表面处理技术强化沸腾传热及防垢研究.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 2006 年石油和化工行业节能技术研讨会征文 表面处理技术强化沸腾传热及防垢研究表面处理技术强化沸腾传热及防垢研究 刘明言 王燕 王红 天津大学化工学院 天津 300072 摘要摘要 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 石油化工 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 并带来安全隐患 目前 有采用物理或化学方法来清洗和预防污垢生成 包括机械清洗 流化床清 洗 化学清洗等 随着表面技术的发展 采用表面处理技术进行防垢和强化传热成为重要的方向 本文 主要针对表面处理防垢和强化沸腾换热的最新研究进行综述 指出存在的问题及进一步的发展方向 关键词关键词 表面处理 防垢 强化传热 表面能 污垢 沸腾 污垢是指在与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 它存在于许多工业过程中 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 污垢的存在会导致传热效 率下降 能耗和物耗增加 并可能带来安全隐患 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 25 美国仅炼油工业与污垢有关的费用就达 13 6 亿美元 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 而且也是一个涉及化学或生化反应的物理化学过程 1 3 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 换热设备的防垢研究取得了一定进 展 例如 采用物理或化学的方法来清洗和预防污垢生成 包括机械清洗 流化床清洗 化学清洗 添 加阻垢剂 应用表面处理技术等 其中 表面处理技术在冷凝传热方面的应用研究较多 而在防垢和强 化沸腾传热方面的研究相对不足 近年来 随着表面科学技术的发展 表面处理在防垢和强化沸腾传热 领域的研究又受到关注 本文对此领域的进展进行综述 表面处理技术是在不改变基体材料成分 不削弱基体材料强度的条件下 通过某些物理手段或化学 手段 赋予材料表面特殊的性能 从而达到防垢和强化传热的目的 4 表面处理技术主要通过以下方法 赋予材料表面某种特殊性能 施加各种覆盖层 主要包括电镀 电刷镀 化学镀 涂装 热喷涂 热浸 涂 真空蒸镀 化学沉积 溅射镀 离子镀等涂层技术 采用各种表面改性技术 改变材料表面形貌 成分 相组成 微观结构等 主要有表面热处理 化学热处理 离子注入 表面改性等 这里只对几种 主要表面处理技术的防垢和传热效果进行分析 1 涂层技术涂层技术 对流动沸腾装置中加热表面进行处理 磁控溅射 DLC DLC F 以及 AC 等混合元素 可以降低表面 能 而不改变表面粗糙度 5 6 磁控溅射表面具有较强的抗垢性能 所有处理过的表面的流动沸腾传热 系数均高于未处理表面的沸腾传热系数 且传热系数随时间变化不大 而未处理表面的传热系数则随时 间的增加逐渐降低 最终达到一较低的稳定值 而抛光表面无明显防垢效果 污垢微观分析表明 降低 基金项目 国家自然科学基金 2016012 通讯作者 刘明言 男 1966 博士 教授 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 表面能可以改变污垢层的结构 使其与基材表面的附着力减弱 易脱落 7 8 对换热设备进行聚四氟乙烯涂层的传热实验发现 涂有聚四氟乙烯的换热设备直到运行到 400 多分 钟时污垢才有显著的增加 而没有涂聚四氟乙烯的换热设备在运行不到 100 分钟时污垢显著增加 但是 污垢脱落过程会磨损聚四氟乙烯涂层 从而破坏聚四氟乙烯膜 9 纳米材料具有自清洁效应 可用于表面的纳米涂层处理 以强化沸腾传热和防垢 10 12 采用磁控溅 射和浸渍法制备纳米 TiO2超亲水性膜有利于强化池沸腾传热 在紫外光照射后 由于超亲水性表面的形 成 池沸腾传热效果明显好于其它表面 而由浸渍法得到的表面的传热效果还不如空白表面的效果好 原因可能是 浸渍表面材料中含有 SiO2 导热系数低 膜较厚而热阻较大 利用液相沉积法制备的纳米 TiO2疏水性膜具有较低的表面能 其流动沸腾传热系数较未处理表面的 高 且具有很好的防垢效果 在影响因素中 膜厚度是一个关键因素 膜厚在 141nm 时效果最好 13 2 表面改性技术表面改性技术 对铜加热棒传热元件进行离子注入 SiF3 的表面改性 其池沸腾抗垢曲线与未改性的不同 初始阶段 离子注入加热面和空白加热面的传热系数几乎相同 但是 经过一定时间后 离子注入面的传热系数几 乎维持在一个稳定的较高数值 而空白加热元件的传热系数下降 表明离子注入表面改性加热元件具有 抗垢性能 原因是离子注入降低了表面能 14 在紫铜上面通过离子注入 H N 和磁控溅射乙烷制备四种不同的表面材料 在相同的实验条件下考 察 CaCO3沉积垢在这些表面上的生长情况表明 处理表面的污垢热阻减小 传热系数明显增大 表面材 料不同 污垢热阻降低的程度不一样 由污垢热阻 传热系数间接证明离子注入 H 比注入 N 能更明显地 降低表面能 15 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 故膜牢固 因此 作为低能换热表面 自组装膜具有一定抗垢潜力 16 紫铜传热表面的分子自组装膜 铜 山酸 低能表面的池式沸腾时 换热面上 CaCO3结垢的诱导期 同普通表面相比延长 17 结垢诱导期的延长有利于减少污垢的生成 也有利于污垢的脱除 防垢就是尽 量延长结垢诱导期 以阻止工质在加热面上形成垢层 成核速率 结晶物和加热面的粘合强度等都影响 结垢诱导期 污垢的沉积和脱除取决于加热表面的表面能 18 等离子体聚合技术在黄铜管外表面制备六氟丙稀 六甲基二硅氧烷的超薄聚合物薄膜的表面能降低 结垢诱导期延长 但是由于膜厚度不同 热阻就不同 而且随着膜的厚度的增加 热阻增大 这对传热 不利 应选择合适的膜厚度 19 3 结论及展望结论及展望 传热表面的结垢是一个复杂的理论困惑和实际难题 通过运用表面处理技术对传热表面进行处理 希望能够防垢并同时强化沸腾传热 要实现这一愿望 还需进一步开展研究 例如 1 表面处理技术 防垢和强化沸腾传热的关键影响因素及机理 