超疏水涂层剂、换热器及换热器表面处理方法与流程

本申请涉及换热器技术领域，尤其涉及一种超疏水涂层剂、换热器及换热器表面处理方法。

背景技术：

换热器，尤其是对空气进行冷却的换热器，在冷却过程中会在换热器表面吸附湿空气中的水份，当换热器表面的文图降至湿空气露点温度以下时，湿空气开始在换热器表面凝结，凝结足够多水分后，会从换热器表面以冷凝水的形式下落，在换热器内部温度达到0摄氏度以下，且冷凝水在换热器表面堆积过多时，则会在换热器表面凝霜。换热器换热表面间凝霜过多会降低换热效率以及提升压降，在换热表面间结霜达到完全阻挡风通时，需要对换热器进行整机除霜。

相关技术中，有通过增加换热表面间距来提升换热器的可容载的结霜量。在换热器的使用工况中进气温度低于0度时，会按照使用工况配置具有不同换热表面间距的换热器，这样使结霜速度更快的低温环境中可以达到与更高温度相同除霜频率，但该种方式会降低该同等尺寸换热器的换热面积和换热效率。

也有相关技术通过主动除霜的方式对换热器进行化霜。主动除霜方式包括：电加热管除霜、热气化霜、乙二醇(丙二醇)化霜和水冲霜，这几种方式皆通过对换热器进行加热以实现化霜的效果。但使用主动除霜方式需间歇性停止换热器运作，在该停止运作的周期内会损失换热效率，并使用大量能耗，除霜产生的热量也会对换热器的工作环境产生影响。另外，在使用水冲霜方式会增加环境湿度，且受限于换热器环境温度，在过低环境温度中无法使用水冲霜方式。

技术实现要素：

为了减少除霜耗能及除霜时间，达到被动防霜的效果，同时降低对换热面积和换热效率的影响，本申请提供了一种超疏水涂层剂及具有该超疏水涂层剂的换热器。

本申请提供的超疏水涂层剂，包括以下技术方案：

超疏水涂层剂，包括0.5％-15％的超疏水纳米颗粒、1％-15％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂；

所述超疏水纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或两种以上的混合物；

所述溶剂包括乙酰乙酸乙酯、硝酸、叔丁醇钾、乙醇、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两种以上的混合物。

通过采用上述技术方案，超疏水涂层剂附着性能更强，长期使用过程中不会发生涂料脱落，覆设于换热器换热面，不仅能够达到被动防霜的效果，同时降低对换热面积和换热效率的影响。

在一些实施方式中，所述超疏水纳米颗粒为三氧化二铝。

涂料使用的表面主要为铝材质，通过采用上述技术方案，三氧化二铝作为超疏水纳米颗粒在铝材料上更有利于维持其长期附着性，除此以外三氧化二铝相对二氧化硅更有利于传热，使用该种涂料不会对传热效率产生影响。

在一些实施方式中，所述超疏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。

在一些实施方式中，所述疏水性树脂为有机硅树脂。

有机硅树脂本身的疏水性最强，通过采用上述技术方案，对纳米材料增效更好。

本申请提供的超疏水涂层剂，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疏水涂层剂涂层，设有超疏水涂层剂涂层的翅片表面应达到150°以上的稳定接触角和10°以下的滚动接触角。

通过采用上述技术方案，在换热器换热面设置上述超疏水涂层剂涂层，使换热面表面具有更易除冰的性能，使换热器实现不停歇工作的效果，大量减少除霜管路或除霜频率，另外，也延迟和减少换热器表面的腐蚀。另外，150°+稳定接触角和10°-滚动接触角是超疏水表面，会具有防霜和防冰的特性，在使用超疏水表面时结霜会被延缓。

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。

在一些实施方式中，换热器外设有壳体，所述壳体表面设有上述的超疏水涂层剂涂层，设有超疏水涂层剂涂层的翅片表面应达到150°以上的稳定接触角和10°以下的滚动接触角，所述壳体材质为不锈钢或铝镁合金。

通过采用上述技术方案，使壳体表面不易结霜，同时优选不锈钢和铝镁合金的主要原因在于其不易腐蚀，在长期与水分接触后依然可以使用在食物/药物加工级别的环境。

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，将上述的换热器浸入超疏水涂层剂中，所述换热器浸入超疏水涂层剂中时，所述翅片垂直于液面。

通过采用上述技术方案，可以使产生的接触角远大于150度，便于形成超疏水涂层。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、通过对换热器换热面进行超疏水处理，达到换热器的传热系数k值增加，以及在k值和压降δp的比例上也同时得到增加的效果；

