超亲疏水换热面组合式蒸发换热管及其制法
阅读说明：本技术 超亲疏水换热面组合式蒸发换热管及其制法 (Super-hydrophilic and hydrophobic heat exchange surface combined evaporation heat exchange tube and manufacturing method thereof ) 是由 王进强 陈焕倬 武震国 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种超亲疏水换热面组合式蒸发换热管及其制法,其中换热管包括管体,所述管体的外表面设置有：沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外翅片,形成于所述外翅片之间、并且沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外沟槽；所述外沟槽中布置有缠绕在所述管体外的铜丝绞线,所述铜丝绞线由至少两根铜丝拧合而成,并且至少其中一根所述铜丝具有超亲水表面,至少其中一根所述铜丝具有超疏水表面。该换热管同时具备超疏水和超亲水表面,不同亲/疏水表面组成的换热面综合了各自的优点,在沸腾现象的整个周期内维持较高换热系数,提高了沸腾换热系数。(The application discloses super hydrophilic-hydrophobic heat transfer surface combination formula evaporation heat exchange tube and preparation method thereof, wherein the heat exchange tube includes the body, the surface of body is provided with: outer fins extending spirally in a longitudinal direction of the tube body, and outer grooves formed between the outer fins and extending spirally in the longitudinal direction of the tube body; the outer groove is internally provided with a copper wire stranded wire wound outside the tube body, the copper wire stranded wire is formed by twisting at least two copper wires, at least one of the copper wires has a super-hydrophilic surface, and at least one of the copper wires has a super-hydrophobic surface. The heat exchange tube has super-hydrophobic and super-hydrophilic surfaces, and the heat exchange surfaces formed by different hydrophilic/hydrophobic surfaces integrate respective advantages, maintain higher heat exchange coefficient in the whole period of boiling phenomenon, and improve boiling heat exchange coefficient.)
技术领域
本申请涉及一种蒸发换热管，尤其是一种超亲疏水换热面组合式蒸发换热管及其制法。
背景技术
强化蒸发换热管是满液式蒸发器重要部件。目前商用强化蒸发换热管常称为“T”形管。其特点是，换热管表面具有凹穴，凹穴通过顶部的窄缝与壳侧制冷剂相通连，大量气泡生成后通过窄缝脱离换热管，形成充分沸腾。这种蒸发换热管的总传热系数比光管高3倍以上，具有明显的性能优势。但是，该种蒸发换热管的加工复杂，磨具损坏快，成本高。在早期，美国专利3,521,706提出将金属丝或者非金属丝缠绕在翅片管的翅片间凹槽中的办法以改善换热效果的方法；美国专利4,074,753中提出使用纤维编织物缠绕在翅片管凹槽中或在光管上的办法提高换热系数。但是美国专利4，074，753申请人否定了美国专利3,521,706中提出的强化蒸发换热的办法，他通过实验表明，把铜丝缠绕在铜管上，反而会使传热恶化。中国专利CN 87100095A提出泡核沸腾的强化换热表面，是由光滑圆管和紧缠在其表面的螺旋金属丝组成。经过优化金属丝直径和金属丝排列的间距，使得换热系数提高到光管的换热系数的接近3倍。尽管上述的强化换热表面的加工方法简单，成本低，但是相似结构的强化换热管的实验结果却大相径庭。根据近几年的传热学研究发现换热表面对沸腾影响主要有两个重要因素：表面的几何形状与表面的润湿性。而上述的专利内容都是在换热表面通过增加附着物，改变换热表面形状来强化沸腾换热的。但是，这几项专利内容上都没有提及换热表面与附着物的湿润性影响。所以，尽管换热面结构大同小异，但是实验结果却明显差别。
