲水区间隔分布的图案化表面，所述壳体10内沿长度方向上下平线设置有错开一定距离的第一波浪型横板12、第二波浪型横板13，所述第一管板5和第二管板6之间固定设置有折流板固定杆14，所述第一波浪型横板12、第二波浪型横板13之间设置有多组交错分布的弓形折流板11，所述折流板11沿长度方向固定在所述折流板固定杆14上，使冷却液在第一波浪型横板12、第二波浪型横板13之间折回流动，所述换热管束穿过所述折流板11。
具体而言，所述的几何形状包括长条形(见图4)、圆形、正方形、三角形、正六边形(见图3)、正五边形或多边形。所述超疏水区与超亲水区的宽度比值为1～3。所述超疏水区、超亲水区的厚度为10nm～100nm。冷却液在所述超亲水区表面的接触角为0°～30°，在所述超疏水区表面的接触角为150°～180°。
所述第一波浪型横板12远离壳侧冷却液出口管8的一端通过螺纹固定在第一管板5上，另一端与折流板11相连接；所述第二波浪型横板13远离壳侧冷却液进口管7的一端通过螺纹固定在第二管板6上，另一端与折流板11相连接。
如图2所示，在本发明一个可行的实施例中，所述第一波浪型横板12连接第一管板5的一端均匀设置有若干通孔，所述第二波浪型横板13连接第二管板6的一端均匀设置有若干通孔，可以使冷却液分成两个流动路径，一个流经折流板、一个流经波浪型横板与壳体的间隙，进一步提高湍流程度，增大换热面积。
上述实施例中，具有超疏水/亲水区域规则排列的表面的传热系数高于均一润湿性表面，由于疏水区域提高了成核效率，疏水区域周围的亲水区域有效的驱赶饱和气泡，阻止了气泡占据表面，从而有效降低气泡层形成的热阻，提高对流换热效率，对制备的超疏水/亲水涂层表面进行测试，传热系数高达100kw/(m2k)。
波浪型横板与折流板相配合，当冷却流体经过时，能够保持稳定的速度与热流体进行换热，能够有效减小换热器两端的压降差，同时波浪型结构能够有效的消除流动“死区”，能够有效的对壳内流体起到导流和扰动的作用。当冷却液体从壳侧的进口管进入时，沿着折流板流动到达两侧的壳体，弯曲型的波浪型横板结构可以很好的减缓流速损失，使冷却液维持较高的流速流动，降低了换热器的压降差和加剧了冷却液在壳内的湍流程度，有利于热量传递；同时由于波浪型横板的引流导向作用，大大降低了壳内的流动“死区”，以及增大了冷却液体与外界环境的接触面积，有效提高了管壳式换热器的换热效果。
上述实施例中涉及的超疏水/亲水表面涂层结构的制备方法，可通过如下步骤实现：
步骤一，铜管清洗步骤，准备换热管束铜管，管束外壁仅打磨光滑不需作涂层处理；由于只需对换热管束外壁作超疏水/亲水表面涂层处理，所以预先将铜管两端进行密封处理；接着将换热管束浸没在1mol/l的na2co3溶液超声震荡30分钟，随后用体积分数为5％的稀h2so4清洗，去除表面可能存在的氧化物，按照丙酮、乙醇、去离子水的顺序分别超声10分钟，每一项清洗之后都用高纯氮气吹干。然后再将刚处理后的换热管束用172nm的真空紫外光、在10pa气压下对其进行25分钟光照处理，已达到彻底清洗的目的。
步骤二，将聚四氟乙烯(teflon，af400，杜邦)以1:3的比例稀释于电子氟化液(fluorinertfc-40)，利用旋涂仪将所得聚四氟乙烯和电子氟化液混合液均匀凃敷在处理后的换热管束表面，在90℃下烘烤20分钟后，在聚四氟乙烯层上旋涂厚度约为1μm的正性光刻胶(s1818，希普利)。
步骤三，超疏水表面的制备，将涂有光刻胶的换热管束暴露于具有不同图案的光掩膜下，经过强度为180mj/cm2的uv光照射30分钟，曝光区域下面的聚四氟乙烯通过氧等离子体和显影剂(300mif，az电子材料)处理后被除去。最后，用丙酮清洗掉剩余的正性光刻胶。最终得到所需的不同超疏水/亲水表面涂层结构的换热管束。
上述各实施仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围内。