[發明專利]超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制方法及裝置

有效

• 申請號: 201110274784.3
• 申請日: 2011-09-16
• 公開（公告）號: CN102269539A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: 賈志海;劉海龍;范學良;蔡小舒
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: F28F27/00
• 分類號: F28F27/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制方法及裝置，屬于強化傳熱及控制技術領域。

背景技術

自二十世紀三十年代Schmidt等發現滴狀凝結現象以來，滴狀冷凝換熱以其高效的換熱性能一直備受業界關注。為了得到良好的滴狀冷凝換熱表面，采用了許多方法，如在換熱表面鍍上金、銀、銠、鈀、鉬等貴重金屬，由于這些金屬高昂的價格，這種方法很難在行業推廣。在蒸汽中添加有機促進劑，如氟化二硫化碳，也可以實現珠狀凝結，這種方法由于對蒸汽和冷凝液造成了污染并會對冷凝表面產生污損和腐蝕，一般只能在特殊情況下應用。二十世紀九十年代以后，業界開始嘗試在換熱表面鍍PTFE、PFA以及ETFE膜等低表面能物質來實現珠狀凝結，但由于這些鍍層靠物理或者化學吸附作用與表面結合，結合力較弱，使用壽命較短，一般只有數百小時，在運行環境惡劣的情況下，應用壽命還會縮短，因此，也沒有得到工程應用。

近些年來，隨著納米技術的發展，納米超疏水材料制備的日臻成熟，開始嘗試將納米超疏水材料應用到冷凝器的設計和制造中，為此，就超疏水表面的制備、微觀傳熱機理以及傳熱特性等方面進行了大量卓有成效的工作，并取得了大量的成果。在實現冷凝換熱器盤管表面由膜狀凝結轉變微滴狀凝結方面取得了很大的成功。然而，目前的研究表明，在冷凝情況下，由于蒸汽能夠進入到超疏水表面的微觀結構中，形成“粘性”很強的文策爾（Wenzel）水滴，使得超疏水表面上液滴不能快速脫落，換句話說，冷凝條件下超疏水表面并沒有形成強超疏水的卡西（Cassie）狀態水滴，超疏水表面失效了。因此，目前利用超疏水表面實現的滴狀冷凝過程中，冷凝液滴是在增長到一定閾值后在重力作用下自然脫落，由于脫落的液滴尺寸較大時熱阻也較大，使得冷凝傳熱系數，尤其在低冷凝負荷時并不能得到大幅提高。如何在冷凝條件下恢復超疏水表面的強疏水性成為目前提高滴狀冷凝傳熱性能的重要問題。

發明內容

針對上述現有技術所存在的缺陷，本發明的目的在于，提供一種新使得超疏水表面的冷凝液滴強制脫落并控制冷凝液滴脫落尺寸和脫落頻率，進而根據負荷要求控制滴狀冷凝傳熱性能的方法及裝置。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是，一種超疏水表面滴狀冷凝傳熱性能控制方法，特點是，該方法主要包括以下步驟：

(1)?在冷凝換熱器表面加工制備微凸結構的超疏水表面，微凸結構型式為微圓柱、微梯形柱、微矩形柱或微方柱；

(2)?信號發生/合成器與功率放大器相連，功率放大器與微振動換能器相連，將微振動換能器和冷凝換熱器的冷凝管道固緊，信號發生/合成器產生激勵電信號，經功率放大器放大之后驅動微振動換能器產生1～300Hz帶寬頻率的機械微振動，加載于冷凝換熱器主體，由冷凝換熱器的傳熱性能檢測單元對冷凝換熱器性能進行測試，將將檢測到的信號傳輸給反饋控制調節單元，根據反饋的傳熱性能信號更新預設定正弦信號的頻率及振幅，再對信號發生/合成器和功率放大器進行調節，從而調節微振動換能器的微振動信號頻率及振幅；

?(3)?測定冷凝換熱器表面某一凝結液滴尺寸，計算該體積液滴共振頻率：計算該凝結液滴共振頻率，對于一定尺寸的液滴，當施加的微振動頻率和其共振頻率一致時，其振動幅值達到最大，附著于固體表面的液滴，其共振動頻率???????????????????????????????????????????????為

??（5）

其中

式中，g為重力加速度；為液滴的表面張力；表示液滴的密度；V為液滴的體積；為從液滴底部到定點的邊界弧長，和液滴尺寸以及接觸角有關；為液滴在超疏水固體表面的表觀接觸角；為液滴與固體表面的接觸直徑；為液滴直徑對冷凝換熱器加載該頻率的微振動，通過調整微振動振幅，在某一振動參數下使得已知尺寸的冷凝液滴浸潤狀態發生超疏水狀態卡西（Cassie狀態）轉變，從而使該冷凝液滴從換熱表面快速強制脫落，根據不同體積大小液滴的共振頻率與發生轉變時的振幅閾值，對信號發生/合成器進行帶寬頻率微振動信號合成，可快速誘導某一尺寸范圍的冷凝液滴快速轉變為超疏水狀態，實現快速脫落，利用本步驟可以實現對冷凝器傳熱性能的小范圍調節；?

(4)?重復步驟（2）、（3），確定在共振頻率下不同尺寸冷凝液滴在浸潤狀態發生轉變時所加載機械微微振動頻率及振幅；

(5)?根據所確定的冷凝液滴脫落尺寸范圍，將各液滴脫落尺寸對應的浸潤狀態發生轉變時加載的微振動的波形疊加，得到一寬頻機械微振動合成信號；