[發明專利]一種基于仿生結構的高性能冷凝換熱管

有效

• 申請號: 201711021902.3
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107906998B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 施娟;馮東陽;陳振乾
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F28F1/10
• 分類號: F28F1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于仿生結構的高性能冷凝換熱管，是一種基于仿生結構的高性能冷凝換熱管，用于將水蒸氣或有機蒸氣高效冷凝并及時排走冷凝液。該冷凝換熱管包括帶有疏水微槽道結構的換熱管基管(1)，設置在換熱管基管(1)表面上的超疏水基底(2)，分布在所述超疏水基底(2)上的疏水微槽道結構(4)和分布在所述疏水微槽道結構(4)上的針狀親水仿生結構(3)。經過基于超聲波霧化的噴霧干燥技術處理的換熱管基管有效地改善了材料的表面性能，降低了表面能，在換熱管表面形成更穩定的珠狀冷凝；分布在冷凝表面上的疏水微槽道可以將運動到所述針狀親水仿生結構根部的液珠及時引導走，保證冷凝循環的順利進行。

技術領域

本發明涉及一種廣泛應用于能源、電子、制冷等領域的高效冷凝換熱管，具體涉及的是一種為提高冷凝換熱效率而設計的基于仿生結構的高性能冷凝換熱管。

背景技術

蒸氣冷凝傳熱過程廣泛存在于能源、化工、制冷等工業領域中，蒸氣冷凝能產生大量潛熱，因此潛熱的回收對于節能減排十分重要。在制冷行業中，采用冷凝效率更高的冷凝器可以縮小冷凝器面積，節省材料。另外，當蒸氣中存在不凝性氣體時，會在液膜或液滴與混合氣體之間形成一層氣膜，使得蒸氣與氣液界面或冷凝器壁面之間增加了傳質阻力，嚴重削弱了冷凝換熱性能。綜上所述，提高冷凝效率，高效回收蒸氣冷凝過程中的熱量，對我國工業的發展和促進節能減排具有重要意義。

根據固體表面微觀結構與潤濕特性，蒸氣冷凝可分為膜狀冷凝和珠狀冷凝。珠狀冷凝相對于膜狀冷凝是一種更高效的傳熱方式，其冷凝傳熱系數比膜狀冷凝提高1-2個數量級。珠狀冷凝的實現可以大幅降低傳熱面積，在經濟和環境方面獲得很大的收益。但實際上，珠狀冷凝是一種包含液滴核化、生長、合并、脫離的動態循環過程，具有多尺度特征并且受多因素影響。珠狀冷凝很大程度上依賴于換熱管的表面條件，在工業上是一種較難實現并且不穩定的冷凝形式。

仙人掌利用分布在莖表面的刺結構的超親水材質進行高效集水，由于針狀刺的尖端截面半徑小于根部截面半徑，使得水珠在拉普拉斯壓力差的作用下，不斷向錐刺根部運動。水珠在根部聚集后，沿著帶有疏水蠟質表層的脊柱溝槽傳輸，并聚集其他小水珠將其帶走，從而完成一個集水循環。

對換熱管表面采用表面處理技術是提高冷凝換熱效率的主要技術之一，通常采用縱槽道或加低肋等方式增大換熱面積，同時使凝結液在表面張力的作用下更加易于排出，減小了冷凝液膜的厚度，從而達到強化冷凝換熱的目的。但是以上方法實現的冷凝方式均為膜狀冷凝，冷凝液膜附著在管壁上形成一個熱阻，使得需要冷凝的氣體無法直接接觸管壁，導致冷凝換熱系數依然較低，強化冷凝換熱的提升空間有限。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供了一種基于仿生結構的高性能冷凝換熱管，該換熱管模仿仙人掌的集水過程，能大大提高冷凝換熱系數，達到高效換熱的目的，同時增強了換熱結構的穩定性，提升了工業生產的推廣價值。

技術方案

技術方案：為實現上述目的，本發明的一種基于仿生結構的高性能冷凝換熱管采用的技術方案：該冷凝換熱管包括帶有疏水微槽道結構的換熱管基管，設置在換熱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結構和分布在所述疏水微槽道結構上的針狀親水仿生結構。

所述的換熱管基管的管型為圓管、橢圓管、矩形通道、圓角矩形通道、滴形管、扁管或多孔扁管。

所述的換熱管基管的材料為銅、碳鋼、不銹鋼、鋁或納米多孔結構陶瓷。

所述的換熱管基管的當量外徑為2-200mm，當量內徑為1-200mm。

所述的換熱管基管外壁具有疏水微槽道結構，且所述疏水微槽道結構的寬度為0.1-10mm，深度為0.1-5mm。