本發(fā)明涉及表面設(shè)計，尤其涉及一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在溫室氣體大量排放，全球氣候不斷變暖的嚴(yán)峻形勢下，強迫對流換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中最常見的換熱設(shè)備，其能耗與工作效率受到世界各地研究人員的廣泛關(guān)注。為提高換熱器效率、降低換熱器能耗，研究人員進行了大量的研究工作。流動阻力和傳熱能力是強迫對流換熱器的兩個重要性能指標(biāo)。相關(guān)的研究表明，對表面進行疏水化和超疏水化處理可以有效減小換熱器內(nèi)流動阻力和降低流動壓降，從而節(jié)約能源。但是疏水和超疏水表面存在大量的氣穴，導(dǎo)致其熱阻顯著增加，嚴(yán)重削弱了換熱器的傳熱能力，使得流動性能和傳熱性能朝相反的方向發(fā)展。

2、與疏水表面相比，親水表面由于其良好的潤濕性而與流體具有更大的接觸面積，進而導(dǎo)致其換熱性能優(yōu)異，但是其與流體之間較強的吸附力卻使流動阻力大幅提高，限制了親水表面在強迫對流換熱中的應(yīng)用。因此，將親水和疏水表面相結(jié)合以減小流動阻力和提高傳熱能力是改善強迫對流換熱設(shè)備性能的有效途徑。如文獻yao?c?w,alvarado?j?l,marsh?c?p,et?al.wetting?behavior?on?hybrid?surfaces?with?hydrophobic?andhydrophilic?properties[j].applied?surface?science,2014,290:59-65.制備了具有微柱結(jié)構(gòu)的親/疏水復(fù)合表面，其微柱(20×20×70μm3)采用頂端親水、側(cè)面與底端疏水處理，該方案本質(zhì)是利用微柱頂端和其他面的不均勻潤濕性的特性進行強化冷凝傳熱，其表面微柱形成的氣穴仍然會增大熱阻，并且該表面制備難度較大，且微柱頂端和其他面的不均勻潤濕性在實際使用過程中也很難維持，不利于其工業(yè)應(yīng)用。中國專利cn202010393008.4公開了一種條紋親/疏水梯級溝槽結(jié)構(gòu)的仿生表面應(yīng)用于蒸汽冷凝領(lǐng)域，其利用其三級溝槽結(jié)構(gòu)來強化冷凝傳熱，制備難度較大，且三級結(jié)構(gòu)中仍存在氣穴增大熱阻。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的復(fù)合表面為具有協(xié)調(diào)強迫對流換熱的流動性能與傳熱性能的表面結(jié)構(gòu)，在有效減小換熱設(shè)備中流動阻力、節(jié)約驅(qū)動能源的同時，又能解決現(xiàn)有疏水表面氣穴熱阻對傳熱性能的影響。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，所述復(fù)合表面的展向和流向均呈親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域交替分布的形式，每個所述宏觀疏水塊狀區(qū)域均具有微柱陣列結(jié)構(gòu)，所述微柱陣列結(jié)構(gòu)的上表面與所述親水塊狀區(qū)域的上表面持平。

4、優(yōu)選地，所述親水塊狀區(qū)域的靜態(tài)水接觸角為4～6°。

5、優(yōu)選地，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的平面尺寸為2mm×2mm。

6、優(yōu)選地，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的微柱陣列結(jié)構(gòu)中微柱的邊長、高度及間距均為微米量級。

7、優(yōu)選地，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的微柱陣列結(jié)構(gòu)中單一微柱的橫截面尺寸為200μm×200μm，高度為100μm，相鄰微柱的間距為50～200μm。

8、優(yōu)選地，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的靜態(tài)水接觸角為139～141°。

9、優(yōu)選地，所述親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域微柱陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為銅基材料。

10、本發(fā)明提供了以上技術(shù)方案所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面的制備方法，包括以下步驟：

11、提供親水基材；

12、對所述親水基材進行激光燒蝕，形成由微柱陣列結(jié)構(gòu)組成的宏觀疏水塊狀區(qū)域和由所述宏觀疏水塊狀區(qū)域間隔出的親水塊狀區(qū)域，且展向和流向均呈親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域交替分布的形式，得到所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面。

13、優(yōu)選地，所述親水基材的制備方法包括以下步驟：

14、將銅基材料打磨拋光后，置于過氧化氫溶液中遮光浸泡，得到所述親水基材；所述過氧化氫溶液的質(zhì)量分數(shù)為30％，所述遮光浸泡的時間為8h。

15、本發(fā)明提供了以上技術(shù)方案所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面在強迫對流換熱器中的應(yīng)用。

