一种仿生结构冷凝式传热管及换热器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种广泛应用于能源、化工、冶金、制冷等多个工业领域中实现蒸气高效冷凝的传热管，具体涉及一种仿生结构冷凝式传热管及具有该传热管的换热器。
【背景技术】
[0002]蒸气冷凝传热过程广泛存在于能源利用、化工、冶金、制冷等多工业领域中，蒸气冷凝潜热高效回收利用是实现节能减排的重要环节，尤其在不凝性气体存在的条件下，蒸气在传热管表面发生冷凝，在液膜或液滴与混合气体之间会形成以不凝性气体为主的气膜层，蒸气必须克服不凝性气膜层阻力传递至气液界面才能发生冷凝，增加了传质阻力，且不凝性气膜层的存在使传热的驱动力减小，严重削弱冷凝传热性能。在燃气锅炉烟气潜热回收过程中，不凝性气体体积含量占80%左右，水蒸气体积含量占20%左右；在煤制合成氨等化工行业中，成品氨中含有氢气、甲烷等组分，这些组分随成品氨到氨压缩制冷工段，会释放出来形成不凝性气体，在降温冷凝回收一部分氨的过程中，不凝性气体的体积含量达90%左右，使氨蒸气冷凝传热过程复杂，增加功耗并使性能恶化；同时随着节能与节材的技术需求，也对制冷行业中冷凝器提出了更高的冷凝传热性能指标。由此可见，蒸气冷凝传热涉及领域范围广，充分回收蒸气冷凝过程中的显热和潜热，对提高我国化石能源综合利用效率和促进工业节能具有重要意义。
[0003]根据固体表面微观结构与冷凝液在固体表面的润湿特性不同，蒸气冷凝形式通常可以分为膜状冷凝和珠状冷凝。相对于膜状冷凝，珠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要提高1-2个数量级，如果能够在工业应用中实现该过程，将会大幅度降低传热面积，从而既能获得节能效果，又能降低设备成本，有着显著的经济和环境效益。但是，珠状冷凝是一个包含液滴核化、生长、合并和脱离的动态循环过程，也是一个具有多尺度特征和受多因素影响的复杂过程。珠状冷凝在很大程度上依赖于传热管壁面的表面条件，在工业上它是一种较难实现和不稳定的冷凝形式。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的旨在提供一种高效回收水蒸气及有机蒸气显热与潜热的冷凝式传热管及具有其的换热器，尤其在不凝性气体存在的条件下，能够有效地削弱不凝性气体热阻层，实现蒸气高效冷凝传热。
[0005]为实现上述目的，本实用新型的技术方案为:
[0006]一种仿生结构冷凝式传热管，包括传热管基管，以及设置在传热管基管外表面的超疏水基底层，在所述的超疏水基底层表面设置有亲水性凸起，超疏水基底层和其表面的亲水性凸起构成仿生结构表面，由传热管基管和其外表面的仿生结构表面构成仿生结构冷凝式传热管。
[0007]所述的传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。
[0008]所述的传热管基管的材料为铜、碳钢、不锈钢、铝或纳米多孔结构陶瓷。
[0009]所述的传热管基管当量外径为2-300mm。
[0010]所述的传热管基管当量内径为l-300mm。
[0011]所述的亲水性凸起为球形、椭球形、四面体、六面体、柱状或销钉状结构，以随机无序或等间距地排列在超疏水性基底层上，且相邻亲水性凸起的间距为0.5-50mm，其中，等间距排列分为顺排和叉排两种结构。
[0012]所述的柱状结构亲水性凸起与传热管基管的管轴夹角β为0-90°，柱状结构亲水性凸起顶部开设均匀排列方形或锯齿形的凹槽。
[0013]所述的方形或锯齿形的凹槽将柱状结构亲水性凸起分隔为亲水性母凸起和亲水性子凸起，亲水性母凸起为柱状结构亲水性凸起底部柱基，亲水性子凸起为柱状结构亲水性凸起顶部被分隔后的间隔棱柱。
[0014]所述的方形或锯齿形的凹槽的长度均为0.01-30mm，亲水性子凸起与亲水性母凸起的高度比为0.1-1 ;所述的亲水性凸起的高度L与传热管基管当量外径的比值为0.0l-0.5ο
