【摘要】：蒸汽冷凝作為高效的傳熱形式被廣泛應(yīng)用于余熱回收、發(fā)電廠、海水淡化、航空航天等工業(yè)生產(chǎn)中。冷凝傳熱的強化已成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一。冷凝傳熱可分為滴狀冷凝和膜狀冷凝。其中,滴狀冷凝是利用液體的表面能來強化冷凝換熱的最理想方式,其傳熱系數(shù)是膜狀冷凝的5~7倍。在工業(yè)系統(tǒng)中,目前大多數(shù)熱交換器材料為金屬,常見金屬材料的表面能較大,冷凝蒸汽易在金屬換熱表面鋪展成膜而形成熱阻較大的膜狀冷凝。在低表面能的材料表面冷凝蒸汽易分散為小液滴而形成滴狀冷凝。因此選擇低表面能的材料對金屬表面進行改性以實現(xiàn)滴狀冷凝具有重要意義。利用定向碳納米管陣列薄膜對金屬表面進行超疏水改性技術(shù)的發(fā)展為滴狀冷凝的研究提供了新思路。該方法可在幾乎不增加表面?zhèn)鳠釤嶙杌A(chǔ)上有效提高表面疏水性能,達到強化冷凝傳熱的目的。本文以此為切入點,采用浮游催化化學(xué)氣相沉積法,利用碳納米管陣列薄膜對不銹鋼表面進行疏水改性。探究了制備工藝參數(shù)對碳納米管陣列微觀形貌和接觸角的影響,分析了改性后金屬表面的冷凝傳熱效果。主要研究內(nèi)容如下:(1)通過自建的化學(xué)氣相沉積實驗臺,研究了氬氣、氫氬混合氣、氮氣三種不同氣氛和環(huán)己烷、二甲苯兩種碳源對不銹鋼304金屬表面生長碳納米管陣列的影響。另外,以紫銅、黃銅、不銹鋼304、鐵等常見金屬材料作為基底,研究了不同基底材料表面生長碳納米管陣列的規(guī)律及疏水性能。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)基底材料為不銹鋼304、載氣為純氮氣、碳源為環(huán)己烷時是金屬表面上生長碳納米管陣列的理想條件,表面具有優(yōu)良的疏水性。(2)通過正交試驗法全面分析了六個參數(shù)(反應(yīng)溫度、生長時間、催化劑濃度、溶液進給速率、載氣流量及基底刻蝕時間)對不銹鋼表面生長碳納米管陣列高度、定向性、以及表面接觸角等指標(biāo)的影響。獲得了影響碳納米管陣列高度、定向性以及表面接觸角的最重要參數(shù)及影響規(guī)律。反應(yīng)溫度對碳納米管陣列高度的影響最大,基底刻蝕時間對其影響最小;溶液進給速率和反應(yīng)溫度對碳納米管陣列定向性影響最大,催化劑濃度和基底刻蝕時間則對定向性影響最小;溶液進給速率對碳納米管陣列接觸角影響最大,基底刻蝕時間對碳納米管陣列接觸角影響最小。(3)通過控制變量法,分析了各條件(反應(yīng)溫度、生長時間、催化劑濃度、溶液進給速率、載氣流量及基底刻蝕時間)對不銹鋼表面生長碳納米管陣列的影響,探究制備碳納米管陣列的最佳條件。研究結(jié)果表明:制備碳納米管陣列的最佳條件為生長時間1.5h、反應(yīng)溫度780℃、溶液注射速率0.08ml·min-1、催化劑濃度25mg·ml-1、載氣流量100ml·min-1、基底刻蝕時間5min。(4)通過高速CCD相機研究了碳納米管陣列表面冷凝液滴的潤濕行為,在含有高不凝氣氣體的水蒸氣在碳納米管陣列表面冷凝時,冷凝小液滴合并時會產(chǎn)生自發(fā)的彈跳行為。對比了不銹鋼表面鍍碳納米管陣列薄膜前后的傳熱系數(shù),在低過冷度情況下,碳納米管陣列薄膜具有明顯的強化凝結(jié)換熱的效果。通過自建冷凝換熱的實驗臺,對幾種不同的換熱表面進行換熱效果測試,強化凝結(jié)換熱效果排序如下:碳納米管親疏組合表面氟化后的碳納米管陣列超疏水表面氟化后的疏水不銹鋼疏水表面原始不銹鋼親水表面碳納米管陣列改性后的超疏水不銹鋼表面。
【圖文】：

究背景、目的及意義于我國經(jīng)濟的快速增長所引發(fā)能量消耗日益增加的問題，“十二五規(guī)劃”減排定位為我國一項重要的基本國策，“十三五規(guī)劃”中要求單位 GDP以上。而火力發(fā)電、燃煤采暖、煙氣濕法脫硫等產(chǎn)業(yè)均產(chǎn)生大量的乏汽飽和水蒸汽為例，其汽化潛熱為 2550kJ/kg，，相當(dāng)于將同等質(zhì)量的水加可見這部分乏汽廢熱能量的回收具有重大的節(jié)能價值。電廠乏汽余熱大量浪費據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)[1]，2016 年火力發(fā)電量占總發(fā)電量的 65%，是目主要組成部分，火力發(fā)電的耗煤量占全國總耗煤量的 57%，耗煤量巨大產(chǎn)生的大量低壓缸排氣余熱基本上沒有得到有效利用，一般通過冷卻塔直中。這些低品位乏汽余熱的能量十分巨大，以 2016 年為例，我國火電廠9 億噸，乏汽余熱損失折合成標(biāo)煤 9.2 億噸，相當(dāng)于 79 個三峽的發(fā)電量。些熱量將會帶來巨大的經(jīng)濟效益，對我國節(jié)能降耗工作具有重要意義。

乏汽余熱損失折合成標(biāo)煤 9.2 億噸，相當(dāng)于 79 個三峽的發(fā)電會帶來巨大的經(jīng)濟效益，對我國節(jié)能降耗工作具有重要意義圖 1-1 我國 2016 年發(fā)電形式以及電廠能耗損失情況汽余熱的大量損失煤田地質(zhì)調(diào)查顯示[2]，中國煤炭總資源量 5.9 萬億噸，占中 94.2%。而低階煤占煤炭資源總量的 55%以上，在新疆準(zhǔn)格煤炭資源，預(yù)測資源儲量就達 3900 億噸。低階煤的典型特發(fā)分(45~55%)[3]。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK124;TB383.1

【參考文獻】

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1 周新宇;吳志健;王明文;;基于正交實驗設(shè)計的人工蜂群算法[J];軟件學(xué)報;2015年09期

2 符冬菊;葉利強;曾燮榕;馬清;陳建軍;檀滿林;;載氣種類對微波CVD合成碳納米管陣列生長的影響[J];化工新型材料;2015年08期

3 彭本利;馬學(xué)虎;蘭忠;徐威;溫榮福;白濤;;組合表面調(diào)控液滴特性強化蒸汽冷凝傳熱[J];化工學(xué)報;2015年10期

4 楊州;張強;羅國華;項榮;騫偉中;王W

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