（化学工程专业论文）磁控溅射纳米表面池沸腾传热与防垢研究.pdf

中文摘要 本文在对换热表面上污垢形成的过程及目前的研究现状进行总结的基础上， 采用磁控溅射仪在经过磨光、抛光、除油等一系列处理的铜板基底溅射不同厚度 的t i 0 2 ，对溅射t i 0 2 基底的表面能、接触角、薄膜厚度等进行了测量与表征。 获得了薄膜厚度和表面能的关系，发现溅射t i 0 2 降低了基底的表面能，且随着 厚度的降低，表面能也随之稍有降低。在池沸腾装置中，应用自行开发的数据微 机自动测试采集系统，对溅射不同厚度t i 0 2 基底的强化传热效果和抗垢性能进 行了研究。研究结果表明，在蒸馏水实验中，抛光基底的传热系数比未处理基底 的稍大，但是在基底上溅射不同厚度的t i 0 2 对传热的影响没有明显的规律；在 污垢实验中，溅射t i 0 2 基底的传热系数随时间变化几乎不发生变化，而未处理 基底、抛光基底的传热系数随着时间的延长而迅速下降，故溅射t i 0 2 的基底具 有防垢性能。在同样的实验条件下，溅射m 酽2 基底的传热系数比未处理基底、 抛光基底的大：通过污垢实验发现，溅射的m g f 2 基底也具有抗垢性能。并对溅 射纳米厚度t i 0 2 的基底和溅射纳米厚度m g f 2 的基底进行了长时间污垢实验考 察，结果表明前者的寿命比后者稍长。利用扫描电镜和原子力显微镜从微观角度 对溅射的膜层进行了观察。 关键词：磁控溅射；表面能；污垢；传热系数；扫描电镜；原子力显微镜 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh e a tt r a n s f e rs u r f a c ew a st r e a t e db yu s i n gm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t oi n v e s t i g a t et h ea n t i - f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i cb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i c so f f o u l i n gf o r m a t i o n t h es u r f a c ee n e r g y , c o n t a c ta n g l eo ft h et i 0 2 - s p u t t e r e ds u r f a c e s a n dt h et h i nf i l mt h i c k n e s sw e r em e a s u r e da n dc h a r a c t e r i z e dt of i n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et l l i i lf i l mt h i c k n e s sa n dt h es u r f a c ee n e r g y i ts h o w e dt h a ts u r f a c ef le e e n e r g yo ft h et i 0 2 一c o a t e dc o p p e r p l a t eo b v i o u s l yw a sl o w e rt h a nt h a to ft h eu n t r e a t e d c o p p e r p l a t ea n dt h ep o l i s h e dc o p p e r p l a t e i ta l s os h o w e ds u r f a c ef r e ee n e r g yo ft h e t i 0 2 - c o a t e dc o p p e r p l a t es l i g h t l yd i m i n i s h e da st h et h i c k n e s so ft h ec o a t i n g sr e d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nh e a tt r a n s f e ra n df o u l i n gw e r ec a r r i e do u tb yu s i n gt h e p o o l - b o i l i n gd e v i c e t h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e ra n df o u l i n gf o r m a t i o n o nt h e d i f f e r e n th e a ts u r f a c e sw e r es t u d i e dw i t ht h es y s t e mo fa u t o m a t i cd a t aa c q u i s i t i o n i n t h ed i s t i l l e dw a t e re x p e r i m e n t ，i ts h o w e dt h a th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ep