CN112175485A - 超亲水涂料、换热器及换热器表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及换热器技术领域，公开了一种超亲水涂料、换热器及换热器表面处理方法，超亲水涂料，包括0.5％‑15％的超亲水纳米颗粒、1％‑10％的硅溶胶或环氧树脂以及剩余量的溶剂；超亲水纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或多种；硅溶胶为酸催化水解硅酸脂形成的硅溶液，环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂中的一种或多种。使用超亲水涂层的方式对换热表面材质进行超亲水处理的方式，达到增加换热表面水分以提升换热效率，减小了结霜速度，同时缓解换热表面材质被水分和空气中杂质腐蚀/锈化。

Description

超亲水涂料、换热器及换热器表面处理方法
技术领域
本申请涉及换热器技术领域，尤其涉及一种超亲水涂料、换热器及换热器表面处理方法。
背景技术
换热器(尤其是对工作液体进行散热的换热器)在散热过程中通过固体介质的换热表面进行热传导，在对气体散热时如果换热表面上带有水分，则会增强其换热效率。由于液体与气体传热效率比固体与气体高，因此相关技术中会采用对换热表面进行喷水或对即将进入换热器的气体补充水分。
相关技术中主要采取水喷淋头的方式对空气或者换热表面湿润，其中换热效率最高的是蒸发式冷凝器，其优势在于水分可回收性，但其生产及安装比较困难，且未达到最高换热效率。
相关技术中也有采用纤维板的方式对进入冷凝器的空气进行湿润的方式，但由于空气湿润度有限，无法持续达到高换热效率。
在高湿度与水接触的环境下工作时间太长会损伤易腐蚀的换热表面材料。为防止换热表面材质被水分和空气中杂质腐蚀/锈化，相关技术使用亲水涂层对换热表面进行处理，通过亲水处理的换热表面与未经处理的换热表面相比因其在表面有附着层，故减少了水分和杂质与换热表面材质的接触，亲水涂层同时因其能使更多凝结水滴停留在换热表面，使空气在与换热表面热传导的同时与水滴进行热传导，以实现提升换热效率的效果，但在低温环境中使用亲水处理的换热表面会加快结霜速度，这样会增加除霜频率。
发明内容
为了缓解换热表面材质被水分和空气中杂质腐蚀/锈化，同时提升换热效率的效果，以及竟可能减小对结霜速度的影响，本申请公开了提供了超亲水涂料、换热器及换热器表面处理方法。
一方面，本申请提供的超亲水涂料，包括以下技术方案：
超亲水涂料，包括0.5％-15％的超亲水纳米颗粒、1％-10％的硅溶胶或环氧树脂以及剩余量的溶剂；
所述超亲水纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或多种；
所述硅溶胶为酸催化水解硅酸脂形成的硅溶液，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂中的一种或多种；
所述溶剂包括甲醇、乙酰乙酸乙酯、硝酸、叔丁醇钾、乙醇、异丙醇、异丁醇、氟代烷基硅烷、环乙烷、正乙烷、乙酸丁脂、丙酮、二甲基乙烷胺中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，成分组合后达到的效果是使换热表面产生纳米颗粒，从而使表面凹凸不平的同时能够容纳更多水分，因此，使用超亲水涂层的方式对换热表面材质进行超亲水处理的方式，达到增加换热表面水分以提升换热效率，减小了结霜速度，同时缓解换热表面材质被水分和空气中杂质腐蚀/锈化。
在一些实施方式中，所述超亲水纳米颗粒为二氧化硅。
通过采用上述技术方案，二氧化硅材料与硅溶液组合效果更强，由于同属硅基。
在一些实施方式中，所述超亲水纳米颗粒的粒径为5-100nm。
如果颗粒过小则无法形成粗糙表面，如果颗粒过大则会影响疏水性，通过采用上述技术方案，同时能够形成粗糙表面，且不会影响疏水性。
第二方面，本申请提供的换热器，包括以下技术方案：
换热器，包括多片平行且并排设置的翅片以及多根垂直贯穿所述翅片的管束，所述翅片或换热器整体表面设有上述的超亲水涂料涂层。
通过采用上述技术方案，使用超亲水涂层的方式对换热表面材质进行超亲水处理的方式，达到增加换热表面水分以提升换热效率，减小了结霜速度，同时缓解换热表面材质被水分和空气中杂质腐蚀/锈化。
在一些实施方式中，所述翅片为正弦曲线波纹板。
