專利名稱：一種實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于防止在金屬換熱表面上形成膜狀冷凝的一種方法。
滴狀冷凝是一種高效換熱方式，其傳熱系數(shù)是膜狀冷凝傳熱系數(shù)的幾倍至幾十倍。按冷凝物的性質(zhì)劃分，一般分為水蒸汽滴狀冷凝和有機蒸汽滴狀冷凝。由于有機物質(zhì)的表面張力比水低很多，內(nèi)聚力弱，因此實現(xiàn)有機蒸汽的滴狀冷凝比實現(xiàn)水蒸汽滴狀冷凝要困難得多。
要在金屬表面上實現(xiàn)滴狀冷凝，必須降低其表面能。目前實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法一般都是采用在金屬表面上涂覆聚四氟乙烯薄層。據(jù)已查到的文獻，到目前僅實現(xiàn)了幾種表面張力相對較大的有機物-乙二醇、苯胺和硝基苯的滴狀冷凝。
1.Topper，L.and Baer，E.，J.Colloid Sci.，10(1955)225;
2.棚澤一郎，日本機械學會論文集(B編)，48卷429號，(1982)833。
采用涂聚四氟乙烯方法實現(xiàn)滴狀冷凝最大缺點是涂層熱阻大，強化傳熱效果不明顯。此外此法對表面張力相對較低的有機物，如乙醇等均不能實現(xiàn)滴狀冷凝。
本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法，以解決現(xiàn)有方法存在的問題。
本發(fā)明的主要特征是在金屬表面上制備具有低表面能的奇數(shù)層單分子膜，1.具有低表面能的奇數(shù)層單分子膜奇數(shù)層單分子膜的結(jié)構(gòu)特征是分子規(guī)則排列，緊密并行地直立于金屬表面上。分子親水端朝向金屬表面，疏水端朝向氣相。膜層厚度等于單個分子鏈長度乘以層數(shù)。這種分子排列結(jié)構(gòu)表面能最低。
能顯著降低金屬表面能的表面活性物質(zhì)的主要特征是分子的非極性端(疏水端)含有-CF3，-CF2H或-CH3基團，如全氟月桂酸，硬脂酸鋇等。
在金屬表面上，用含有上述基團的表面活性物質(zhì)來制備上述分子排列結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層單分子膜，能最大限度地降低金屬表面能。
2.具有低表面能的奇數(shù)層單分子膜的制備技術(shù)Langmuir-Blodgett(簡稱L-B)制膜技術(shù)用于制備具有低表面能奇數(shù)層單分子膜。
先對要拉膜的金屬表面進行拋光，光潔度為V12;再用丙酮進行清洗，除去表面上污物;然后將其浸泡在酒精-乙醚混合液中(1∶1)，在超聲清潔器里做超聲清洗，五分鐘后取出，在紅外燈下烘烤五分鐘。
將配制好的表面活性物質(zhì)溶液(溶劑一般是苯，溶液濃度為5×10-4M左右)，滴在L-B拉膜裝置的水面上，滴入量能保證拉膜需要就可以了。待溶劑苯完全揮發(fā)后，將浮板放開，浮板向前運動，自動停止。此時，在浮板前面即有一層致密的單分子層覆蓋于整個水面上，其厚度即為分子鏈長度。(溶質(zhì)分子在水面上漂浮后，需對其施加一恒定而適當?shù)谋砻媲邢驂毫Γ拍苄纬芍旅艿膯畏肿訉?，此時，分子以最近距離的方式互相緊密地排列在一起。當分子間距較大時，分子之間無相互作用，當間距小到一定程度時，互斥力突然起作用，再增大表面切向壓力或膜壓，每個分子所占面積也減少甚微。此時分子已處于緊密排列的方式。對不同的分子，形成致密單分子層時所需膜壓有些差別。當膜層提取時，即水面上部分致密單分子層轉(zhuǎn)移到試件表面上時，應(yīng)使膜層覆蓋的水面自動，同步地縮小，以保持膜壓不變，膜層始終為一層致密的單分子層。近代L-B拉膜裝置一般都有測膜壓系統(tǒng)，并用計算機控制在拉膜過程中膜壓維持恒定。較簡單的L-B拉膜裝置是用一通過滑輪掛有重錘的浮板來維持膜壓恒定。小錘重力等于浮板運動摩擦力和當分子形成一層致密單分子層時浮板對膜層的表面切向壓力之和。分子形成一層致密單分子層時對應(yīng)的表面切向壓力或膜壓可由膜天平很方便測得。
