表面处理技术强化沸腾传热及防垢研究

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1、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刘明言[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.，王燕，王红（天津大学化工学院，天津，300072）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

2、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：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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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[

8、13]。2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