通过采用上述技术方案，通过翅片表面的形状，使同等尺寸的换热器内具有更多的换热表面，因此，换热器的换热面积和换热效率都会有提升。
在一些实施方式中，每片翅片上设置有纵向涡发生器。
通过采用上述技术方案，安装纵向涡发生器，使得气体侧的流体在经过纵向涡发生器时，气体与纵向涡发生器由于摩擦而分离，在压差的驱动下，形成强烈的纵向旋转并向下游发展。纵向涡的存在，破坏了气体侧流体边界层的发展，引起流体的宏观混合，增加湍流度，因此具有很好的强化换热效果，并且纵向涡可以使流动方向速度改变很小，阻力损失增加也较小，显著提高了换热器性能。
在一些实施方式中，相邻所述管束成正弦曲线交错设置。
通过采用上述技术方案，管束排放方式在同等尺寸的换热器内能有更多工作液体通过，以达到更高的换热效率和传热系数。
另一方面，本申请提供的换热器表面处理方法，包括以下技术方案：
换热器表面处理方法，将换热器浸入超亲水涂料中，所述换热器浸入超亲水涂料中时，所述翅片垂直于液面，以2mm/s的速度浸入，在超亲水涂料中放置5s～2min，再以2mm/s的速度取出，使表面形成均匀的膜层，成膜后，自然室温干燥0.5～24h和/或以80～150℃烘烤5～60min。
换热器表面处理方法，使用0.5mm-1.5mm口径的喷枪，以0.2pa压力低流量向将换热器喷涂涂层，使换热器表面形成均匀的膜层，所述膜层超亲水涂料，成膜后，自然室温干燥0.5～24h和/或以80～150℃烘烤5～60min。
通过采用上述技术方案，在换热器表面形成涂层前，将换热器浸没在丙酮、乙醇和去离子水中，以清洁外表面；然后将换热器暴露于2mol的盐酸溶液中15min，以产生微尺度的粗糙度特征；然后将换热器置于90℃的去离子水中1h，以生成一层氢氧化铝。
附图说明
图1为本申请披露的换热器中翅片与管束的结构示意图；
图2为本申请披露的换热器中翅片与管束的侧视图。
附图标记：1、翅片；2、管束；11、纵向涡发生器。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本申请作进一步详细说明。
本申请首先公开了超亲水涂料。
实施例1：
本申请实施例1公开了超亲水涂料，其由0.5％的超亲水纳米颗粒、10％的硅溶胶以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；
硅溶胶为酸催化水解硅酸脂形成的硅溶液；
溶剂为甲醇。
其制备方法为：将粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒、酸催化水解硅酸脂形成的硅溶液，以及甲醇放入高速混合机中搅拌后，将混合物放入双螺旋杆中熔融挤出，然后将熔融的混合物经压片、破碎、筛分后得到超亲水涂料。
实施例2：
本申请实施例2公开了超亲水涂料，其由15％的超亲水纳米颗粒、1％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化钛颗粒；
环氧树脂为双酚A型环氧树脂；
溶剂为乙酰乙酸乙酯。
其制备方法如实施例1中所述，或者将超亲水纳米颗粒、环氧树脂溶解于溶剂中进行超声分散15～60分钟，混合均匀后得到超亲水涂料。
实施例3：
本申请实施例3公开了超亲水涂料，其由2％的超亲水纳米颗粒、8％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；
环氧树脂为多酚型缩水甘油醚环氧树脂；
溶剂为叔丁醇钾。
其制备方法如实施例1中所述。
实施例4：
本申请实施例4公开了超亲水涂料，其由4％的超亲水纳米颗粒、7％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的三氧化二铝颗粒；
环氧树脂为双酚F型环氧树脂；
溶剂为硝酸。
实施例5：
本申请实施例5公开了超亲水涂料，其由5％的超亲水纳米颗粒、6％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；
环氧树脂为脂肪族缩水甘油醚环氧树脂；
溶剂为乙醇。
实施例6：
本申请实施例6公开了超亲水涂料，其由5％的超亲水纳米颗粒、5％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；
环氧树脂为缩水甘油酯型环氧树脂；
溶剂为异丙醇。
实施例7：
