[發明專利]一種強化冷凝傳熱的金屬表面處理方法

有效

• 申請號: 201010240643.5
• 申請日: 2010-07-30
• 公開（公告）號: CN101914664A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 張莉;徐宏;阮藝平;廖禮寶;齊寶金;徐鵬;李東
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C21D8/00
• 分類號: C21D8/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 薛琦;鐘華

技術領域

本發明屬于強化傳熱與節能技術領域，具體涉及一種金屬表面處理方法。

背景技術

蒸氣冷凝現象廣泛存在于工業領域和自然界中，它是石油化工、發電、能源動力、制冷空調和節能等領域中重要的換熱過程之一。蒸氣的冷凝方式根據冷凝液與冷凝表面的潤濕程度可分為膜狀冷凝和滴狀冷凝。目前強化冷凝的方法主要有兩種，一種是強化膜狀冷凝，主要是降低表面冷凝液膜的厚度，另一種是通過表面處理將膜狀冷凝改為滴狀或滴膜共存的冷凝模式。滴狀冷凝是利用表面張力作用強化冷凝傳熱的最理想途徑，其冷凝傳熱系數比膜狀冷凝要高一個數量級以上。自20世紀30年代Schmidt等發現這種現象以來，國內外眾多的研究者進行了廣泛深入地研究。

表面能是材料表面現象的主要推動力，是決定蒸氣在表面上冷凝呈滴狀或膜狀的最重要參數。液體在固體表面上冷凝成滴狀，而不是鋪展成膜狀的必要條件是固體表面要有較低的表面能。對于金屬材料，由于表面原子受到來自內部原子強金屬鍵的作用力，具有很高的表面能，蒸氣難以在其表面形成滴狀冷凝。因此，早期實現滴狀冷凝的方法主要集中于在金屬表面外加一層低表面能材料，依靠物理或化學吸附與基體結合，如表面鍍貴金屬如金、銀、鉑等；復合沉積聚四氟乙烯等有機高分子涂層；表面涂覆有機促進劑等。然而，上述表面涂覆方法均不同程度地存在成本高、附加熱阻大、涂層與基體結合強度差、涂層表面化學穩定性差等方面的問題，從而不能形成穩定持久的滴狀冷凝。上世紀九十年代，趙起等人提出了離子注入技術，通過在金屬表層注入N、Ar、He、H等元素，制備低表面能合金材料，實現了水蒸氣在其上的滴狀冷凝，但是成本高、穩定性差仍是該技術存在的主要問題。

近年來，疏水性納米涂層表面的冷凝特性成為一個新的研究熱點。宋永吉等在紫銅基底上制備了疏水性碳納米管膜，發現水蒸氣在其上能形成較好的滴狀冷凝(宋永吉，任曉光，任紹梅，王虹.水蒸氣在超疏水表面上的冷凝傳熱，工程熱物理學報，2007，28(1)：95-97)。Manas?Ojha等研究了SiO₂納米棒沉積表面的冷凝特性，認為納米尺度的涂層表面形貌對氣-液-固界面分子間的力場有顯著地影響，從而影響相變傳熱效率(Manas?Ojha，AryaChatterjee，Frank?Mont，E.F.Schubert，Peter?C.Wayner?Jr.，Joel?L.Plawsky..Therole?of?solid?surface?structure?on?dropwise?phase?change?processes.InternationalJournal?ofHeat?and?Mass?Transfer，2010，53：910-922)。目前為止，對于納米結構表面冷凝特性的研究均是基于疏水性納米表面涂層，涂層與基體的結合強度、壽命、成本等仍是不可回避的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服了現有的為了實現良好的冷凝效果而在金屬表面制備疏水性涂覆層技術所存在的涂覆層與金屬基體結合強度低、壽命短的缺陷，以及通過改變金屬表面化學成分的離子注入技術所存在的成本高等缺陷，提供了一種完全不相同的能夠使金屬實現強化冷凝傳熱效果的金屬表面處理方法，該方法通過改變金屬表面的顯微組織結構及應力狀態，降低表面自由能，從而將金屬表面的冷凝模式由完全的膜狀冷凝轉變為滴膜共存或完全的滴狀冷凝模式，顯著強化了蒸氣在金屬表面的冷凝傳熱過程，提高了傳熱效果。

本發明提供了一種金屬表面處理方法，其包括下述步驟：用軋輥重復軋制金屬的表面，使所述金屬的表面形成納米孿晶；其中，所述納米孿晶的片層厚度小于200nm；在進行所述軋制時，所述軋輥在繞一公轉軸公轉的同時與所述金屬之間進行速度為0.1～50mm/分鐘的水平相對運動，所述軋輥的公轉速度為100～300rpm，所述公轉軸為一水平方向上的公轉軸，所述水平相對運動的運動方向垂直于所述軋輥的公轉平面。

本發明的金屬表面處理方法能夠使蒸汽在金屬表面形成完全的滴狀冷凝或滴膜共存的冷凝模式，從而顯著提高了金屬的冷凝傳熱效果。

本發明中，所述的重復軋制指對所述金屬的同一區域進行反復的軋制，所述軋制的重復次數較佳的使所述金屬表面形成納米孿晶結構，且納米孿晶的片層厚度小于200nm。所述的重復次數較佳的為30～300次，更佳的為100～150次。