【摘要】：換熱表面在服役過(guò)程中常常會(huì)附著一層污垢晶體,它會(huì)延長(zhǎng)污垢誘導(dǎo)期,增大換熱面污垢熱阻,降低換熱設(shè)備的傳熱效率,增加設(shè)備能耗,縮短換熱設(shè)備的使用壽命。可見,如何增強(qiáng)換熱表面的抗垢性能的研究工作具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文提出采用電火花加工技術(shù)和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合的兩步法,在換熱表面制備出具有非晶碳膜覆蓋層的復(fù)合層次微納結(jié)構(gòu)(HMNS),研究了復(fù)合層次微納結(jié)構(gòu)表面的形貌特征、表面粗糙度(Ra和Rz)、潤(rùn)濕性(表面接觸角CA)和耐腐蝕性等表面特性,著重研究了表面特性與換熱表面抗垢性能的構(gòu)效關(guān)系,并研究層次微納結(jié)構(gòu)在池沸騰強(qiáng)化傳熱方面的應(yīng)用。根據(jù)電火花加工原理和特點(diǎn),提出采用電火花成型設(shè)備制備銅金屬表面層次微納結(jié)構(gòu)的方法。利用宏觀和微觀形貌分析(OM、HRSEM、SEM、AFM、EDS)對(duì)所制備的層次微納結(jié)構(gòu)表面的粗糙度、接觸角等特征參數(shù)進(jìn)行了表征和分析。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,探討了脈沖放電參數(shù)對(duì)表面粗糙度和潤(rùn)濕性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,可通過(guò)調(diào)整脈沖放電參數(shù)調(diào)控層次微納結(jié)構(gòu)表面特性。影響Ra的因素主次為:電流、脈寬、間隙電壓、占空比。影響Rz和CA的因素主次則為:電流、脈寬、占空比、間隙電壓。銅基HMNS表面為疏水表面,靜態(tài)接觸角隨脈寬的增大而增大。在本論文實(shí)驗(yàn)中可達(dá)到144.7°±2.1°,接觸角滯后性為8.46°±3.3°～14.1°±1.2°。銅基HMNS表面中的微納結(jié)構(gòu)孔洞可存儲(chǔ)空氣在其中形成“氣墊”效應(yīng),這是提高表面疏水性的關(guān)鍵。根據(jù)銅基HMNS表面和水滴的液固界面所占面積分?jǐn)?shù)fsl,結(jié)果顯示水滴和層次微納結(jié)構(gòu)表面僅有14.05%～25.10%的接觸面積,其他接觸面積是水滴和“氣墊”接觸。因此,水滴難以在銅基HMNS表面鋪展開而具有團(tuán)聚的趨勢(shì),提高了銅基HMNS表面的接觸角。非晶碳膜的潤(rùn)濕性與非晶碳膜sp2的含量有關(guān),通過(guò)調(diào)整磁控濺射偏壓參數(shù),可調(diào)控非晶碳膜中sp2的含量,提高非晶碳膜的表面接觸角。結(jié)果表明,磁控濺射制備的非晶碳膜表面由納米尺寸的球狀非晶碳簇束組成,球狀非晶碳簇束的平均尺寸隨著偏壓的增大而增大,簇束之間的平均距離則隨著偏壓的增大而減小,非晶碳膜中孔洞數(shù)量也隨之減少。隨著偏壓的增大,非晶碳膜中sp2的含量先減小后增大,sp2含量的范圍為59.02%～70.50%。隨著非晶碳膜中ID/IG、sp2/sp3和sp2含量的增大,非晶碳膜接觸角隨之增大,而非晶碳膜的表面能隨之減小。根據(jù)Cassie-Baxter潤(rùn)濕理論,非晶碳膜中孔洞起到了存儲(chǔ)空氣阻礙液滴在表面鋪展的效果,與非晶碳膜的低表面共同作用而提高了非晶碳膜的疏水性。不同偏壓下的非晶碳膜的接觸角分別為 133.16°±0.45°(-100V)、119.57°± 1.17°(-200V)和 121.28°±0.20°(-300V);表面能分別為 4.57×0.29mJ/m2(-100V)、11.73×1.89 mJ/m2(-200V)和 10.57×1.53 mJ/m2(-300V)。通過(guò)自制的換熱表面涂層傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)研究銅基HMNS表面的抗垢性能和池沸騰傳熱性能,探討了不同疏水性、表面粗糙度和耐腐蝕性對(duì)銅基HMNS表面的抗垢性能的影響。