本申请实施例7公开了超亲水涂料，其由6％的超亲水纳米颗粒、4％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；
环氧树脂为缩水甘油胺型环氧树脂；
溶剂为异丁醇。
实施例8
本申请实施例8公开了超亲水涂料，其由7％的超亲水纳米颗粒、3％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅与三氧化二铝的混合颗粒，二氧化硅与三氧化二铝的混合比例为1：1；
环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂按照1：1的比例混合而成；
溶剂为氟代烷基硅烷。
实施例9
本申请实施例9公开了超亲水涂料，其由0.5％的超亲水纳米颗粒、8％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅与二氧化钛的混合颗粒，二氧化硅与二氧化钛的混合比例为1：1；
环氧树脂为多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂按照1：1的比例混合而成；
溶剂为环乙烷。
实施例10
本申请实施例10公开了超亲水涂料，其由0.5％的超亲水纳米颗粒、7％的环氧树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，
超亲水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化钛与三氧化二铝的混合颗粒，二氧化钛与三氧化二铝的混合比例为1：1；
环氧树脂为缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂按照1：1的比例混合而成；
溶剂为正乙烷、乙酸丁脂、丙酮、二甲基乙烷胺按照1：1：1：1的混合溶剂。
针对上述实施例1-10所得的产品进行性能测试，其试验方法采用GBT10125-1997人造气氛腐蚀试验盐雾试验，GB/T26490-2011静态水接触角/水滚动角试验，GB1720-79附着力试验。其测试结果如表1所示：
表1性能测试结构：
Figure BDA0002709300700000081
Figure BDA0002709300700000091
本申请还公开了换热器，如图1和图2所示，包括多片平行且并排设置的翅片1以及多根垂直贯穿翅片1的管束2，以及位于翅片1的管束2外的壳体(图中未示出)，壳体材质为不锈钢或铝镁合金。如图2所示，在本申请此实施方式中，翅片2为正弦曲线波纹板，且翅片2并排设置后，每片翅片2的波峰与波峰对齐，波谷与波谷对齐，从而使同等尺寸的换热器内具有更多的换热表面，提升换热器的换热面积和换热效率。管束2成正弦曲线交错设置，从而在同等尺寸的换热器内能有更多工作液体通过，以达到更高的换热效率和传热系数。每片翅片2的表面均分布有纵向涡发生器11，纵向涡发生器11为弧形三角形，纵向涡发生器11与来流之间的夹角为30°,该角度下在流体动力上对压差影响最小，产生的纵向涡对换热效率提升最大。纵向涡发生器11粘附在翅片2上或直接由翅片2冲出。安装纵向涡发生器11，使得气体侧的流体在经过纵向涡发生器11时，气体与纵向涡发生器11由于摩擦而分离，在压差的驱动下，形成强烈的纵向旋转并向下游发展。纵向涡的存在，破坏了气体侧流体边界层的发展，引起流体的宏观混合，增加湍流度，因此具有很好的强化换热效果，并且纵向涡可以使流动方向速度改变很小，阻力损失增加也较小，显著提高了换热器性能。本申请公开的换热器的翅片1或换热器整体表面通过超亲水处理，覆有上述超亲水涂料涂层，且经过超亲水处理后的表面应达到5°以下的稳定接触角。
除此之外，上述超亲水涂料也可以用于无翅片仅有盘管的蒸发式冷凝器和蒸发式冷凝器的套片单管翅片。
本申请还公开了上述换热器表面处理方法，其方法为：
成膜前表面处理：
将换热器浸没在丙酮、乙醇和去离子水中，以清洁外表面；然后将换热器暴露于2mol的盐酸溶液中15min，以产生微尺度的粗糙度特征；再将换热器置于90℃的去离子水中1h，以生成一层氢氧化铝，从而培养出具有微米级和纳米级粗糙度特征的表面，这有助于促进超亲水性。
然后将超亲水换热器放在一旁进行表征和测试。为了使流体再循环，在高泡腾的蚀刻步骤中频繁搅拌换热器，然后将其浸入最初沸腾的水容器中并搅拌用以除去滞留在散热片之间的任何气泡，以防止形成不均匀的表面区域。