o l i s h e d s u r f a c ew a sh i g h e rt h a nt h a to ft h eu n t r e a t e ds u r f a c e t h er u l eo fh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to ft h et i 0 2 - s p u t t e r e ds u r f a c e sw a sn o ta s s u r e dw h i l et h et h i c k n e s so ft h e t i 0 2c o a t i n g sc h a n g e d i nt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t ，w h e nt i 0 2w a ss p u t t e r e do nt h e p o l i s h e ds u r f a c e ，i t sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta l m o s td i dn o tc h a n g ew i t ht i m e w h i l e t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h eu n t r e a t e da n dp o l i s h e ds u r f a c ed r o p p e dq u i c k l y w i t ht i m e u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h e m g f 2 一s p u t t e r e ds u r f a c ew a sh i g h e rt h a nt h a to ft h eu n t r e a t e da n dp o l i s h e ds u r f a c e c o m p a r e dw i t ht h ep o l i s h e ds u r f a c e ，i t sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sh i g h e rt h a nt h a t o ft h ep o l i s h e ds u r f a c e i nt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t ，i th a da n t i - f o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c w h e nm g f 2w a ss p u t t e r e do nt h ep o l i s h e ds u r f a c e t h el i f eo ft h et i 0 2 - s p u t t e r e d s u r f a c ew a sl o n g e rt h a nt h a to ft h em g f 2 一s p u t t e r e ds u r f a c ei nt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t f o ral o n gt i m e t h et i 0 2 一c o a t i n g so fd i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dt h em g f 2 一c o a t i n gw e r e c o m p a r e di nas p u t t e r i n gp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i z e dw i t hr e s p e c tt ot h e i rm o r p h o l o g y ， m i c r o s t r u c t u r ea n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o nb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n da t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s -s u r f a c ee n e r g y ；f o u l i n g ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；m a g n e t r o n s p u t t e r i n g ；s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ；a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y 天津大学硕士学位论文符号表 符号表 名称 加热底面面积 沸腾池或加热棒的外套面积 膜厚度 沸腾传热系数 对流传热系数 辐射传热系数 联合传热系数 加热电流 加热功率 热通量 电阻丝的电阻 粗糙度 膜层热阻 溶解度 液体温度 加热壁面温度 运行时问 环境温度 沸腾池外套或加热棒外套温度 加热电压 接触角 甘油与表面的接触角 蒸馏水与表面的接触角 总表面张力 紫铜的热导率 直径 单位 m 2 m 2 m w i n l k - ! w m - 2 。