16、本發(fā)明提供了一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，所述復(fù)合表面的展向和流向均呈親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域交替分布的形式，每個所述宏觀疏水塊狀區(qū)域均具有微柱陣列結(jié)構(gòu)，所述微柱陣列結(jié)構(gòu)的上表面與所述親水塊狀區(qū)域的上表面持平。本發(fā)明提供的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，由親水塊狀區(qū)域和微柱狀結(jié)構(gòu)陣列的宏觀疏水塊狀區(qū)域組成，用于強化單相強迫對流換熱；其中微柱狀結(jié)構(gòu)陣列的疏水區(qū)域內(nèi)存在氣穴能產(chǎn)生速度滑移現(xiàn)象，可減小流動阻力；而親水區(qū)域能強化固-液接觸以增強傳熱效果，并且沿著流向和展向親水和疏水區(qū)域的交界面處存在速度突變引起的渦流，能夠加強流體工質(zhì)的局部擾動，可克服氣穴熱阻帶來的傳熱能力削弱的弊端，進一步強化傳熱效果。因此，本發(fā)明提供的復(fù)合表面能夠在減小流動阻力、節(jié)省驅(qū)動能源的同時，有效強化流體工質(zhì)的局部擾動，一定程度上抵消疏水區(qū)域熱阻增加帶來的弊端，提高換熱設(shè)備的傳熱能力。

17、本發(fā)明提供了以上技術(shù)方案所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面的制備方法，本發(fā)明采用激光燒蝕加工技術(shù)在親水基底上形成具有微柱狀結(jié)構(gòu)的疏水區(qū)域，具有較好的機械強度和穩(wěn)定性，與現(xiàn)有的噴涂涂層法和化學(xué)處理法制備的親/疏水表面相比，具有易制備、耐高溫、抗磨損、壽命長等優(yōu)點，可以長時間有效提升換熱設(shè)備的綜合性能和使用壽命。

18、本發(fā)明提供了以上技術(shù)方案所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面在強迫對流換熱器中的應(yīng)用。本發(fā)明針對流動傳熱領(lǐng)域，開發(fā)了所述宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，只需改變換熱設(shè)備或流動通道中的一個表面即可實現(xiàn)流動性能和傳熱性能的提升，具有實現(xiàn)方式簡單、運行可靠、制備容易等優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，所述復(fù)合表面的展向和流向均呈親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域交替分布的形式，每個所述宏觀疏水塊狀區(qū)域均具有微柱陣列結(jié)構(gòu)，所述微柱陣列結(jié)構(gòu)的上表面與所述親水塊狀區(qū)域的上表面持平。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合表面，其特征在于，所述親水塊狀區(qū)域的靜態(tài)水接觸角為4～6°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合表面，其特征在于，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的平面尺寸為2mm×2mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合表面，其特征在于，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的微柱陣列結(jié)構(gòu)中微柱的邊長、高度及間距均為微米量級。

5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的復(fù)合表面，其特征在于，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的微柱陣列結(jié)構(gòu)中單一微柱的橫截面尺寸為200μm×200μm，高度為100μm，相鄰微柱的間距為50～200μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合表面，其特征在于，單個宏觀疏水塊狀區(qū)域的靜態(tài)水接觸角為139～141°。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合表面，其特征在于，所述親水塊狀區(qū)域和宏觀疏水塊狀區(qū)域微柱陣列結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為銅基材料。

8.權(quán)利要求1～7任意一項所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述親水基材的制備方法包括以下步驟：

10.權(quán)利要求1～7任意一項所述用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面在強迫對流換熱器中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于強迫對流換熱的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面及其制備方法和應(yīng)用，涉及表面設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的宏觀親/疏水結(jié)構(gòu)交錯分布的復(fù)合表面，由親水塊狀區(qū)域和微柱狀結(jié)構(gòu)陣列的宏觀疏水塊狀區(qū)域組成；其中疏水塊狀區(qū)域存在氣穴能產(chǎn)生速度滑移，可減小流動阻力；而親水區(qū)域能強化固?液接觸以增強傳熱效果，并且沿流向和展向親水和疏水區(qū)域交界面處存在速度突變引起的渦流，能夠加強流體工質(zhì)的局部擾動，可克服氣穴熱阻帶來的傳熱能力削弱的弊端。因此，本發(fā)明提供的復(fù)合表面在減小流動阻力、節(jié)省驅(qū)動能源的同時，有效強化流體工質(zhì)的局部擾動，一定程度上抵消疏水區(qū)域熱阻增加帶來的弊端，提高換熱設(shè)備的傳熱能力。

技術(shù)研發(fā)人員：李羽白,叢昊天,白敏麗,呂學(xué)成,高林松
受保護的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/8/20