发明内容
本申请目的是：针对上述技术问题，提出一种超亲疏水换热面组合式蒸发换热管及其制法，该换热管同时具备超疏水和超亲水表面，不同亲/疏水表面组成的换热面综合了各自的优点，在沸腾现象的整个周期内维持较高换热系数，提高了沸腾换热系数。
本申请的技术方案是：
一种超亲疏水换热面组合式蒸发换热管，包括管体，所述管体的外表面设置有：
沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外翅片，以及形成于所述外翅片之间、并且沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外沟槽；
所述外沟槽中布置有缠绕在所述管体外的铜丝绞线，所述铜丝绞线由至少两根铜丝拧合而成，并且至少其中一根所述铜丝具有超亲水表面，至少其中一根所述铜丝具有超疏水表面。
所述铜丝绞线由三根铜丝拧合而成，其中一根所述铜丝具有超疏水表面，另外两根所述铜丝具有超亲水表面。
所述超亲水表面的接触角＜10.0°。
所述疏亲水表面的接触角＞150.0°。
所述管体的内表面制有沿这该管体的长度方向呈螺旋状延伸的内槽道。
所述外翅片与所述管体为一体结构。
所述铜丝的直径为0.1-0.4mm。
一种上述超亲疏水换热面组合式蒸发换热管的制法，包括：对至少一根铜丝的表面作超亲水处理，对至少一根铜丝的表面作超疏水处理，将经过超亲水处理的铜丝与超疏水处理的铜丝拧合在一起制成铜丝绞线，将所述铜丝绞线缠绕在所述管体外、并布置于所述外沟槽中。
所述超亲水处理包括：
将铜丝置于氧化液中，在室温条件下浸泡30分钟取出，所述氧化液由质量比例为3.75:5:10:100的NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水组成，之后利用去离子水超声清洗铜丝10分钟，然后利用氮气吹干。
所述超疏水处理包括：
将铜丝置于质量分数为1％的氟硅烷/乙醇溶液中，在40℃条件下浸泡1小时取出，然后在100℃的干燥箱内烘烤1小时。
本申请的原理及作用如下：
通过对沸腾现象的不断探索和研究，发现蒸发换热表面的湿润性是影响沸腾换热性能的至关重要的因素。换热表面的湿润性能可根据工质与换热面接触角来判定。根据接触角的大小可将换热面分为亲水和疏水表面。静态接触角＜90°时，该换热表面称为亲水表面；静态接触角＞90°，换热表面称为疏水表面。进一步，当静态接触角＜10°时，换热面被称为超亲水表面；静态接触角＞150°时，换热面被称为超疏水表面。一般说来，亲水表面一定是疏气表面，反之，疏水表面一定是亲气表面。液滴在超疏水粗糙表面上以Cassie模式存在，Cassie理论：由于表面疏水性质影响，在液滴与固体之间能够捕获空气从而成为“气垫”，形成固体和气体的复合界面。因此，能够提供较多的汽化核心，所以起沸(发生沸腾)时的壁面过热度较低，即起沸温度低。超疏水表面的缺点是:随着气泡的成长，超疏水表面的亲气特性会使汽泡不容易脱体，许多小气泡在疏水表面容易聚合成较大气泡，由此延迟气泡脱体的时间，降低了沸腾换热系数。超亲水表面的优点在于：超亲水特性使液体在其表面的铺展速度要比一般的表面要快，(实验显示其速度可达2m/s左右)，当气泡脱离后，周边液体可以迅速对气泡脱离点补充液体，缩短过程周期；当气泡生成后，脱体的速度要快，不易聚合成大气泡，同样缩短过程时间；亲水表面的缺点是：由于超亲水特性不易捕捉空气，无法在液体与固体壁面之间生成气垫，造成汽化核心较少，起沸点高。综上所述，亲水与疏水表面对沸腾的影响明显差异。根据传热学理论，沸腾现象是一个可阶段化的复杂现象，可分为四个时间阶段：汽化核心的形成，汽泡的成长，汽泡的脱离以及液体的补充与重新聚集能量。不同阶段，对换热面有不同要求。在汽化核心的形成阶段需要表面具有超疏水性，利用液体与固体之间的气垫现象，获得更多的汽化核心；在气泡脱体时，需要时超亲水表面，有利于汽泡的尽快脱离，避免多个小气泡聚合成大气泡，产生拖延气泡的脱体时间的现象；当气泡脱离后形成的局部缺液情况下，需要表面是超亲水表面，以便迅速补充液体。根据以上描述与介绍，可以认为，如果换热面由亲水与疏水表面共同组成，就可将亲水表面和疏水表面对沸腾的不同作用结合起来，双方优势互补，整个沸腾过程显著得到强化。