1 w m - 2 。1 w m - 2 1 a w k w m - 2 q u m m 2 k 、矿1 m g 。c 。c m l n 。c 。c v o o o m j 。m - 2 w m - 1 。c 1 n l l n 呈， 酽 符 a d h k k h 。p q r n s 风k t b k u o钆y五痧 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 _ ， 学位论文作者签名：王熙签字同期：2 0 d - 7 年f 月2 z r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解+ 苤盗盘堂：有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王燕、 导师签名： 毒l 岬9 言 签字r 期：2 d p _ 7 年月2 2 同 签字同期：伽7 年月2 , z - f t 天津大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 换热设备的污垢是指与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的_ 层固态或软泥状物质，它通常以混合物的形态存在。污垢是一种极为普遍的现象， 它存在于各种工业过程中，特别是存在于涉及到热量传递【l 】【2 】的各种过程工业中， 例如：在化工、石油化工、动力、食品等过程工业中，在自然界和日常生活中也 随处可见。污垢的存在会导致传热效率下降，能耗和物耗增加，并可能带来严重 的安全隐患【3 1 1 4 1 。据统计【5 1 ，在一些高度工业化国家，换热设备污垢的消耗占国 民生产总值的o 2 5 ，美国仅炼油工业与污垢有关的费用就达1 3 6 亿美元。对 我国这样的发展中国家，由于许多换热设备相对比较落后，则污垢造成的实际损 失可能还要更高些。如果换热设备上产生了污垢，一般是在停车状态下采取化学 方法或机械方法来清除污垢，这样频繁停车清垢会造成浪费和损失，同时也带来 了环境问题。因此如何有效地防、除垢和强化传热已成为科学研究的一个重要研 究课题。 ， 研究者们就换热设备的表面状况对污垢形成的影响进行了研究，研究结果 表明，在换热设备中，污垢的形成与污垢和传热表面的附着力有关，而附着力又 和材料的表面能有关，因此减小表面能可以减少污垢在传热表面的形成。为了降 低表面能，研究者采取了很多措施。近年来，低能表面如磁控溅射聚四氟乙烯、 离子注入非金刚石样碳、分子自组装、动态离子注入h 、n 以及化学镀表面和阻 垢剂等被用来防垢。但是，研究者对薄膜厚度以及材料的选择还未进行系统的研 究。 本文采用磁控溅射仪，在经过磨光、抛光、除油等一系列处理的铜板基底 上溅射了不同厚度的t i 0 2 ，与未经处理基底、抛光基底相比，溅射t i 0 2 在基底 上降低了其表面能。本文针对基底上溅射了t i 0 2 的厚度不同，考察了厚度对表 面能的影响。在池沸腾装置中，通过建立的数据微机自动采集测试系统对不同厚 度二氧化钛薄膜的加热面的传热和防垢特性进行研究，找到最有利于强化传热的 厚度。溅射最佳厚度的m g f 2 在基底上，对该基底在同样的条件下进行实验，考 察材料对表面能、强化传热以及防垢性能的影响。利用扫描电镜和原子力显微镜 从微观角度对污垢实验前后基底的形貌进行表征。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 污垢是指与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的一层固态或软 泥状物质，它通常以混合物的形态存在。污垢是一种极为普遍的现象，它广泛地 存在于各种工业过程中，特别是存在于涉及到热量传谢1 】【2 】的各种过程工业中， 例如：在化工、石油化工、动力、食品等过程工业中具有广泛应用的换热设备中 就存在着不同程度的结垢问题，在自然界和日常生活中也随处可见。污垢的存在 会导致传热效率下降，能耗和物耗增加，并可能带来严重的安全隐患【3 】【4 1 。据统 计，在一些高度工业化国家，换热设备污垢的消耗占国民生产总值的0 2 5 ，美 国仅炼油工业与污垢有关的费用就达1 3 6 亿美元【5 1 。可以想象，作为发展中国家 的中国污垢带来的损失无疑更是巨大。这些损失主要由以下几个方面组成：换热 面积的超余设计导致的成本消耗；换热效率降低和换热管内流体流动阻力的增大 引起的能量损失；换热设备停车清洗所造成的生产损失和阻垢剂的消耗带来的成 本消耗。污垢的聚集使换热面的局部过热导致机械性能的下降，从而降低了换热 设备的使用寿命。换热设备结垢过程不仅是一个能量传递，动量传递和质量传递 过程，而且也是个涉及化学反应的物理化学过程【6 】。各种因素间的复杂相互作 用，使换热设备的防垢和除垢研究工作难度增大。但是，一旦换热设备的污垢研 究取得突破，就会带来巨大的经济效益和社会效益。