一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器技术

本发明专利技术公开了一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器，涉及强化传热与节能领域，制备方法包括先对金属表面进行去污除油清洗，再采用飞秒激光烧蚀技术对清洁后的金属表面进行烧蚀，得到具有由微米级槽道主结构及覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构组合而成的复合微结构的表面，板式蒸发器包括人字形金属波纹板，该人字形金属波纹板具有上述微结构强化表面，此种微结构强化表面在蒸发器中可实现增大汽化核心密度、提高汽液界面的蒸发量、降低成核所需过热度等效果，微结构中的多孔次结构又可为沸腾过程中汽泡的生成提供大量的潜在成核点，从而有效强化沸腾传热过程，使板式蒸发器的传热性能明显提升。使板式蒸发器的传热性能明显提升。使板式蒸发器的传热性能明显提升。

【技术实现步骤摘要】
一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器


[0001]本专利技术涉及强化传热与节能领域，特别是涉及一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器。

技术介绍

[0002]热力循环系统是一类实现对可再生能源利用的重要绿色低碳技术。蒸发器作为众多热力循环系统中的核心部件，其性能直接影响系统的效率和经济性。板式换热器因其传热效率高、结构紧凑、成本较低等优点，被作为蒸发器广泛应用于各类热力循环系统中，如专利技术名称为“一种板式降膜蒸发器”、申请号为“201420827124.2”的专利技术专利，包括由支柱、导杆、活动压紧板、固定压紧板组成的框架以及若干叠装在框架内并用紧固螺栓紧固的蒸发板片。但是对于可再生能源中的中低温热源，因其温度低，导致工质在如上述专利技术专利一样的一般蒸发器内换热驱动力不足，热阻大，为了满足系统的额定热负荷，必须增大蒸发器的换热面积，大尺寸的蒸发器则增大了系统成本和占用空间，导致系统的经济性降低。另一方面，非共沸混合工质的非等温汽
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液相变过程与热(冷)源具有更好的匹配性，当使用非共沸混合工质替代传统纯工质时，可有效提升循环系统效率，实现系统成本的降低。但是相对于纯工质，非共沸混合工质各成分之间存在额外的传热传质阻力，其沸腾传热系数降低，传热性能减弱，传热性能的降低迫使一般蒸发器所需换热面积和换热器成本大大增加，抑制或抵消了使用非共沸混合工质系统提升效率所带来的经济成本降低的优势。
[0003]此外，板式换热器由多块波纹曲面金属板叠装而成，其紧凑型结构以及波纹板自身的曲面构造，增加现有微加工技术在波纹曲面板上制造微结构强化表面的难度，致使制造过程存在明显技术缺陷，如专利技术名称为“一种板式蒸发器用换热板”、申请号为“201310119871.0”的专利技术专利，其在换热板片基体上端面加工出微肋、开有微凹或在所述换热板片基体的表面加工出粗糙结构，或者如纳米粒子电化学沉积法，存在耗时长、程序复杂、成本高，且生成的结构具有随机性等不利因素。
[0004]由此，如何提升可再生能源利用中低温热能的利用效率以及非共沸混合工质在蒸发器内的传热性能，以及如何简化换热板表面制作工艺成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种微结构强化表面的制备方法及其板式蒸发器，以解决上述现有技术中出现的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种微结构强化表面的制备方法，包括以下步骤：
[0008]1)预处理：对金属表面进行去污除油清洗；
[0009]2)激光烧蚀：采用飞秒激光烧蚀技术，发射高能激光作用到所述金属表面，使该表面迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶形成复合微结构，所述复合微结构包括微米级槽道主结构和覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构；激光烧蚀的各项参数为：激光功率
20W
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400W，波长266nm
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1064nm，脉宽10fs
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12ps，重复频率300kHz
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800kHz，扫描速度0.2m/s
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2m/s，扫描间距50μm
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200μm。
[0010]优选地，步骤2)得到的所述微米级槽道主结构的凹槽宽度为10μm
–
100μm，所述纳米级或亚微米级多孔次结构的晶粒尺寸为100nm
–
10μm。
[0011]优选地，步骤2)中激光烧蚀的路径为垂直的网格结构。
[0012]优选地，步骤2)所采用的设备是飞秒或皮秒激光器，通过160mm f
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theta lens的扫描振镜加工，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过与设备连接的电脑进行设定，激光烧蚀的路径通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制。