2、通过对换热器换热面进行超疏水处理，显著减少了除霜能耗和除霜时间，并使换热器实现不停歇工作的效果；

3、通过对换热器换热面进行超疏水处理，延迟和减少换热器表面的腐蚀。

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疏水涂层剂。

实施例1：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由0.5％的超疏水纳米颗粒、15％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化硅颗粒；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为乙酰乙酸乙酯、硝酸。

其制备方法为：将超疏水纳米颗粒、疏水性树脂以及溶剂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、筛分后得到超疏水涂料。

实施例2：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由2.5％的超疏水纳米颗粒、13％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为粒径为5-100nm的二氧化钛颗粒；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为质量比1:1的叔丁醇钾、乙醇的混合物。

其制备方法如实施例1中所述，或者将超疏水纳米颗粒、疏水树脂溶解于溶剂中进行超声分散15～60分钟，混合均匀后得到超疏水涂料。

实施例3：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由7.5％的超疏水纳米颗粒、8％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为粒径为5-100nm的三氧化二铝颗粒；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为质量比1:1的乙酰乙酸乙酯、硝酸的混合物。

在水溶剂中首先水解三仲丁醇铝，然后在胶溶过程中形成al-o-al键，为避免丁氧化物因al(oh)3沉淀而过快水解，应在加入丁醇之前将螯合剂(乙酰乙酸乙酯)溶于水中，螯合剂代替了丁醇，减慢了水解速度。为了获得悬浮液的良好粒度分布，该悬浮液必须保持在100nm以下才能导致纳米颗粒的形成并避免聚集，将硝酸溶液逐渐添加到混合物中。质子结合到形成颗粒的表面并对其充电，从而使它们稳定并避免聚集。在70℃下放置24小时后，获得透明溶胶(ph＝3.64)。在透明溶胶中搅拌加入疏水性树脂后得到超疏水涂料。

实施例4：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由5％的超疏水纳米颗粒、10％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成，其中，

超疏水纳米颗粒为质量比1:1的三氧化二铝颗粒与二氧化硅颗粒的混合物；三氧化二铝颗粒与二氧化硅颗粒粒径为5-100nm；

疏水性树脂为有机硅树脂，

溶剂为质量比1:1的正乙烷、乙酸丁脂的混合物。

其制备方法如实施例2中所述。

实施例5：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由10％的超疏水纳米颗粒、5％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为质量比1:1的三氧化二铝颗粒与二氧化钛颗粒的混合物，三氧化二铝颗粒与二氧化钛颗粒的粒径为5-100nm；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为质量比1:1的丙酮、二甲基乙烷胺的混合物。

其制备方法如实施例2中所述。

实施例6：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由12％的超疏水纳米颗粒、3％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为质量比1:1的为二氧化硅颗粒与二氧化钛颗粒的混合物，二氧化硅颗粒与二氧化钛颗粒的粒径为5-100nm；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为质量比1:1:1:1:1的乙酰乙酸乙酯、硝酸、叔丁醇钾、乙醇、氟代烷基硅烷的混合物。

其制备方法如实施例2中所述。

实施例7：

本申请实施例1公开了超疏水涂层剂，其由15％的超疏水纳米颗粒、1％的疏水性树脂以及剩余量的溶剂组成。其中，

超疏水纳米颗粒为质量比1:1：1的二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒及三氧化二铝颗粒的混合物，二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒及三氧化二铝颗粒的粒径为5-100nm；

疏水性树脂为有机硅树脂；

溶剂为质量比1:1:1:1:1的环乙烷、正乙烷、乙酸丁脂、丙酮、二甲基乙烷胺的混合物。

其制备方法如实施例2中所述。

针对上述实施例1-7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，gb1732-79冲击强度试验，gb1731-79柔韧性试验。其测试结果如表1所示：

表1性能测试结构：

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疏水处理，覆有上述超疏水涂层剂涂层，且经过超疏水处理后的表面应达到150°以上的稳定接触角和10°以下的滚动接触角。

本申请还公开了上述换热器表面处理方法，其方法为：将组装前的翅片2或者组装后的换热器整体浸入上述超疏水涂层剂中，换热器浸入超疏水涂层剂中时，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，再以2mm/s的速度取出，使基材表面形成均匀的膜层。

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，形成花瓣形超疏水颗粒后再放置在烤箱内进行10min400℃烘烤。在进行超疏水表面处理后，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。

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℃。

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。

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