随着科技的进步，换热设备 的防垢和除垢研究取得了一定进展，尤其是在应用现代表面处理技术进行防垢和 除垢研究方面，取得了较好的进展。 2 1 污垢的基本理论 2 1 1 换热壁面的结垢类型 换热壁面结垢类型【4 l 可以按换热器类型分为相变换热污垢( 沸腾换热污垢、 凝结换热污垢) 、无相变换热污垢( 加热换热污垢和冷却换热污垢) 和带化学反 应的换热污垢；也可以按流体类型分为水溶液污垢，石油馏分污垢，烟气污垢等。 总之，换热壁面结垢类型与换热工质及结垢过程性质以及换热壁面特性和状况有 关，按引起结垢形成的最主要过程，液侧污垢f 6 】可分为六类：析晶污垢、化学反 应污垢、微粒型污垢、腐蚀型污垢、生物犁污垢、凝固型污垢。对于实际生产过 程，换热肇面上往往同时生成几种污垢而且相互影响【一1 。 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 2 换热壁面的结垢过程 换热器壁面的污垢既出现在沸腾蒸发和冷凝过程，如各类锅炉、蒸发器和冷 凝器的结垢，又发生在非相变的流体加热和冷却过程中，如具有逆溶解度性质的 盐类发生在加热过程和正溶解度性质的盐类发生于冷却过程的结晶垢。换热壁面 的结垢过程，一般可分为如下五个阶到6 】：起始阶段，输运阶段( 迁移阶段) ， 附着阶段，老化阶段，剥蚀阶段。 2 1 3 污垢引起的损失 污垢问题一直以来是工业界尚未很好解决的科学技术难题之一，尤其在化 工、石油动力、食品等过程工业，污垢的形成造成了很大的损失。由于污垢的存 在会导致传热效率下降，能耗和物耗增加，从而带来严重的安全隐患。与污垢有 关的损失 8 - 1 4 1 由以下几方面构成：资本消耗，燃料投资，维修费用，因产品损失而 引起的浪费。 2 2 污垢的测量 污垢的形成是一个很复杂的物理、化学过程，它是动量、能量和质量传递的 综合。在很多情况下，它还包括有化学动力学、材料的腐蚀等，再加上不同机制 污垢之间的协同效应，就使得换热面的污垢特性是多种参数的函数，如换热面的 几何特性、换热面的状态( 如粗糙度) 、流体与换热面之间的界面温度、沉积物 温度、流体流过换热面的速度、流体特性等，而且在实际的换热设备中，上述参 数还要随时间、地点和运行条件而变。因此使污垢理论预测的难度增大，所以污 垢研究的实验手段对于污垢特性的了解和掌握就显得格外重要。污垢的测量【6 】【1 4 1 有热学和非热学两种方法，热学法中又可分为热阻法和温差法两种，非热学的污 垢检测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术、时间推移摄 像法等。 2 3 运用表面处理技术防、除垢的研究进展 污垢的沉积导致热阻增大，换热效率降低，造成了能源浪费和设备的磨损。 为了减少污垢的沉积，研究者采取了很多措施，如化学方法除垢是使用不同的阻 垢剂u s - 1 8 1 或化学清洗剂来减少或消除污垢的形成，机械除垢是利用机械清洗或在 线机械清洗等方法。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 近年来，利用表面处理技术对换热表面进行处理，从而达到防、除垢和强化 传热的效果，研究受到国内外研究者广泛关注。所谓表面处理技术即在不改变基 体材料的成分，不削弱基体材料的强度的条件下，通过某些物理手段( 包括机械 手段) 或化学手段，赋予材料表面特殊的性能，从而满足工程的需要【1 9 2 。还 有研究者利用磁场对碳酸钙饱和溶液进行预处理，可以降低污垢在换热表面得沉 积，但是磁性不能长时间保持。 2 3 1 表面处理技术的概况 表面技术不仅是一门广博精深和具有极高使用价值的基础技术，还是一门振 兴的边缘性学科，在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、 化学等学科，开辟了一系列新的研究领域。 表面处理技术主要是通过以下两种方法来赋予材料表面某种功能性斛2 l 】： ( 1 ) 施加各种覆盖层。主要采用各种涂层技术，包括溅射镀、真空蒸镀、 离子镀、化学气相沉积、电镀、电刷镀、化学镀、涂装、热喷涂、热浸涂等。 ( 2 ) 用机械、物理、化学等方法，改变材料表面形貌、化学成分、相组成、 微观结构等，即采用各种表面改性技术。主要有表面热处理、化学热处理、离子 注入、表面改性等。 2 3 2 表面技术的特点 ( 1 ) 对表面施以各种处理，使其获得多种功能，并获得微晶、非晶态等特 殊晶型。 ( 2 ) 表面涂层或改性层甚薄，从微米级到毫米级，起到了整体材料难以达 到的效果。 ( 3 ) 大幅度节材、节能、节省资源。 表面技术【2 2 】【2 3 】种类甚多，方法繁杂，各种表面技术还可以适当地联合起来， 发挥更大作用。 2 3 3 运用表面处理技术防垢及强化传热的研究进展 任晓光7 2 4 - 2 q 等运用磁控溅射和动态离子混合注入技术在不锈钢上制备了 d l c ( 类金刚石碳) 、d l c - f ( 类金刚石碳+ 氟) 以及a c ( 非晶碳) 表面。研究 者使用动态法测= 蕈= 换热面接触角，通过测量接触角对表面能进行了计算，并和未 进行表面处理、抛光表面进行比较，研究表明，无论是未处理表面还是抛光表面， 其表面能都高于经过处理表面的表面能。