一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面及其制备方法和应用

本发明涉及表面设计，尤其涉及一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在温室气体大量排放，全球气候不断变暖的严峻形势下，强迫对流换热器作为工业生产和居民生活中最常见的换热设备，其能耗与工作效率受到世界各地研究人员的广泛关注。为提高换热器效率、降低换热器能耗，研究人员进行了大量的研究工作。流动阻力和传热能力是强迫对流换热器的两个重要性能指标。相关的研究表明，对表面进行疏水化和超疏水化处理可以有效减小换热器内流动阻力和降低流动压降，从而节约能源。但是疏水和超疏水表面存在大量的气穴，导致其热阻显著增加，严重削弱了换热器的传热能力，使得流动性能和传热性能朝相反的方向发展。

2、与疏水表面相比，亲水表面由于其良好的润湿性而与流体具有更大的接触面积，进而导致其换热性能优异，但是其与流体之间较强的吸附力却使流动阻力大幅提高，限制了亲水表面在强迫对流换热中的应用。因此，将亲水和疏水表面相结合以减小流动阻力和提高传热能力是改善强迫对流换热设备性能的有效途径。如文献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.制备了具有微柱结构的亲/疏水复合表面，其微柱(20×20×70μm3)采用顶端亲水、侧面与底端疏水处理，该方案本质是利用微柱顶端和其他面的不均匀润湿性的特性进行强化冷凝传热，其表面微柱形成的气穴仍然会增大热阻，并且该表面制备难度较大，且微柱顶端和其他面的不均匀润湿性在实际使用过程中也很难维持，不利于其工业应用。中国专利cn202010393008.4公开了一种条纹亲/疏水梯级沟槽结构的仿生表面应用于蒸汽冷凝领域，其利用其三级沟槽结构来强化冷凝传热，制备难度较大，且三级结构中仍存在气穴增大热阻。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面及其制备方法和应用。本发明提供的复合表面为具有协调强迫对流换热的流动性能与传热性能的表面结构，在有效减小换热设备中流动阻力、节约驱动能源的同时，又能解决现有疏水表面气穴热阻对传热性能的影响。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，所述复合表面的展向和流向均呈亲水块状区域和宏观疏水块状区域交替分布的形式，每个所述宏观疏水块状区域均具有微柱阵列结构，所述微柱阵列结构的上表面与所述亲水块状区域的上表面持平。

4、优选地，所述亲水块状区域的静态水接触角为4～6°。

5、优选地，单个宏观疏水块状区域的平面尺寸为2mm×2mm。

6、优选地，单个宏观疏水块状区域的微柱阵列结构中微柱的边长、高度及间距均为微米量级。

7、优选地，单个宏观疏水块状区域的微柱阵列结构中单一微柱的横截面尺寸为200μm×200μm，高度为100μm，相邻微柱的间距为50～200μm。

8、优选地，单个宏观疏水块状区域的静态水接触角为139～141°。

9、优选地，所述亲水块状区域和宏观疏水块状区域微柱阵列结构的材质为铜基材料。

10、本发明提供了以上技术方案所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面的制备方法，包括以下步骤：

11、提供亲水基材；

12、对所述亲水基材进行激光烧蚀，形成由微柱阵列结构组成的宏观疏水块状区域和由所述宏观疏水块状区域间隔出的亲水块状区域，且展向和流向均呈亲水块状区域和宏观疏水块状区域交替分布的形式，得到所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面。

13、优选地，所述亲水基材的制备方法包括以下步骤：

14、将铜基材料打磨抛光后，置于过氧化氢溶液中遮光浸泡，得到所述亲水基材；所述过氧化氢溶液的质量分数为30％，所述遮光浸泡的时间为8h。

15、本发明提供了以上技术方案所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面在强迫对流换热器中的应用。