使用大气压下的化学气相沉积(CVD)在超亲水换热器表面上沉积2.5nm厚的HTMS保形层(十七氟癸基三乙氧基硅烷)。将甲苯用作CVD工艺的载气(HTMS与甲苯的比例为1:19)，并将换热器在CVD室中放置3小时。
成膜：
将组装前的翅片2或者组装后的换热器整体浸入上述超亲水涂料中，换热器浸入超亲水涂料中时，使翅片1垂直于液面，以2mm/s的速度浸入，在涂料中放置5s～2min，具体浸入时间根据表明涂料附着情况而定，一般在1min左右，再以2mm/s的速度取出，使基材表面形成均匀的膜层。
在本申请其他实施方式中，也可采用喷涂进行表面处理，即使用0.5mm-1.5mm口径喷枪，0.2pa压力低流量喷涂涂层，使基材表面形成均匀的膜层。此时成膜后处理方式为：自然室温干燥0.5～24小时和/或使用烘烤设施进行5～60min辅助干燥热处理，辅助干燥处理的温度控制在80～150℃。
成膜后处理：
使用烘烤设施进行60min辅助干燥热处理，辅助干燥处理的温度控制在400℃，然后，在沸腾水内放置30min，形成花瓣形超亲水颗粒后再放置在烤箱内进行10min400℃烘烤。在进行超亲水表面处理后，可再浸入氟烷基硅烷溶液中2min，以2mm/s的速度取出并以150℃烘烤30min以降低表面能。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.超亲水涂料，其特征在于，包括0.5％-15％的超亲水纳米颗粒、1％-10％的硅溶胶或环氧树脂以及剩余量的溶剂；
所述超亲水纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或多种；
所述硅溶胶为酸催化水解硅酸脂形成的硅溶液，所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、脂肪族缩水甘油醚环氧树脂、缩水甘油酯型环氧树脂、缩水甘油胺型环氧树脂中的一种或多种；
所述溶剂包括甲醇、乙酰乙酸乙酯、硝酸、叔丁醇钾、乙醇、异丙醇、异丁醇、氟代烷基硅烷、环乙烷、正乙烷、乙酸丁脂、丙酮、二甲基乙烷胺中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的超亲水涂料，其特征在于，所述超亲水纳米颗粒为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的超亲水涂料，其特征在于，所述超亲水纳米颗粒的粒径为5-100nm。
4.换热器，包括多片平行且并排设置的翅片(1)以及多根垂直贯穿所述翅片(1)的管束(2)，其特征在于，所述翅片(1)或换热器整体表面设有权利要求1-3中任一所述的超亲水涂料涂层。
5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述翅片(1)为正弦曲线波纹板。
6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，每片翅片(1)上设置有纵向涡发生器(11)。
7.根据权利要求4-6中任一所述的换热器，其特征在于，相邻所述管束(2)成正弦曲线交错设置。
8.换热器表面处理方法，其特征在于，将权利要求7所述的换热器浸入权利要求1-3中任一所述的超亲水涂料中，所述换热器浸入超亲水涂料中时，所述翅片(1)垂直于液面，以2mm/s的速度浸入，在超亲水涂料中放置5s～2min，再以2mm/s的速度取出，使表面形成均匀的膜层，成膜后，自然室温干燥0.5～24h和/或以80～150℃烘烤5～60min。
9.换热器表面处理方法，其特征在于，使用0.5mm-1.5mm口径的喷枪，以0.2pa压力低流量向将权利要求7所述的换热器喷涂涂层，使换热器表面形成均匀的膜层，所述膜层为权利要求1-3中任一所述的超亲水涂料，成膜后，自然室温干燥0.5～24h和/或以80～150℃烘烤5～60min。
10.根据权利要求8或9所述的换热器表面处理方法，其特征在于，在换热器表面形成涂层前，将换热器浸没在丙酮、乙醇和去离子水中，以清洁外表面；然后将换热器暴露于2mol的盐酸溶液中15min，以产生微尺度的粗糙度特征；然后将换热器置于90℃的去离子水中1h，以生成一层氢氧化铝。
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