本申请的优点是：本申请在换热管外产生的铜丝绞线中既有超亲水表面铜丝，又有超疏水表面铜丝。这些铜丝拧在一起后，绞线同时具有超亲水与超疏水换热面。铜丝相互接触和与换热管表面接触处呈凹陷窄缝形，根据沸腾理论，汽化核心容易在这些地方生成。当铜丝为超疏水表面时，会产生“气垫”现象，气泡核心密度更高，沸腾所需要的壁面过热度小，容易起沸。在气泡成长后，绞线中的亲水表面的铜丝，可以促使汽泡尽快脱体，不让小气泡聚合成大气泡，拖延汽泡的脱体时间；汽泡脱离后，周围的液体沿亲水表面快速补充，缩短了过程的时间。换热管内设置的螺旋槽道，可以提高管内的换热系数。总之，不同亲/疏水表面组成的换热面综合了各自的优点，在沸腾现象的整个周期内维持较高换热系数，起到了提高沸腾换热系数作用。
附图说明
图1为本申请实施例中超亲疏水换热面组合式蒸发换热管的结构示意图(局部剖视)；
图2为图1的A部放大图；
图3为本申请实施例中铜丝绞线的结构示意图；
在上述各附图中，黑色实心截面的铜丝经过超疏水处理，白色空心截面的铜丝经过超亲水处理；
图4为本申请实施例这种蒸发换热管与传统常规蒸发换热管的管外蒸发换热系数比较图；
其中：1-管体，101-外翅片，102-外沟槽，103-内沟槽，2-铜丝绞线，201-铜丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本申请，应理解这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围，在阅读了本申请之后，本领域技术人员对本申请的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1至图3示出了本申请这种超亲疏水换热面组合式蒸发换热管的一个具体实施例，与一些传统换热管相同的是，该换热管也包括管体1，管体1的直径为19mm，管体1的外表面设置有：沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外翅片101，形成于前述了外翅片之间、并且沿着该管体的长度方向呈螺旋状延伸的外沟槽102。并且前述外翅片101和管体1为一体结构，二者均为铜材质。
本实施例的关键改进在于，上述外沟槽102中布置有紧紧缠绕在管体1外的铜丝绞线2，前述铜丝绞线2由三根铜丝201拧合而成，其中一根铜丝201经过超疏水处理而使其具有超疏水表面，另外两根铜丝201经过超亲水处理而使其具有超亲水表面。
上述铜丝201的直径优选为0.1-0.4mm，本实施例具体为0.2mm。
并且，本实施在管体1的内表面制有沿这该管体的长度方向呈螺旋状延伸的内槽道103，当流体通过时，可对管内的边界层造成破坏，有利管内的流体换热。
内槽道103的槽深最佳值设定在0.15-0.3mm范围内，本实施例具体为0.3mm。外翅片101的高度最好设定在0.2-0.8mm范围内，本实施例具体为0.7mm，外翅片101的螺旋间距最好设定在0.25-0.7mm范围内，本实施例具体为0.5mm。
对铜丝201的超亲水处理和超疏水处理可采用各种传统方法，具体在本实施例中，方法如下：
首先，无论是对铜丝201进行超亲水处理还是超疏水处理，最好都预先对铜丝201作清洁处理，然后再对铜丝201作表面处理。
上述清洁处理主要包括：
1)使用45℃水性脱脂溶液超声清洗铜丝30分钟，以去除铜丝表面油污，再用去离子水超声清洗；
2)使用2.0mol/L的盐酸溶液中，超声浸泡10分钟，去除表面氧化物等杂物，再用去离子水超声清洗，除净铜丝表面残留酸液残留物；然后使用氮气吹干备用。
超亲水表面处理包括：将清洁好的铜丝置于氧化液中，在室温条件下浸泡30分钟后取出，前述氧化液成分为NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水，各成分质量比例依次为3.75:5:10:100；之后利用去离子水超声清洗10分钟，然后利用氮气吹干。
超疏水表面处理包括：将清洁好的铜丝201放入质量分数为1％的氟硅烷/乙醇溶液中，在40℃条件下浸泡1小时，然后在100℃的干燥箱内烘烤1小时。
经试验检验，疏水表面的接触角为156.2°＞150.0°，达到超疏水标准；亲水表面的接触角为8.6°＜10.0°，达到超亲水标准。同时，对加工后的翅片管(管体)也使用脱脂剂除油，盐酸清除表面的氧化物等杂物，再用去离子水超声清洗去除表面的清洗液的残留物，再用氮气吹干备用。将多根超亲水表面和超疏水表面的铜丝拧在一起形成多股铜丝的铜丝绞线。然后沿带螺旋翅片的管体进行缠绕，绞线位于翅片间的沟槽内，与管体紧密接触。在热流密度较低的条件下，铜丝绞线中疏水表面的铜丝可多些，反之，亲水表面的铜丝要多些。
图4显示制冷剂为R134a，蒸发温度为5℃时，本实施例这种蒸发换热管与常规蒸发换热管的管外蒸发换热系数的比较。其中，横坐标为表面热流密度，纵坐标为管外蒸发换热系数。从中可以发现本实施例的管外蒸发换热系数比常规商用蒸发换热管的高10％左右。
当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
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