使用p e r t h o m e t e rm 4 p i 表面粗糙度测量 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 仪器分别对a c 溅射表面、d l c 溅射表面、d l c - f 溅射表面、抛光表面和未处 理表面的表面粗糙度进行测量。结果表明，经过磁控溅射和离子注入的表面并没 有改变表面粗糙度。 任晓光等在流动沸腾和池式沸腾实验装置中分别通过传热实验考察了上述 各种换热面的传热效果，实验结果如图2 1 ( a ) 和2 1 ( b ) 所示，无论是动态离子 注入表面还是磁控溅射表面，都有明显的抗垢性能，其表面都因其表面能低而表 现出明显的抗垢性能，即传热系数随时间的变化不大。因其表面能低，污垢与加 热表面之间的附着力差，因而使得污垢在加热器表面上的沉积减轻，也就是说， 在表面能低的加热器表面上，传热系数一直保持了较高的数值。而对于未经离子 注入和溅射的表面，传热系数随时间延长而降低，最终稳定在一个较低的数值上。 o 孤，4 0 00 0 08 0 01 0 0 0i 矗m l i t t 聋t m i a ( a ) 【2 5 】( b ) 1 2 6 】 图2 一l 表面能对传热系数的影响 f i g2 一lt h ee f f e c to fs u f f a c ee n e r g yo rt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 研究者采用磁控溅射 2 7 - 3 1 】将d l c 沉积分别沉积到不锈钢片【3 2 】和不锈钢管 3 3 1 3 4 1 ，在c a s 0 4 池式沸腾溶液和c a c 0 3 c a s 0 4 共存的流动沸腾中考察了未经处 理表面和类金刚石d l c 表面上污垢的结垢情况。并利用显微照相和环境扫描电 镜对污垢的微观结构进行了考察。研究发现沉积在空白表面的c a s 0 4 污垢呈现 出紧密的结构，晶体排列方向一致，不易除去。而沉积在类金刚石表面上的污垢 呈现出疏松的多孔的结构，晶体排列杂乱无序，易脱落。从微观角度来看，降低 表面能改变了污垢层的结构，使其与基材表面的附着力减弱，易脱落。 t a k a t a 3 5 1 等分别运用两种涂层方法：溅射和浸渍，在直径为1 7 m m 的铜片上 制备了t i 0 2 膜，由浸渍得到的膜中除了t i 0 2 外还含有s i 0 2 。膜厚分别为2 5 0 r i m 和4 m 。在紫外光照射下使用液滴法测量了接触角，发现接触角随紫外光照射 时间延长而减小，这是利用t i 0 2 在紫外光照射下产生超亲水性。然后在池式沸 腾系统中考察这几种处理表面的传热效果，通过传热实验看出t i 0 2 溅射表面的 传热效果明显好于其它表面。而且即使t i 0 2 溅射表面在池式沸腾系统中运行完 后第二次再运行，传热效果仍明显好于其它表面。另外发现由浸渍得到的表面的 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 传热效果还不如空白表面，造成这种结果可能有两个原因：( 1 ) 浸渍表面材料中 含有s i 0 2 ，导热系数低；( 2 ) 膜厚为4 u m ，热阻大。 为了减少污垢的沉积，m i i l l e r - s t e i n h a g e n t 3 6 】【3 7 】等在换热设备进行了聚四氟乙 烯涂层，在牛皮纸溶液中进行了传热实验，研究发现，涂有聚四氟乙烯的换热设 备的诱导期比没有涂聚四氟乙烯的换热设备的诱导期显著增加。但前者的诱导期 也只有4 0 0 分钟，因此迫切需要对实用型聚四氟乙烯层的研究。 在基体材料上分别通过离子注入【3 8 - 4 3 l s i f 3 + 和h n ，离子注入的基体材料其 表面能都有显著的降低。注入s i f ”的材料在池沸腾装置中进行污垢实验研究， 而注入h ，n 元素的材料是在流动沸腾装置中进行的实验研究，实验结果表明， 不论是在池式沸腾装置还是流动沸腾装置中，降低表面能都可以防垢，即随时间 的延长，传热系数基本保持不变。 分子自组装是分子与分子在一定条件下，依赖非共价键分子间的作用力自发 连接成结构稳定的分子聚集体的过程。自组装膜的表面能低，垢质成核速率低， 易被流体所脱除，同时该膜还具有耐热性，由于成膜分子和金属间以化学键结 合，故膜层牢固，因此作为低能换热表面，自组装膜具有很大的抗垢潜力m - 4 9 1 。 w e i n t e i n1 4 5 】等利用t i 0 2 纳米粒子与聚苯酰胺自组装成聚合物薄膜，这种 膜可消除生物污垢。杨庆峰，顾安忠等【4 5 - 5 1 】研究了循环冷却水及池式沸腾系统 中换热面上c a c 0 3 的结垢行为，对紫铜结垢试件表面进行分子自组装，自组装 膜为铜山酸低能表面。考察了分子自组装膜( s a m ) 低能表面循环冷却水系统 中碳酸钙结垢诱导期及过诱导期特性。实验结果表明在诱导期内脱除污垢可减少 污垢的发生，在诱导期后进行脱除会增加污垢的发生，分子自组装膜低能表面的 结垢诱导期同普通表面相比将会延长。 f s r s t e r , b o l m e t 5 2 j 对钢换热表面进行处理，表面材料分别是p t f e 、d l c i 、 d l c i i ，并对其表面能进行了比较，结果表明：表面材料不同，其表面能不等，结 垢诱导期也不相同；随着表面能的降低，结垢诱导期将延长。结垢诱导期的延长 不仅有利于减少污垢的生成，而且也有利于污垢的脱除。 