Способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена Российский патент 2023 года по МПК B05D7/24 F28F13/18 B82Y40/00 

Область техники

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к способам гидрофобизации и изменения смачивания поверхности и может быть использовано для интенсификации теплоотдачи при конденсации водяного пара.

Уровень техники

Известен способ гидрофобизации поверхности дисперсных материалов (патент RU 2064463, МПК С04Б 20/10, опубл. 20.06.2000), включающий подачу аэродисперсной смеси в вихревую камеру сверху, создание устойчивого вихревого потока, обработку газообразным гидрофобизатором, отделение газовой фазы, отличающийся тем, что аэродисперсную смесь подают с температурой 20-400°С, обработку газообразным гидрофобизатором проводят при температуре 450-700°С, а отделение газовой фазы производят в два этапа: сначала перед обработкой газообразным гидрофобизатором и после указанной обработки.

Недостатками способа являются высокая энергозатратность, направленная на дополнительный нагрев гидрофобизатора до 450-700°С и создание вихревого потока.

Известен способ гидрофобизации поверхности гипсовых изделий (патент RU 2095239, МПК В28В 7/38, опубл. 10.11.1997), в котором на формующую поверхность оборудования наносят смазывающий состав, содержащий индустриальное масло и жир минерального происхождения, а также кремнийорганическую жидкость, ускоритель схватывания гипса и резиновый или каучуковый клей при следующем содержании компонентов (в мас.%: жир минерального происхождения 2-10, кремнийорганическая жидкость 5-15, ускоритель схватывания гипса 1-3, резиновый или каучуковый клей 1-5, индустриальное масло - остальное. В качестве жира минерального происхождения используют стеарин или парафин, или петролатум, в качестве ускорителя схватывания гипса - сернокислый или хлористый натрий или калий, в качестве индустриального масла - отработанное масло, в качестве вещества, придающего эластичное свойство поверхностному слою изделия - резиновый или каучуковый клей.

Недостатками данного способа являются необходимость использования многокомпонентного состава, усложняющего технологический процесс, что влечет повышение трудоемкости.

Известен способ интенсификации теплообмена на поверхности (US 5814392 А, МПК B05D 5/02, C09D 7/00, F28F 13/00, F28F 13/18, Б32Б 015/08, С08К 003/00, опубл. 29.09.1998 г.), в котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на охлаждаемую поверхность наносят смесь из клея, частиц и растворителя, при этом поверхность приобретает гидрофобные свойства.

Недостатком этого способа является неравномерный теплообмен.

Известен теплообменник системы вентиляции (патент RU 2468303, МПК F24F 12/00, опубл. 27.11.2012), содержащий N подводящих и N отводящих каналов, где N - целое число и N≥1, отличающийся тем, что снабжен гидрофобным покрытием в виде моно- или полимолекулярной пленки, образованной адсорбцией алифатического амина, расположенной на внутренних поверхностях отводящих каналов. Моно- или полимолекулярная пленка образована адсорбцией октадециламина.

Недостатком системы вентиляции является то, что используемый в качестве гидрофобного покрытия алифатический амин - октадециламин применяется прежде всего как антикоррозийная защита и не способствует стабилизации капельной конденсации теплообмена.

Известен способ интенсификации теплообмена при кипении на гладкой поверхности (патент RU 2542253, МПК B05D 1/00), при котором для обеспечения интенсификации теплообмена при кипении на гладкой охлаждаемой поверхности образуют гидрофобную область, отличающийся тем, что на гладкой охлаждаемой поверхности образуют множество гидрофобных областей диаметра d, расположенных в шахматном порядке на расстоянии L друг от друга, причем диаметр каждой гидрофобной области d и расстояние гидрофобных областей друг от друга L определяют из свойств жидкости и охлаждаемой поверхности.

Недостатками данного способа являются сложный технологический процесс формирования структуры и высокая трудоемкость, что повышает себестоимость производства тепловой энергии.

Также известен способ гидрофобизации поверхности, описанный в статье (A.V. Ryzhenkov, M.R. Dasayev, O.V. Ryzhenkov, A.V. Kurshakov "On Parameters of Normalized Different-Scale Relief Created on Brass Surfaces by Means of Laser" International Journal of Applied Engineering Research Volume 12, Number 19 (2017) pp. 8824-8829 ISSN 0973-4562), согласно которому формируют микротекстуру с помощью мощного лазера, краевой угол для которой равен 141 градус.

Недостатком способа является его сложность вследствие необходимости использования мощного лазера.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ формирования гидрофобной текстуры на поверхности металла (патент RU 2750831, МПК F28F 13/04, F28F 13/18, F28F 21/08, опубл. 05.07.2021), заключающийся в создании шероховатой текстуры, отличающийся тем, что шероховатую текстуру формируют продавливанием поверхности металла равномерно расположенными мелкодисперсными твердыми сферическими частицами размерами от 70 до 80 мкм, обеспечивая на полученной текстурированной поверхности краевые углы от 140 до 150°С.

Недостатками данного способа являются нестабильная капельная конденсация и необходимость применения специального пресса.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача состоит в стабилизации капельной конденсации на металлической поверхности теплообмена с исключением операции продавливания.

Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении трудоемкости процесса стабилизации капельной конденсации с увеличением коэффициента теплоотдачи при капельной конденсации и исключением операции продавливания.