16、本发明提供了一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，所述复合表面的展向和流向均呈亲水块状区域和宏观疏水块状区域交替分布的形式，每个所述宏观疏水块状区域均具有微柱阵列结构，所述微柱阵列结构的上表面与所述亲水块状区域的上表面持平。本发明提供的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，由亲水块状区域和微柱状结构阵列的宏观疏水块状区域组成，用于强化单相强迫对流换热；其中微柱状结构阵列的疏水区域内存在气穴能产生速度滑移现象，可减小流动阻力；而亲水区域能强化固-液接触以增强传热效果，并且沿着流向和展向亲水和疏水区域的交界面处存在速度突变引起的涡流，能够加强流体工质的局部扰动，可克服气穴热阻带来的传热能力削弱的弊端，进一步强化传热效果。因此，本发明提供的复合表面能够在减小流动阻力、节省驱动能源的同时，有效强化流体工质的局部扰动，一定程度上抵消疏水区域热阻增加带来的弊端，提高换热设备的传热能力。

17、本发明提供了以上技术方案所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面的制备方法，本发明采用激光烧蚀加工技术在亲水基底上形成具有微柱状结构的疏水区域，具有较好的机械强度和稳定性，与现有的喷涂涂层法和化学处理法制备的亲/疏水表面相比，具有易制备、耐高温、抗磨损、寿命长等优点，可以长时间有效提升换热设备的综合性能和使用寿命。

18、本发明提供了以上技术方案所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面在强迫对流换热器中的应用。本发明针对流动传热领域，开发了所述宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，只需改变换热设备或流动通道中的一个表面即可实现流动性能和传热性能的提升，具有实现方式简单、运行可靠、制备容易等优点。

技术特征：

1.一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，所述复合表面的展向和流向均呈亲水块状区域和宏观疏水块状区域交替分布的形式，每个所述宏观疏水块状区域均具有微柱阵列结构，所述微柱阵列结构的上表面与所述亲水块状区域的上表面持平。

2.根据权利要求1所述的复合表面，其特征在于，所述亲水块状区域的静态水接触角为4～6°。

3.根据权利要求1所述的复合表面，其特征在于，单个宏观疏水块状区域的平面尺寸为2mm×2mm。

4.根据权利要求1所述的复合表面，其特征在于，单个宏观疏水块状区域的微柱阵列结构中微柱的边长、高度及间距均为微米量级。

5.根据权利要求3或4所述的复合表面，其特征在于，单个宏观疏水块状区域的微柱阵列结构中单一微柱的横截面尺寸为200μm×200μm，高度为100μm，相邻微柱的间距为50～200μm。

6.根据权利要求1所述的复合表面，其特征在于，单个宏观疏水块状区域的静态水接触角为139～141°。

7.根据权利要求1所述的复合表面，其特征在于，所述亲水块状区域和宏观疏水块状区域微柱阵列结构的材质为铜基材料。

8.权利要求1～7任意一项所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述亲水基材的制备方法包括以下步骤：

10.权利要求1～7任意一项所述用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面在强迫对流换热器中的应用。

技术总结本发明提供了一种用于强迫对流换热的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面及其制备方法和应用，涉及表面设计技术领域。本发明提供的宏观亲/疏水结构交错分布的复合表面，由亲水块状区域和微柱状结构阵列的宏观疏水块状区域组成；其中疏水块状区域存在气穴能产生速度滑移，可减小流动阻力；而亲水区域能强化固‑液接触以增强传热效果，并且沿流向和展向亲水和疏水区域交界面处存在速度突变引起的涡流，能够加强流体工质的局部扰动，可克服气穴热阻带来的传热能力削弱的弊端。因此，本发明提供的复合表面在减小流动阻力、节省驱动能源的同时，有效强化流体工质的局部扰动，一定程度上抵消疏水区域热阻增加带来的弊端，提高换热设备的传热能力。技术研发人员：李羽白,丛昊天,白敏丽,吕学成,高林松受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20