結(jié)果表明,銅基HMNS表面在低熱通量條件下具有較長(zhǎng)的污垢誘導(dǎo)期和較低的最大污垢熱阻值(Rf max);在高熱通量條件下,銅基HMNS表面的污垢誘導(dǎo)期消失了,但其Rfmax仍舊低于光滑銅表面的。一方面是因?yàn)殂~基HMNS表面的疏水性降低了換熱表面污垢的附著量,且附著的污垢晶體松散;另一方面是因?yàn)殂~基HMNS表面耐腐蝕性降低了污垢溶液中Cu2+的濃度,減少了復(fù)雜的碳酸根污垢沉積;三是因?yàn)殂~基HMNS表面具有類似多孔表面的作用,增強(qiáng)了沸騰氣泡的活動(dòng),提高了沸騰氣泡脫離頻率,使得附著在表面的污垢受到沸騰氣泡脫離時(shí)的擦拭作用而從換熱表面上脫落。這些因素共同作用而使得銅基HMNS表面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗垢性。另外,銅基HMNS表面上附著的污垢晶體可通過(guò)超聲清洗的方式去除,清潔后的銅基HMNS表面的接觸角與原有表面的接觸角相比較輕微下降。在池沸騰傳熱性能方面,銅基HMNS表面的微納結(jié)構(gòu)增加了沸騰氣泡形核區(qū)域,并增強(qiáng)了換熱表面上沸騰氣泡的活動(dòng),從而增強(qiáng)了銅基HMNS表面的臨界熱流密度(CHF)和傳熱系數(shù)(HTC)。一方面,銅基HMNS表面粗糙度的增大,增加了換熱表面積,從而增大CHF;另一方面,銅基HMNS表面疏水性的提高了表面沸騰氣泡的脫離頻率,使得換熱表面的HTC得到提高。采用兩步法,將電火花加工技術(shù)和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合,制備出具有非晶碳膜覆蓋的復(fù)合HMNS表面(MES)。采用數(shù)碼相機(jī)、HRSEM、SEM、EDS、XPS、XRD和Raman分別表征了非晶碳膜復(fù)合HMNS表面的宏觀和微觀形貌、非晶碳膜結(jié)構(gòu)、元素價(jià)態(tài),并用電化學(xué)工作站和原子吸收分光光度計(jì)檢測(cè)了非晶碳膜復(fù)合HMNS表面的耐腐蝕性,采用表面接觸角測(cè)量?jī)x檢測(cè)了該表面的疏水/疏油性能,通過(guò)自制的換熱表面涂層傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)研究了該表面的抗垢性。結(jié)果表明,非晶碳膜復(fù)合HMNS表面的納米結(jié)構(gòu)特征比銅基HMNS表面的多;該表面中非晶碳膜sp2/sp3的結(jié)果為1.98,石墨化程度較高,表面能較低,因而具有良好的疏水性,對(duì)水的接觸角為146.4°±3.4°,對(duì)甘油的接觸角為150.2°±3.6°,具有疏水/疏油雙疏效果;同時(shí),非晶碳膜復(fù)合HMNS表面具有較高的耐蝕性,其阻抗值高于銅基HMNS表面和光滑銅表面,反映了該表面對(duì)腐蝕介質(zhì)具有更強(qiáng)阻隔作用,降低了腐蝕介質(zhì)與復(fù)合HMNS表面的有效接觸面積,從而提高試樣了換熱表面的耐腐蝕性�；谏鲜鲆蛩氐墓餐饔�,非晶碳膜復(fù)合HMNS表面在熱通量為66kW/m2條件下的抗垢性能更優(yōu)。與光滑銅表面和單純銅基HMNS表面相比較,該表面的污垢誘導(dǎo)期更長(zhǎng)和污垢熱阻更低,該表面的污垢誘導(dǎo)期是銅基HMNS表面的3.8倍。電火花加工技術(shù)和磁控濺射相結(jié)合,一方面可在相脈沖放電加工制備的微納尺度結(jié)構(gòu)上復(fù)合納米尺度特征,增強(qiáng)層次微納結(jié)構(gòu)表面的多尺度特征的復(fù)合程度;另一方面,便于構(gòu)筑層次微納結(jié)構(gòu)表面的材料體系,調(diào)控其表面能趨于低能態(tài)�；谏鲜鎏攸c(diǎn),層次微納結(jié)構(gòu)表面的疏水性能、耐蝕性能和抗垢性能得到增強(qiáng)。
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB306
【圖文】：