Технический результат достигается тем, что используют способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена, в котором на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру, формируют микрорельеф, обрабатывая поверхность потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с, после чего поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде, и на очищенную поверхность наносят пасту, включающую наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с маслом, при концентрации наночастиц углерода 0,1 мас.%, и выдерживают не менее 10 мин.

В развитие изобретения паста включает наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с силиконовым маслом.

В развитие изобретения паста включает наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с минеральным маслом.

В развитие изобретения на очищенную поверхность наносят пасту с помощью валика.

В развитие изобретения на очищенную поверхность наносят пасту с помощью кисти.

Использование изобретения позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации, а также упростить технологию за счет исключения операции продавливания.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано влияние гидрофобного покрытия на среднюю и локальную теплоотдачу при конденсации на горизонтальной трубе.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1. Средняя теплоотдача, перепад температур 5-56°С, давление 0,009-0,038 МПа;

2. Локальная теплоотдача, перепад температур 32-48°С, давление 0,009-0,013 МПа.

На фиг. 2 показан значения краевого угла смачивания при обработке поверхности механическим продавливанием и абразивным песком.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:

3. Механическое продавливание;

4. Обработка абразивным песком.

Осуществление изобретения

Способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена осуществляют следующим образом:

- создают шероховатую текстуру путем формирования микрорельефа с помощью обработки потоком абразивных частиц со скоростью v>50 м/с;

- поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде;

- наносят на поверхность подготовленную пасту, включающую наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с маслом, при концентрации наночастиц углерода 0,1 мас.%;

- выдерживают 10 мин.

Заявленный способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена может быть реализован, например, следующим образом.

Для формирования микроструктуры применяют, обработку потоком абразивного песка размером 80 мкм со скоростью v, равной 50 м/с или выше. Дальнейшее увеличение скорости не влияет на формирование гидрофобного покрытия, так как шероховатая текстура для закрепления наночастиц на поверхности создана. При обработке потоком со скоростью менее 50 м/с абразивный песок не оставляет следов на стальных и медных поверхностях. Размер частиц абразивного песка при формировании микроструктуры не имеет значения. В результате создается микрорельеф с углублениями диаметром от 80 до 90 мкм. Экспериментально установлено, что применение потока абразивного песка со скоростью более 50 м/с равнозначно механическому продавливанию, и позволяет исключить применение пресса для формирования структуры (фиг. 2). На фиг. 2 показано, что дорогостоящая процедура продавливания эквивалентна обработке абразивным песком, так как краевой угол сохраняется. После формирования микроструктуры поверхность очищают с помощью промывания в растворе щелочи, а затем, в дистиллированной воде.

Щелочь необходима для удаления остатков жиров или других загрязнении, а дистиллированная вода для очистки поверхности от щелочи.

Для формирования структуры подготавливают пасту на основе наночастиц углерода и масла, например, силиконового или минерального. Пасту готовят из порошка наночастиц углерода размером от 5 до 50 нм и масла. Экспериментально установлено, что увеличение размера наночастиц углерода приводит к деградации и разрушению слоя, а уменьшение - меньше 5 нм, - экономически не целесообразно. Массовая концентрация наночастиц в масле составляет 0,1%. При уменьшении содержания в составе пасты масла увеличивается расход наночастиц углерода и снижается надежность и долговечность покрытия, а при увеличении - образуются области на поверхности без наночастиц, что ухудшает гидрофобные свойства поверхности.

Подготовленную пасту наносят на поверхность с микроструктурой с помощью валика или кисти, затем выжидают в течении 10 минут для равномерного распределения пасты на поверхности из-за действия сил гравитации. После нанесения формируется структура: микроструктура и слой наночастиц размером от 5 до 50 нм. Включение в состав пасты масла предотвращает проникновение пара в слой структуры, и приводит к стабилизации капельной конденсации.

Формирование структуры позволяет увеличить количество центров конденсации и коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации. Нано- и микрорельеф в отдельности не приводят к таким гидрофобным свойствам, пока их не комбинируют (см. фиг. 1, 2).

Использование изобретения позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации, а также упростить технологию за счет исключения операции продавливания.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к способам гидрофобизации поверхности для стабилизации капельной конденсации. Для формирования гидрофобной структуры на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру - формируют микрорельеф с помощью обработки потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с. После этого поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде. Наносят на поверхность пасту из наночастиц углерода размером от 5 до 50 нм, смешанных с маслом, при концентрации наночастиц углерода 0,1 мас.%. Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении трудоемкости процесса стабилизации капельной конденсации с увеличением коэффициента теплоотдачи при капельной конденсации и исключением операции продавливания. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования гидрофобной структуры поверхности теплообмена, в котором на поверхности теплообмена создают шероховатую текстуру, отличающийся тем, что формируют микрорельеф, обрабатывая поверхность потоком абразивных частиц со скоростью v не менее 50 м/с, после чего поверхность очищают промыванием в растворе щелочи, а затем в дистиллированной воде, и на очищенную поверхность наносят пасту, включающую наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с маслом, при концентрации наночастиц углерода 0,1 мас.%, и выдерживают не менее 10 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что паста включает наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с силиконовым маслом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что паста включает наночастицы углерода размером от 5 до 50 нм, смешанные с минеральным маслом.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на очищенную поверхность наносят пасту с помощью валика.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на очищенную поверхность наносят пасту с помощью кисти.