马学虎 5 3 5 4 1 等采用等离子体聚合技术在黄铜管外表面制备了六氟丙稀、六 甲基二硅氧烷的超薄聚合物薄膜，使用测厚仪对膜厚进行了测量，对热阻进行了 理论估算，通过j y - 8 2 型接触角测量仪测量了接触角，并根据o w e n s 提出的公式 对表面能进行了计算。可以看出经过表面处理后表面能降低，但是由于膜的厚度 不同，热阻就不同，而且随着膜的厚度的增加，热阻增大，这对传热是不利的。 并且膜越厚其机械强度反而越差。 随着表面处理技术的发展，纳米科技【5 5 】【5 6 】已经应用到表面技术中。主要集 中在纳米颗粒对涂覆层的功能改性，如纳米颗粒用于各类涂覆层技术的功能改 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 性，包括纳米热喷涂技术、纳米电镀技术、纳米s 0 1 g e l 技术及纳米涂料技术等。 植物叶表面的自清洁效果引起了人们的很大兴趣，最近报道了一个新的发 现，认为在荷叶表面微米结构乳突上还存在纳米结构，这种微米结构与纳米结构 相结合的阶层结构是引起表面具有超疏水性能的根本原因。根据这一发现，江雷 p 6 】等制备了类荷叶状的a c n t 膜，该膜层的厚度为纳米级，但是这种纳米级的 膜层能否在换热设备中产生“出淤泥而不染”的效果还有待于进一步研究。 本实验室的王红【1 6 】采用液相沉积的方法对普通钢管内壁面进行表面处理，得 到不同厚度的二氧化钛薄膜，并在流动沸腾试验装置中进行了蒸馏水与污垢实 验，研究发现经过表面处理的表面均可以强化传热，具有一定的抗垢效果，并且 还发现膜层厚度不一样时，抗垢性能和强化传热的效果也不一样，即膜层的厚度 越薄，强化传热与防垢性能越好。就其实验而言，膜厚为1 4 1 r i m 时，强化传热 与抗垢性能最佳。， 2 4 运用表面处理技术防垢及强化传热存在的问题 由上述可以发现，换热设备进行表面处理对防、除垢及强化传热确实起到了 一定的作用。通过表面处理技术来改变传热表面的一些物理化学性质来强化传 热、抑制污垢的生成是近几年来一项新的研究课题，但是还存在一些尚未解决的 问题： ( 1 ) 膜的厚度问题。如果膜太厚会带来附加热阻，这对传热是不利的，因 此需要控制膜层的厚度。但是膜层厚度又不能太薄，如果太薄了，污垢在脱落时 会对其产生磨损，破坏薄膜。因此需要选择一个合适的厚度。 ( 2 ) 膜的组成材料。膜的组成材料很多，有氧化物、聚合物、金属等。每 种材料各有优缺点，如聚合物可以有效的降低污垢在换热表面上的沉积，但是它 的附加热阻却很大，因此需要从众多的材料中选择一种最优的材料。 ( 3 ) 膜层的使用寿命。以往的研究多集中在膜层还未遭到破坏时的抗垢与 强化传热的研究，膜层遭到破坏后，其对结垢与传热会有怎样的影响，膜层的使 用寿命究竟有多长，这些是其能否运用到工业领域的关键所在。 ( 4 ) 经过表面处理的换热面，确实具有防垢和强化传热的作用，但是对于 其抗垢原理，目前还没有统一的观点。 2 5 研究课题的提出 综一l - 所述，前人利用各种表面处理技术对换热设备进行防垢的实验研究，但 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 是镀膜材料多为有机聚合物、非金刚石样碳，而有机聚合物存在导热系数过小的 缺陷，且涂层厚度大都集中在微米级，也没有系统的研究纳米涂层、材料对传热 效果的影响，而本文所用涂层厚度在纳米级，对纳米级的二氧化钛涂层进行了传 热和防垢实验的系统的研究，考察膜层厚度在纳米范围内，其对防垢和传热的影 响，并利用扫描电镜、原子力显微镜等从微观角度考察涂层材料的结构，进一步 揭示涂层对防垢和传热的影响。在基底上溅射氟化镁，考察不同材料对防垢和传 热的影响。另外，还对溅射7 0 n m - 氧化钛基底以及7 0 n m 氟化镁基底进行了长时 间的实验研究，考察膜层的使用寿命，尽可能对物质抗垢的性能做到全面的研究。 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 第三章实验流程与表征方法 3 1 实验装置及流程 3 1 1 实验装置 本论文所建立的实验装置及流程如图3 一l 所示。 图3 一l 池沸腾实验装置及流程图 f i g3 1s c h e m a t i cd r a w i n go f t e s ta p p a r a t u s ( 1 ) c o n d e n s e r ；( 2 ) p l a t i n u mr e s i s t a n c e ；( 3 ) c o a to fb o i l i n gp o o l ； ( 4 ) b o i l i n gp o o l ；( 5 ) i n s u l a t i o nm a t e r i a l ；( 6 ) p c ；( 7 ) v i e ww i n d o w s ； ( 8 ) f l a n g e ；( 9 ) r e s i s t a n c ew i r e ；0o ) h e m i n gc y l i n d e r ；( 1 1 ) s w i t c hv a l v e ； ( 1 2 ) c o p p e rp l a t e ；( 1 3 ) l i q u i dl e v e lm e t e r ；( 1 4 ) p r e s s u r eg a u g e ；( 1 5 ) p r e h e a t e r 本试验装置主要由加热棒、圆柱型普通碳钢沸腾池、铜板基底、预热器、冷 9 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 凝器等构成。