Способ формирования комбинированного гидрофильного покрытия
METHOD FOR FORMING A COMBINED HYDROPHILIC COATING

Изобретение относится к энергосберегающей технике и теплоэнергетике, в частности к способам улучшения смачивания и капиллярных свойств поверхности теплообмена для повышения теплоотдачи при испарении и кипении.
Известен способ формирования нанорельефа на теплообменной поверхности (патент РФ №2433949, МПК В82В 3/00, опубл. 20.11.2011) путем осуществления на ней кипения наножидкости, заключающийся в том, что выбирают материал наночастиц с температурой плавления, равной 0.8-0.9 от температуры плавления изделия, получают при кипении наножидкости сплошной слой наночастиц на поверхности с минимальным термическим сопротивлением, выдерживают поверхность вместе со слоем наночастиц в инертной атмосфере при температуре 0,7-0,8 от температуры плавления наночастиц в течение 30 мин. Технический результат - получение на поверхности изделия слоя с минимальным термическим сопротивлением и скрепление указанного слоя с поверхностью изделия.
Недостатком способа является выдерживание слоя в инертной атмосфере в течение 30 минут, необходимость кипения жидкости.
Известен способ получения покрытия на внутренней поверхности трубы (авторское свидетельство SU №1237310, МПК B22F 7/00, опубл. 15.06.1986), включающий нанесение на поверхность трубы слоя полимерного связующего и слоя металлического порошка, его формование с периодически изменяющимся вдоль трубы усилием и последующее спекание. Устройство для получения покрытия на внутренней поверхности трубы содержит формующий элемент и привод, причем формующий элемент выполнен в виде стержня и надетой на него пружины, закрепленной жестко одним концом в стержне и другим концом соединенной через кольцо с приводом.
Недостатком данного способа является необходимость использования полимерного порошка и использования спекания для закрепления частиц.
Также известен способ, описанный в работе Chen Feng, Sanjeev Chandra, «Evaporation of ethanol films wicking on structured, porous coatings deposited on copper plates,» International Journal of Heat and Mass Transfer, т.136, pp. 821-831, 2019. Частицы медного порошка (53-88 мкм в диаметре) впрыскивались в водородно-кислородное пламя, которое потоком горячего газа перемещало их на прямоугольные полосы меди (25 мм на 100 мм и толщиной 0,8 мм), помещенные на расстоянии 100 мм от распылительного сопла, где они соприкасались и спекались друг с другом, образуя твердое покрытие. Для получения покрытий использовали и алюминиевые порошки (35-63 мкм в диаметре), которые вводились одновременно с медными порошками для формирования композитного медно-алюминиевого покрытия. Затем алюминий выщелачивали, помещая пластину в 30% раствор гидроксида натрия при температуре 100°С, для увеличения пористости. Каналы для усиления капиллярных эффектов в медных покрытиях были сделаны путем размещения кусочков алюминиевой проволоки на подложках перед распылением. Распыленные частицы порошка проходили через отверстия в сетке и оседали на подложку, образуя пирамидальные массивы с сеткой каналов между ними. Для покрытия получена высота подъема жидкости до 40 мм.
Недостатками данного способа являются необходимость применения водородно-кислородного пламени, специальной сетчатой структуры из полос меди и спекания частиц на поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования гидрофильного покрытия из наночастиц, раскрытый в патенте РФ №2727406, МПК С23С 24/08, опубл. 21.07.2020, согласно которому покрытие формируют путем нанесения на нагретую до 250°С поверхность теплообмена раствора наночастиц с помощью распыления с последующим испарением капель воды при атмосферном давлении на воздухе. Высота подъема жидкости составляет от 10 до 15 мм.
Недостатками данного метода является низкая высота подъема жидкости, необходимость распыления наножидкости на поверхность с промежутками в 10 секунд.
Техническая задача состоит в увеличении высоты подъема жидкости за счет формирования гидрофильной пористой структуры на поверхности теплообмена.
Технический результат изобретения заключается в повышении теплоотдачи при испарении и кипении за счет увеличения площади испарения и увеличении центров парообразования при кипении.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования гидрофильного покрытия из наночастиц оксида алюминия на поверхности теплообмена, включающем нанесение на поверхность теплообмена наножидкости, согласно изобретению, сначала на упомянутой поверхности нарезают канавки шириной от 10 мкм до 100 мкм, нагревают упомянутую поверхность до 50-100°С, затем в качестве наножидкости на поверхность теплообмена наносят наножидкость, состоящую из наночастиц оксида алюминия размером от 50 до 100 нм и изопропанола, осуществляют испарение жидкости из упомянутой наножидкости при атмосферном давлении на воздухе и повторяют нанесение упомянутой наножидкости и испарение жидкости из наножидкости от 10 до 15 раз.
Сущность способа формирования комбинированного гидрофильного покрытия поясняется фигурами, где на фиг.1 показана фотография поверхности теплообмена с нанесенным покрытием, а именно, слой наночастиц оксида алюминия, нанесенный на микроструктуру. На фиг.2 показана схема измерения высоты подъема жидкости по слою, полученному заявленным способом. Схема измерения высоты подъема жидкости содержит подложку 1, жидкость 2, иглу 3, линейку 4, камеру 5. На фиг. 3 показана зависимость высоты подъема жидкости от толщины покрытия.
Способ формирования комбинированного гидрофильного покрытия осуществляется следующим образом.
С помощью абразива с размером зерна от 10 мкм до 100 мкм на поверхности теплообмена нарезают канавки, затем поверхность нагревают до температуры от 50 до 100°С и наносят наножидкость, состоящую из наночастиц оксида алюминия размером от 50 до 100 нм и изопропанола с концентрацией наночастиц от 0,01 до 0,1%. Наножидкость испаряется при атмосферном давлении на воздухе, что приводит к формированию слоя наночастиц оксида алюминия. Процедуру нанесения наножидкости и испарения жидкости из наножидкости повторяют от 10 до 15 раз. Полученное покрытие (фиг. 1) позволяет достигнуть высоты капиллярного подъема жидкости от 30 до 35 мм и краевого угла 0 градусов.
Экспериментально обнаружено, что наилучшие характеристики покрытия достигаются в указанных диапазонах параметров. Для измерения высоты подъема жидкости согласно схеме на фиг. 2 на подложку 1 наносят жидкость 2 с помощью подачи через иглу 3, после чего с помощью линейки 4 измеряют высоту подъема на фотографии, полученной с камеры 5. По измеренным значениям была построена зависимость высоты подъема жидкости от толщины слоя (фиг. 3), где (1) - комбинированное покрытие -слой наночастиц в канавках, (2) - слой наночастиц, (3) - канавки. Комбинированное покрытие обеспечивает значительно лучшие гидрофильные свойства, чем нанесение слоя наночастиц и нарезание канавок по отдельности.
С ростом высоты подъема жидкости увеличивается и площадь испарения, что повышает коэффициент теплоотдачи при испарении, а структура на основе наночастиц увеличивает количество центров парообразования, что приводит к росту теплоотдачи при кипении.
Использование изобретения позволяет исключить технически сложные операции формирования гидрофильной поверхности с помощью нанесения частиц в пламени водородно-кислородной горелки или применение спекания и полимерных паст. Полученное покрытие позволяет увеличить высоту подъема жидкости до 35 мм по сравнению с прототипом.