2 表面处理技术防垢和强化沸腾传热效果的长期考察和 数据积累 3 表面材料和表面处理方法的适应性选择及优化 4 纳米技术在防垢和沸腾传热强化 领域的应用等 可以预计 纳米表面处理技术将成为防垢和强化沸腾传热甚至所有过程传热的关键技术 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 参考文献参考文献 1 杨善让 徐志明 孙灵芳 换热设备污垢与对策 第二版 M 北京 科学出版社 2004 2 Aborek J Assessment of fouling research on the design of heat exchanger Fouling Mitigation of Industrial heat exchanger equipment C New York Begell House Inc punlishers 1997 27 3 刘明言 林瑞泰 李修伦 黄鸿鼎 管壳式换热器工艺设计的新挑战 J 化学工程 2005 33 1 16 19 4 姚寿山 李戈扬 胡文彬 表面科学与技术 M 北京 机械工业出版社 2005 5 任晓光 刘长厚 赵起等 在流动沸腾装置中磁控溅射表面的抗垢性能 J 化工学报 2001 52 3 173 175 6 任晓光 李铁凤 赵起等 池式沸腾条件下CaSO4污垢生成的实验研究 J 化学工程 2006 34 3 13 15 7 Zhao Q Wang X Heat transfer coated with fluorinated diamond like carbon films to minimize scale formation J Surface coatings technology 2005 192 77 80 8 Helalizadeh A M ller Steinhagen H Jamialahmadi M Application of fractal theory for characterisation of crystalline deposits J Chemical Engineering Science 2006 61 2069 2078 9 M ller Steinhagen H Branch C A Heat Transfer and transfer fouling in Kraft black liquor evaporators J Experimental Thermal and Fluid Science 1997 14 14 425 437 10 江雷 从自然到仿生的超疏水纳米界面材料 J 化工进展 2003 22 12 1258 1263 11 杨邦朝 陈金菊 韩丽坤 纳米技术在表面处理中的应用 J 表面技术 2003 32 3 60 61 12 Takata Y Hidaka S Masuda M et al Pool boiling on a superhydrophilic surface J Int J of Energy Research 2003 27 2 111 119 13 王红 经过表面处理的蒸发器传热及防除垢研究 D 天津 天津大学 2006 14 M ller Steinhagen H Zhao Q Investigation of low fouling surface alloys made by ion implantation technology J Chemical Engineering Science 1997 52 19 3321 3332 15 刘天庆 徐敦颀 换热器表面防除垢新方法的研究 J 表面技术 1993 22 5 214 217 16 刘海林 马晓燕 袁莉等 分子自组装研究进展 J 材料科学与工程学报 2004 22 2 308 311 17 杨庆峰 顾安忠等 换热面上碳酸钙得结垢行为及垢形 J 化工学报 2002 53 9 924 930 18 Foster M Bohnet M Influence of the interfacial free energy crystal heat transfer surface on the induction period during fouling J Int J of Thermal Sciences 1999 38 11 944 954 19 马学虎 徐敦颀 林纪方 超薄聚合物表面与滴状冷凝的研究 J 化工学报 1993 44 2 165 169 Progress on anti fouling and enhancing boiling heat transfer with surface treatment methods Lin Ming yan Wang Yang Wang Hong School of Chemical Engineering and Technology Tianjin University Tianjin 300072 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 此文档仅供学习与交流 Abstract Fouling is one of the major problems which are not well resolved in the areas of processing industries such as chemical industry petrochemical industry power and food industries The efficiency of heat transfer will fall down while the consumption of energy and material will increase for the existence of fouling In order to prevent fouling and to enhance heat transfer chemistry or physical methods to get rid of fouling have been used such as mechanic cleaning chemistry cleaning fluidization self cleaning etc With development of science and technology surface treatment technology is