[0013]优选地，步骤1)所述的金属样品材质为钢、钛或铜。
[0014]优选地，步骤1)所述的对金属表面进行清洗的方法是酸洗或超声波。
[0015]一种应用上述方法制备的微结构强化表面的板式蒸发器，包括人字形金属波纹换热板、固定架、支撑杆和移动架，所述人字形金属波纹换热板具有所述微结构强化表面，所述支撑杆一侧安装在所述固定架上，所述人字形金属波纹换热板层叠安装在所述支撑杆之间，所述支撑杆另一侧安装有所述移动架，所述固定架与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与人字形金属波纹换热板之间、人字形金属波纹换热板与移动架之间均设置有密封垫圈，所述密封垫圈用于限制流入蒸发器中的热源和工质的流向，所述支撑杆位于所述移动架外侧的部分设置有锁紧结构，所述锁紧结构用于固定并夹紧移动架。
[0016]优选地，层叠安装的相邻所述人字形金属波纹换热板的人字波纹上下方向相反，且相邻两块所述人字形金属波纹换热板的波峰与波谷互相接触。
[0017]优选地，所述支撑杆分别安装在所述固定架上下两侧。
[0018]优选地，所述支撑杆上设置有螺纹结构，所述锁紧结构为与所述螺纹结构相配合的螺母。
[0019]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0020]1.本专利技术采用飞秒激光烧蚀技术，相较于传统微加工技术，生成微结构快速、准确、耐久、成本低，制备的复合微结构强化表面由于具有众多的凹槽，可增大汽化核心密度，提高汽液界面的蒸发量，凹槽表面又覆盖有无数纳米级和亚微米级的晶粒形成的多孔次结构，可为沸腾过程中汽泡的生成提供大量的潜在成核点，两者结合使得复合微结构强化表面可有效改善液体接触角以及汽泡的成核、成长和脱离过程，降低成核所需过热度，从而有效强化沸腾传热过程，使单位面积上的换热效率显著提升。
[0021]2.通过将飞秒激光烧蚀路径设置为垂直网格结构，最大程度上地增加了复合微结构的密度，使其各种有益效果的发挥得到了优异的展现，且网格结构对于板式蒸发器的波纹曲面结构来说加工更为简单方便，基于以垂直网格结构为路径烧蚀得到的复合微结构强化表面，可以建立出更加良性的非共沸混合物在板式换热器交叉波纹通道内沸腾的两相流流型，得到基于流型的性能优异的换热模型。
[0022]3.应用了复合微结构强化表面的板式蒸发器，具有复合微结构强化表面可有效强化沸腾传热过程、使单位面积上的换热效率显著提升的优点，使其面对中低温热能的能源再利用和使用非共沸混合工质的系统时，既可有效提高中低温热能的利用效率，又改善了非共沸混合工质在一般蒸发器内传热性能低的问题，在控制经济成本的前提下，多方面有效地提升了基于先进热力循环技术的可再生能源利用系统的能源利用效率。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为金属表面经飞秒激光制备微结构后的扫描电镜图；
[0025]图2为基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微结构强化表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)预处理：对金属表面进行去污除油清洗；2)激光烧蚀：采用飞秒激光烧蚀技术，发射高能激光作用到所述金属表面，使该表面迅速加热熔化蒸发，随后冷却结晶形成复合微结构，所述复合微结构包括微米级槽道主结构和覆盖在其上的纳米级或亚微米级多孔次结构；激光烧蚀的各项参数为：激光功率20W
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500W，波长266nm
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1064nm，脉宽50fs
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12ps，重复频率300kHz
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800kHz，扫描速度0.2m/s
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2m/s，扫描间距50μm
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200μm。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)得到的所述微米级槽道主结构的凹槽宽度为10μm
–
100μm，所述纳米级或亚微米级多孔次结构的晶粒尺寸为100nm
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10μm。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中激光烧蚀的路径为垂直的网格结构。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所采用的设备是飞秒或皮秒激光器，通过160mm f
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theta lens的扫描振镜加工，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过与设备连接的电脑进行设定，激光烧蚀的路径通过CorelDRAW或AutoCAD软...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冀，黄晟，黄晓辉，胡润东，胡旭东，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：