主要装置的介绍如下： ( 1 ) 加热棒( h e a t i n gc y l i n d e r ) 加热棒是由紫铜棒和其上所缠绕的电阻丝组成，最大加热功率为6 0 0 w ( 电 阻为8 0 f 2 ) 。紫铜棒是直径为8 0 m m ，高为6 0 m m 的圆柱体。在紫铜棒的一侧 钻三个直径矽为4 m m 的孔，孔的底部到紫铜棒的中心线位置，将直径为4 m m 的 三个普通钢管分别放在三个孔内，再将三个铂电阻分别放在三个钢管内，用铂电 阻来测量紫铜棒中心线上的温度，具体位置参数如图3 2 所示。 图3 2 铂电阻安装位置( 图中单位为m m ) f i g3 - 2l o c a t i o n so f p l a t i n u mr e s i s t a n c e ( 2 ) 沸腾池( b o i l i n gp 0 0 1 ) 沸腾池是本实验的主体设备，该设备是l o o x 3 0 0 m m 普通碳钢柱体，其外 包裹上玻璃棉用来防止散热，玻璃棉的外面再套上厚度为l c m 不锈钢外套，用 来保温和固定绝热层。沸腾池的底部通过法兰与紫铜基底连接，在沸腾池轴向距 离法兰3 5 m m 处，对称安装2 个矽5 0 m m 的视镜，用来观察池内的沸腾及结垢状 况。在沸腾池顶部装有1 个冷凝面积为o 0 2 m 2 ( 矽3 8 x 3 0 0 m m ) 的玻璃蛇管冷凝 器和1 个3 5 m m 的视镜，沸腾池内部装有一个最大加热功率为3 0 0 w ( 电阻为 1 6 0 1 2 ) 预热器和1 个垂直放置的舛x 2 2 0 m m 的钢管，钢管中放置1 个铂电阻来测 量池内沸腾液体的温度。安装在沸腾池顶部的视镜用于从顶部观察池内的沸腾状 况。 ( 3 ) 铜板基底( c o p p e rp l a t es u b s t r a t e ) 装置中的铜板基底可以拆装，以便对不同的处理基底进行实验研究。铜板基 底通过上下两个法兰来固定，而夹在其中的1 个聚四氟乙烯垫圈使沸腾池与基底 密封。 在每次更换铜板基底后，都要对池沸腾装置进行试漏，只有在确定实验装置 不漏水后，方可进行实验。因为基底直接与电加热棒接触，一旦漏水，就会带来 危险，此时应首先关闭电源。实验所用铜板基底为矽ll o m m 的圆盘，厚度为6 m m 。 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 ( 4 ) 加热电压及温度控制柜( h e a tv o l t a g ea n dc o n t r o lt e m p e r a t u r et a n k ) 加热采用2 2 0 v 交流电，加热的电压大小可以通过集成的数字变压器来调节， 所用电压表为0 一- 2 5 0 v ( 最小刻度为l o v ) ，电流表量程为0 5 a ( 最小刻度为 0 2 a ) 。 在本实验中，首先进行蒸馏水的池沸腾传热实验，用来验证实验装置的可靠 性，并考察热通量以及表面处理状况等因素对传热效果的影响。然后再用碳酸钙 饱和溶液进行污垢实验，考察基底的抗垢性能等。温度等参数利用自行开发的微 机自动测试采集系统进行采集( 关于自行开发的微机自动测试采集系的有关知识 详见王红的硕士学位论文【1 6 】) 。 实验中，加热棒和预热器为加入沸腾池的蒸馏水或碳酸钙饱和水溶液提供沸 腾所需能量。调整加热棒的加热电压和电流，当液体温度随时间基本保持不变( 视 镜中可观察到气泡产生及运动) ，即认为液体进入稳定的沸腾状态，将预热器调 节到需要补充热量损失的量，打开数据微机自动测试采集系统，采集液体温度和 加热棒上测温点的温度随时间的变化数据，推算出铜板上与液体接触一侧表面的 温度，并计算沸腾传热温差。热通量通过加热电流和电压计算，也可以通过温度 梯度来计算热通量。热通量除以传热温差就可得到池沸腾传热系数。 3 1 2 实验物系 本实验的实验物系分别为蒸馏水和碳酸钙饱和水溶液。使用碳酸钙水溶液有 两个优点：一是便于与文献做比较；二是因为碳酸钙的溶解度随着温度的升高而 降低。因碳酸钙的溶解度比较小，为了在较短的时间内考察碳酸钙的结垢情况， 配制了2 0 时碳酸钙的饱和溶液，随着加热温度的升高，碳酸钙溶液能够迅速 结垢，节省了实验时间。这也是目前多数研究者采用碳酸钙作为实验物系进行污 垢实验的原因。表3 1 为碳酸钙的溶解度。 表3 1 碳酸钙溶解度【5 7 】( m g l ) t a b3 1s o l u b i l i t yo fc a l c i u mc a r b o n a t e 3 1 3 溶液的制备 碳酸钙是难溶物质，为了保证碳酸钙溶液的浓度，实验溶液以分析纯氯化钙 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 ( c a c l 2 ) 和碳酸氢钠( n a h c 0 3 ) 酥d s t ( - - 次分别c a c l 2 7 2 1 5 m g 、n a h c 0 3 1 0 9 2 0 m g ， 溶解于1 0 l 蒸馏水中) 。