將金屬試件夾在夾具上，開動電機，使其以2cm/min均速下降。在第一次扦入水中時，由于表面為親水性，分子不能吸附上去。提出時，將吸附有第一層分子。在提取過程中(2cm/min)，浮板在自動地緩慢向前移動，壓縮水面上的膜層，使其始終為一層致密的單分子層。此時，表面成為疏水的。再次扦入和提出，將又附有二層分子。如此，在下、上通過水面n次后，制備有2n-1層單分子膜。
在紫銅表面上，用上述技術(shù)，制備了硬脂酸鋇一層單分子膜，三層單分子膜，五層單分子膜。在這三種表面上，均實現(xiàn)了乙醇、苯胺、硝基苯、乙二醇和1，2-丙二醇等有機蒸汽的滴狀冷凝。其中以一層單分子膜傳熱效果最佳。對乙醇蒸汽冷凝壽命實驗，已達300小時，仍保持很好的滴狀冷凝。
本發(fā)明的優(yōu)點用本發(fā)明的技術(shù)制備的銅基硬脂酸鋇一層、三層和五層單分子膜表面，其傳熱性能均優(yōu)于涂聚四氟乙烯表面(一層硬脂酸鋇單分子膜厚度約20埃;而涂聚四氟乙烯薄層厚度約數(shù)萬埃)。更為重要的是，在用本發(fā)明的技術(shù)制備的表面上，首次實現(xiàn)了低表面張力的乙醇的滴狀冷凝(20℃時，表面張力為24dyn/cm)。對比實驗表明，在金屬表面上，直接涂硬脂酸鋇溶液，則不能形成乙醇等有機蒸汽滴狀冷凝。
本發(fā)明的最佳實施例銅基硬脂酸鋇奇數(shù)層單分子膜的制備及實驗結(jié)果。
冷凝試件的制備將直徑30mm，厚5mm的紫銅板(本冷凝試件與原冷凝實驗裝置相配套)將其一面進行拋光，光潔度為V12。用丙酮對試件各面進行清洗，除去表面上污物。然后將其浸泡在酒精-乙醚混合液(1∶1)中，在超聲清潔器里清洗，五分鐘后取出。在紅外燈下烘烤五分鐘。
溶液配制溶質(zhì)是硬脂酸鋇，溶劑是苯，溶液濃度為5×10-4mol/l。
實驗條件環(huán)境溫度20℃;濕度60%;去離水PH值為6;
當在水面上形成一層致密硬脂酸鋇單分子層時，其表面切向壓力為30dyn/cm。將金屬試件夾在夾具上，開動可逆電機，使試件以2cm/min均速垂直下上通過水面一次。此時，銅試件表面上使附有一層硬脂酸鋇單分子層。(若再下上一次，試件表面便附有三層硬脂酸鋇單分子膜;再下上二次，試件表面上便附五層硬脂酸鋇單分子膜)該表面用于乙醇、苯胺、硝基苯、乙二醇和1，2-丙二醇五種有機蒸汽冷凝實驗，均獲得很好滴狀冷凝。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法，采用L-B制膜技術(shù)，其特征是在制作傳熱元件的金屬表面上，制備奇數(shù)層分子規(guī)則排列，緊密并行地直立于金屬表面上的表面活性物質(zhì)單分子膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法，其特征在于表面活性物質(zhì)非極性端含有-CF3，-CF2H或-CH3基團。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，2所述的一種實現(xiàn)有機蒸汽滴狀冷凝的方法，其特征在于在紫銅表面上制備一層、三層、五層硬脂酸鋇單分子膜，這三種表面均可用于乙醇、苯胺、硝基苯、乙二醇和1，2-丙二醇的滴狀冷凝傳熱。
全文摘要
在制作傳熱元件的金屬表面上，采用L-B制膜技術(shù)，制備含-CF
文檔編號F28F13/04GK1063155SQ91100229
公開日1992年7月29日 申請日期1991年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月11日
發(fā)明者趙起, 張東昌, 徐敦頎, 林紀方 申請人:大連理工大學