本發明公開了一種自由顆粒/多孔介質復合強化沸騰結構，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基體結構，所述多孔基體結構內分布有若干個孔腔，且所述孔腔內分散有能夠在所述孔腔內運動的自由顆粒。制備所述自由顆粒/多孔介質復合強化沸騰結構時，先將金屬顆粒燒結制備得到多孔材料基體，在多孔材料基體上打孔形成孔腔，然后將自由顆粒填充入孔腔并封閉孔腔。本發明基于沸騰傳熱過程中核化點激活以及吸液芯向成核位點供液的強化特點，將氣泡成核和供液分區以防止氣泡合并以及降低液體回流阻力；同時利用自由顆粒在沸騰過程中的碰撞強化工作流體內導熱、微層蒸發及對流傳熱，使氣泡易成核，生長速率快，脫離頻率高，從而實現了強化沸騰傳熱。

技術領域

本發明屬于強化沸騰傳熱技術領域，具體涉及一種將自由顆粒分散于多孔介質得到的強化沸騰復合結構及其制備方法和應用。

背景技術

多孔介質表面沸騰傳熱強化技術是未來工業發展的焦點問題之一，多孔表面強化沸騰傳熱因在較小的過熱度條件下可以獲得極大的傳熱系數，能有效提高能源利用效率，已被廣泛應用于熱能動力、核電、地熱能、太陽能、石油化工、食品工程以及低溫工程等重要工業領域的關鍵過程，具有十分重要的社會和經濟價值。強化傳熱的主要途徑主要從換熱元件表面改形、旋流發生器和振動來影響流場，實現強化傳熱。傳統的強化傳熱技術目前己很難滿足一些特殊條件下的傳熱要求，研制流阻特性小、導熱系數高、傳熱性能好的高效新型換熱元件是當前強化傳熱技術的重點。

近年來，致力于開發微納尺度多孔表面的強化沸騰傳熱研究工作不斷增多，中國專利申請201910217150.0公開了一種材料表面微納米復合強化沸騰結構，該種材料表面微納米復合強化沸騰結構具有不同層級微米、納米的多尺度特征，增大了比表面積，增多了汽化核心，減小了起泡運動阻滯，有效降低了液體沸騰的起始過熱溫度。中國專利201610103638.7公開了一種復合型表面結構，包括基面、一級微結構表面、次級微納結構表面和相變材料，實現了沸騰表面浸潤性可隨過熱度特征而智能改變的自適應性效果，達到了基于沸騰換熱不均引起局部過熱度升高而調控沸騰表面浸潤性的目的，改善了局部沸騰換熱效果差的問題。中國專利201310460362.4公開了一種強化沸騰傳熱用雙重結構多孔銅材料，其將銅纖維氈鋪覆于銅基體表面燒結為一體，然后在銅基體表面形成微米級多孔表面，并利用陽極氧化處理在銅纖維表面形成數量眾多的納米級微孔，微米級大孔和納米級微孔共存增大了熱交換面積，并增多了汽化核心的數量，顯著提高了沸騰傳熱效果。

但是這些多孔結構都具有表面均具有表面均一化的尺度效應，在起沸、液體回流、氣泡合并存在較大空間競爭，氣液兩相流動相互阻滯，造成流動阻力過大，高熱通量條件下導致表面傳熱條件惡化；另外，從氣泡動力學角度分析，氣泡生長及脫離過程強化沒有得到有效改善，因此，加快微層蒸發以及強化對流是進一步改善沸騰傳熱的新視角。

目前，相關研究已經證實多孔介質可強化沸騰傳熱性能，多孔層的結構對汽泡動力學均有不同程度影響。然而，多孔介質環境氣泡生長過程中如何加快核化點的激活、提高氣泡生長速率、加快氣泡脫離頻率仍然是需要解決的問題。受納米流體強化沸騰傳熱的啟發，納米粒子在沸騰過程中的碰撞可強化工作流體內部的熱傳導以及液體的擾流，但納米流體的團聚問題無法使強化沸騰保持長效性，沉降層厚度增加將增大壁面熱阻。基于上述問題，本發明提供一種將自由顆粒與多孔介質相結合的復合強化沸騰結構。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的一個目的提供一種自由顆粒/多孔介質復合強化沸騰結構，該復合強化沸騰表面結合了自由顆粒和多孔介質，將氣泡核化與液體供給分區，并通過游離顆粒的碰撞提高沸騰傳熱性能。

為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種自由顆粒/多孔介質復合強化沸騰結構，包括基底和形成于所述基底表面的多孔基體結構，所述多孔基體結構內分布有若干個孔腔，且所述孔腔內分散有能夠在所述孔腔內運動的自由顆粒。

在一些實施方案中，所述多孔基體結構可通過燒結金屬顆粒、金屬絲網或泡沫金屬制作或通過電沉積金屬制作。