按下列方程式来配置2 0 c 的饱和碳酸钙，即碳酸钙水溶液 的浓度为6 5 m g l 。 c a c l 2 + 2 n a h c 0 3 = c a c 0 3 + 2 n a c i + h 2 0 + c 0 2 3 2 测量参数的采集与计算 3 2 1 测量参数的采集 实验中主要测量参数有：液体温度z 和加热棒中心线测温点温度t i ，加热电 流i 和电压v 。 由于考虑到采用热电偶进行温度测量受到环境影响较大，具有一定的漂移误 差，而且使用之前需要对每只热电偶进行单独标定与校核，给实验带来许多不确 定因素。为了获取准确的实验数据，本实验采用高精度p t l 0 0 型铂电阻传感器进 行温度的测量，其精度等级可达0 0 0 0 1 级。铂电阻测量精度高，而且对温度变 化反应速度极快。 在本实验装置中，利用自行开发的数据微机自动测试采集系统对各个参数进 行采集( 关于采集系统的详细介绍，如文献 1 6 】所述) 。采集数据前，首先对铂 电阻的采样条件进行了调试，当采样频率为1 0 0 h z ，采样时间为1 0 0 s 时，各个 测温点的温度变化不大，温度变化0 1 ，因此，本实验最终采样时间为1 0 s ， 采样频率为1 0 h z 。稳定时间约1 0 0 r a i n 左右，待沸腾稳定后每隔3 0 m i n 采样一次。 加热电流和电压可直接读出( 电流表量程为0 5 a ，电压表量程为0 2 5 0 v ，精度 等级均为2 5 ) ，温度梯度是通过读出加热棒上不同位置铂电阻的温度，再除以它 们的位置差计算出来的。 3 2 2 实验数据的处理 由于沸腾传热系数更能反映系统的传热特性以及溅射物质在基底上的防垢 性能，故本文以池沸腾传热系数为研究参量。 3 2 2 1 热通量的计算 热通量的计算有两种方法： ( 1 ) 通过加热的电阻丝功率及加热面积来计算，即： q 加热 q 2 _ ( 3 一1 ) 彳 、7 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 q 总2 q 加热+ 热 q f u l ( 2 ) 通过温度梯度来计算： q i = z 平均热通量： 五 日= 疗一l t f + 1 一t i ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 传热表面的温度，可在忽略加热棒与铜板基底间的接触热阻的条件下，由加 热棒上3 个测温点测得的温度按线性外推并平均求得，即： 驴i in - i i p 焘( k ， ) j c 3 卅 k 2i l 一意【_ + l _ 巳) j ( 3 - 6 ) 式中： 五为紫铜的导热系数，a 为底面面积，t m 为第i + 1 个测温点的温度，t ，为 第i 个测温点的温度，石+ 。为第i + 1 个测温点的位置，石为第i 个测温点的位置。 沸腾传热温差： atw=twts(3-7) 沸腾换热系数： h ：q a t w ( 3 8 ) 式中t 。为壁面温度，t 为液温，l 为温差，办为沸腾传热系数。 3 2 2 2 热量损失的计算 由于沸腾池和加热棒的外壁温度高于环境温度，因此热量主要以对流和辐射 联合传热，由沸腾池和加热棒外壁面向环境传递，从而引起热损失，即散热主要 包括对流散热和辐射散热两部分。设备的热损失可根据对流传热速率方程和辐射 传热速率方程来计算。 热量损失： q 散热2 + ( 3 - - 9 ) q 散热= h t t w - - k ) 爿。w 吁= + ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 、 k 一所 ， 一 一 一 幻 r旷 1，i l z 肛互蚓 天津大学硕士学位论文 第三章实验流程与表征方法 线= 办c 彳。w ( r 。w f 6 ) 鲰= k 如w ( r 。w 一) h r 为联合传热系数，w m - 2 0 一： h c 为对流传热系数，w m 之： c - - 2 4 一 h r = 兰一 为辐射传热系数，w h i - 2 , 一； o 。为总辐射系数，w m - 2 k - 4 ，c l 一2 = q g ； 蜀为不锈钢的灰度值，毛= 0 8 ； c o 为黑体的辐射系数，c o = 5 6 7 w m _ 2 k 4 ； 见= n u ( k d o ) g ，：1 3 p 2 9 1 3 a t ( 3 一1 2 ) ( 3 一1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 一1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 一1 8 ) 天津大学硕士学位论文第三章实验流程与表征方法 七为空气的导热系数，w m 2 一； 么为沸腾池的外径，m ； b 为系数，无因次； 刀为常数，无因次； 助为瑞利数( r a l e i g hn u m b e r ) ，无因次； g r 为格拉斯霍夫数( g r a s h o f n u m b e r ) ，无因次； 丹为普兰德数( p r a n d t ln u m b e r ) ，无因次； 在本实验中计算出热量后，用预热器提供相同的热量来补充热量损失。 3 3 膜层的制备 3 3 1 表面预处理 3 3 1 1 磨光 磨光是借助粘有磨料的磨光轮( 带) ，在高