改性換熱表面污垢形成及凝結(jié)傳熱研究.pdf

1、換熱普遍存在于生活及各種工業(yè)領(lǐng)域中，特別是各種熱交換器中，這其中如何提高換熱效率一直是人們孜孜不倦追求的目標(biāo)。除了與換熱器的設(shè)計方式有關(guān)外，污垢及膜狀凝結(jié)也都不同程度地影響著換熱效率。污垢的形成惡化了換熱設(shè)備的性能，降低了設(shè)備的運(yùn)行效率，增大了能源消耗以及設(shè)備維護(hù)成本，從而嚴(yán)重地影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失：而膜狀凝結(jié)也廣泛存在于各種汽水換熱器中，對有效傳熱有著不同程度的影響。這兩個問題是傳熱研究領(lǐng)域中沒有得到很好解決的問

2、題。 在研究中對于污垢的形成，首先從研究污垢的種類與組成入手，對山東省各地的污垢展開大量調(diào)查研究，確定了污垢的主要組成是碳酸鈣類污垢的基礎(chǔ)研究點。進(jìn)一步的分析中發(fā)現(xiàn)，每個地區(qū)的碳酸鈣類污垢都是由方解石和文石兩大類組成的，不但不同地區(qū)的兩類碳酸鈣組成比例不一樣，而且同一塊污垢沿厚度方向的組成比例也是不一樣的。對典型污垢附著界面的研究表明，污垢與換熱面相連接的部分存在一過渡層，過渡層的形成難易及晶體結(jié)構(gòu)決定了污垢附著的難易。一般而言

3、，具有類似晶體結(jié)構(gòu)及晶格參數(shù)的過渡層可以加快相似結(jié)構(gòu)污垢的附著，相近的晶格之間更易于相互匹配，該過渡層表現(xiàn)為換熱面被氧化或者腐蝕的產(chǎn)物。 在污垢的防護(hù)方面，根據(jù)以上的研究結(jié)果，本研究提出了以控制過渡界面形成來延長污垢誘導(dǎo)期形成的思路。具有良好耐蝕性的Ni-P鍍層由于具有獨(dú)特的性能，例如耐蝕性、耐磨性、順磁性、良好的硬度以及自催化性能而備受關(guān)注。在本研究中，則主要研究了化學(xué)鍍Ni-P鍍層的另一潛在的應(yīng)用，即抗垢性能與改善傳熱性能。

4、首先針對以前Ni-P鍍層成分近似但微觀結(jié)構(gòu)不同的報道，通過研究化學(xué)鍍工藝對鍍層組織性能的影響，解明了化學(xué)鍍工藝參數(shù)在控制鍍層成分及微觀結(jié)構(gòu)方面的影響規(guī)律。鍍層的化學(xué)成分僅與主鹽以及還原劑的濃度有關(guān)，而與絡(luò)合劑濃度無關(guān)；保持主鹽及還原劑濃度不變，改變絡(luò)合劑濃度直接影響了鍍層的微觀形貌與鍍速，并對鍍層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。隨著絡(luò)合劑數(shù)量的增加，鍍層中納米相的含量增加，在微觀硬度上表現(xiàn)為硬度的增加。進(jìn)一步地調(diào)整化學(xué)鍍Ni-P鍍層中P的含量，獲

5、得了具有不同微觀結(jié)構(gòu)的鍍層。重點研究了這類鍍層中不同微觀結(jié)構(gòu)對鍍層物性及抗垢性、傳熱性能影響的規(guī)律。主要研究結(jié)果總結(jié)如下： （1）通過調(diào)整工藝參數(shù)，采用化學(xué)鍍的方法可以獲得結(jié)構(gòu)形態(tài)分別為非晶、混合晶及納米晶的鍍層，其磷含量分別為12．7wt％、10．6wt％以及6．9wt％，對應(yīng)的納米晶含量分別為5％、17％以及92％。鍍層的硬度隨納米相的增加而增大，對于幾乎全部為納米晶的鍍層，最高硬度達(dá)到了大約800Hv，這是以前很多Ni-P

6、鍍層研究中必須使用熱處理才能達(dá)到的硬度值，說明了納米相的強(qiáng)化作用。進(jìn)一步的熱分析表明，納米晶由于具有更高的穩(wěn)定性，它的存在可以提高鍍層的熱穩(wěn)定性，使晶化溫度移向較高的溫度。進(jìn)一步的表面接觸角測試表明，這些鍍層均不潤濕水，具有較低的表面自由能，且不同結(jié)構(gòu)形態(tài)鍍層表面的表面自由能與鍍層結(jié)構(gòu)形態(tài)之間沒有線性的對應(yīng)關(guān)系。 （2）在對鍍層進(jìn)行熱處理的過程中，在200℃保溫一小時進(jìn)行熱處理后，鍍層沒有明顯的相變，僅有結(jié)構(gòu)馳豫的變化，在硬度及

7、摩擦系數(shù)上，與鍍態(tài)下的鍍層變化不大。而400℃保溫一小時熱處理后，鍍層結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了明顯的變化，硬度得到一定程度的提高，所有試樣都有明顯的Ni3P析出。在磨損機(jī)理上，鍍態(tài)以及200℃保溫一小時熱處理時，鍍層表現(xiàn)為純粘著磨損。而400℃熱處理時，鍍層則以粘著磨損為主，同時出現(xiàn)了部分磨粒磨損，表現(xiàn)出更好的耐磨性。Ni-P鍍層的強(qiáng)化機(jī)理為析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化，這取決于鍍層中P的含量以及熱處理溫度的不同。 （3）抗垢性能試驗表明，與未經(jīng)表

8、面處理的碳鋼、不銹鋼以及銅換熱表面相比，它們單位面積污垢沉積速度遠(yuǎn)高于經(jīng)過鍍層表面改性后污垢的沉積速度。而對于改性后的鍍層換熱表面而言，隨著鍍層中納米相含量的增加，抗垢性能有減弱的趨勢，非晶鍍層表現(xiàn)出最佳的抗垢性能。對于鍍層的耐蝕性能，電化學(xué)腐蝕實驗表明，三種不同納米相含量鍍層的耐蝕性均優(yōu)于普通碳素鋼，隨著鍍層中納米相含量的增加，耐蝕性能降低，非晶鍍層的耐蝕性能最好。 結(jié)構(gòu)形態(tài)對耐蝕性能的影響趨勢與對抗垢性能的影響趨勢是一致的。

9、抗垢性能與耐蝕性能有內(nèi)在的聯(lián)系，易于被腐蝕的表面也容易通過“過渡層”的形成而易于污垢的附著。鍍層中非晶相的形成比納米相的形成更有利于改善抗垢性能以及耐蝕性能。在此研究基礎(chǔ)上回歸出的“起始階段”污垢誘導(dǎo)期的積聚模型對于預(yù)測換熱表面生垢的誘導(dǎo)期具有指導(dǎo)作用。 （4）鍍層表面改性對促進(jìn)高效傳熱方面的影響。通過搭建凝結(jié)傳熱試驗臺，調(diào)整蒸汽壓力與冷卻水流量匹配關(guān)系得到了穩(wěn)定的珠狀凝結(jié)。結(jié)果表明，這些低能表面的鍍層具有明顯促進(jìn)珠狀凝結(jié)的效果