[0015]相应地，本实用新型给出了一种换热器，包括传热管组件，所述传热管组件为仿生结构冷凝式传热管构成的传热管组件。
[0016]本实用新型在常规冷凝式传热管表面制备超疏水基底(具有纳米尺度微结构)上有亲水性凸起的仿生结构表面，基管外表面的亲水性和超疏水性区域一体化结构，将亲水性和超疏水性区域有机结合，超疏水基底层与其表面的亲水性凸起构成了仿生结构表面。按照表面结构不同，将其分为四种类型:第一类，亲水性凸起随机无序地分布在超疏水性基底上；第二类，亲水性凸起等间距排列在超疏水性基底上，其中等间距排列分为顺排与叉排两种结构；第三类，亲水性凸起以肋状结构等间距地排列在超疏水性基底上；第四类，亲水性凸起以肋状结构等间距排列在超疏水基底上，并且亲水性肋状凸起顶部开设均匀排列的方形或锯齿形凹槽。
[0017]本实用新型提供一种亲水性和超疏水性区域有机结合的仿生结构表面的冷凝式传热管及具有其的换热器。当蒸气或不凝性气体与蒸气的混合气体流经该仿生结构传热管表面时，蒸气冷凝不仅仅是由于温差驱动，仿生结构表面的“活性势”和蒸气与壁面的温差共同构成蒸气冷凝的驱动力。同时，亲水性凸起周围的超疏水性表面结构也有助于液滴的聚和长大。该优点将高效强化珠状冷凝的传热特性，同时，超疏水性基底表面具有滚动阻力小的表面特性，有利于液滴滚动，在一定蒸气流速条件下，冷凝液滴更容易从传热管表面脱落，能够有效地限制水珠在传热管表面的滞留时间。且当不凝性气体存在时，超疏水基底层具有的纳米尺度微结构，能够将不凝性气体捕获，形成固-气-液界面，减小固液接触面积，从而使固体表面对液滴的粘滞力降低，该仿生结构表面甚至会驱动液滴合并发生弹跳等运动，能够加剧不凝性气体边界层扰动，显著减小传热热阻。对于第三类与第四类仿生结构冷凝式传热管，利用肋状亲水性凸起结构和在其上面开设方形或锯齿形凹槽等方法生成特殊的二维和三维扩展表面，改变亲水性凸起上冷凝液膜的表面张力分布，大大减薄液膜厚度，且引导冷凝液在凹槽处快速汇集，加速珠状冷凝过程中液滴形成及快速疏导，使传热效果显著提高。由于本实用新型的上述优点，更适用于工业领域中小温差传热场合应用。
【附图说明】
[0018]此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中:
[0019]图1 (a)为亲水性表面润湿性示意图，图1 (b)为超疏水性表面润湿性示意图。
[0020]图2为第一类亲水性凸起无规则性分布的仿生结构表面示意图。
[0021]图3为肋状亲水性凸起的仿生结构表面示意图。
[0022]图4(a)为肋状亲水性凸起上开设方形凹槽的仿生结构表面示意图，图4(b)为肋状亲水性凸起上开设锯齿形凹槽的仿生结构表面示意图。
[0023]图5所示为仿生结构冷凝式传热管的冷凝过程示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
[0025]如图1所示，本实用新型是在常规冷凝式传热管表面制备亲水性凸起I分布在超疏水基底2上的仿生结构表面。通过表面改性方法，把表面接触角Θ小于90°的表面称为亲水性表面；通常把表面接触角Θ大于150°的表面称为超疏水表面。当液滴润湿亲水性表面时，固液接触面积较大，呈现出的状态如图1(a)所示；对于具有纳米尺度微结构的超疏水表面，其润湿性如图1(b)所示，纳米尺度的微结构能够捕获不凝性气体，将固-液界面变为固-液-气界面，液体与固体的接触面积会大大减小，从而使固体表面对液滴的粘滞力降低，有效地减小液滴的脱离直径，同时液滴在超疏水表面上滚动阻力较小，更容易脱离表面。
[0026]如图2-图4所示，仿生结构传热管基管外表面上亲水性和超疏水性区域一体化结构，将亲水性区域和超疏水性区域有机结合，按照表面结构不同，将其分为四种类型:
[0027]第一类，亲水性凸起I随机无序地分布在超疏