力作用而下沉觸碰管壁，對(duì)管壁造成磨損和腐蝕的破壞，他們將金屬扭帶改為工程逡逑塑料材質(zhì)的扭帶，使得這一系列的問(wèn)題在保證阻垢效果和傳熱效率的情況下得以解逡逑決。隨后，俞秀民［５９］等人在光滑表面的塑料扭帶增加了等距離排列的斜齒（圖１－２），逡逑解決了原有光滑扭帶在低流速流體中無(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題。張琳｜６�。钡热藢�(duì)自旋塑料扭帶逡逑開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，以確認(rèn)自旋塑料扭帶在實(shí)際使用過(guò)程中的效果和可靠性。逡逑研究結(jié)果表明，自旋塑料扭帶管的動(dòng)態(tài)污垢低于光管，其防垢效果優(yōu)于光管的效果，逡逑而且采用自旋塑料扭帶的管內(nèi)磨損與光管的接近，加上其扭帶自身的磨損率較低，逡逑所以自旋塑料扭帶的可靠性較高。同時(shí)，張琳１６１１等還研宄了自旋塑料扭帶強(qiáng)化傳熱逡逑的機(jī)理，結(jié)果表明裝置了自旋塑料扭帶的換熱管具備強(qiáng)化傳熱和抗垢的雙重功能。逡逑雖然扭帶具有較好的除垢效果，然而扭帶的結(jié)構(gòu)在加工上存在較多的問(wèn)題，難以順逡逑利一次加工成型，增加了制造難度和成本。另外，驅(qū)動(dòng)扭帶旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)力矩較高，逡逑需額外增加提高流體流速或外力驅(qū)動(dòng)而使扭帶轉(zhuǎn)動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題

垢內(nèi)插物的清污原理類似。林榕端［６５］等人開發(fā)了一種微型液輪機(jī)，通過(guò)管內(nèi)液體對(duì)逡逑葉輪的驅(qū)動(dòng)，令葉輪連續(xù)擦刮、刷洗管內(nèi)壁，在清除污垢的同時(shí)還阻止污垢在其表逡逑面上附著。Ｊｕａｎ［６６］等人設(shè)計(jì)了刮壁式換熱器（見圖１－３），通過(guò)刮刀在管內(nèi)進(jìn)行圓周逡逑運(yùn)動(dòng)，將管內(nèi)壁上的污垢剮蹭下來(lái)，其刮削力與刮刀的速度有明顯的關(guān)系。彭德其逡逑［６７］等人將偏重式螺旋輪內(nèi)插在換熱管內(nèi)，與內(nèi)插螺旋線內(nèi)插物和內(nèi)插螺旋扭帶內(nèi)插逡逑物相比，偏重式螺旋輪內(nèi)插物的清垢能力更好，但偏重式螺旋輪的轉(zhuǎn)動(dòng)性能與安裝逡逑方式有很大關(guān)系，其清垢能力也受其影響。相較于前面幾種阻垢內(nèi)插物設(shè)計(jì)，葉輪逡逑８逡逑

逡逑圖１－２斜齒自旋雙塑料扭帶結(jié)構(gòu)原理［５９］。１－軸承、２－旋轉(zhuǎn)軸、３－傳熱管、４－帶斜齒的逡逑塑料扭帶逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｅｌｆ邋ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｗｉｓｔｅｄ邋ｓｔｒｉｐ邋ｗｉｔｈ邋ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｔｅｅｔｈ卜９】．逡逑１－ｂｅａｒｉｎｇ；邋２－ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ａｘｉｓ；邋３－ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｔｕｂｅ；邋４－ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｗｉｓｔｅｄ邋ｓｔｒｉｐ邋ｗｉｔｈ邋ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｔｅｅｔｈ逡逑＂邐葉輪式阻垢內(nèi)插物與扭帶式阻垢設(shè)計(jì)類似，只是將葉片按照一定的排布規(guī)律焊逡逑接或固定在旋轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)管內(nèi)流體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)自轉(zhuǎn)，其清除污垢的原理與扭帶式阻逡逑垢內(nèi)插物的清污原理類似。林榕端［６５］等人開發(fā)了一種微型液輪機(jī)，通過(guò)管內(nèi)液體對(duì)逡逑葉輪的驅(qū)動(dòng)，令葉輪連續(xù)擦刮、刷洗管內(nèi)壁，在清除污垢的同時(shí)還阻止污垢在其表逡逑面上附著。Ｊｕａｎ［６６］等人設(shè)計(jì)了刮壁式換熱器（見圖１－３），通過(guò)刮刀在管內(nèi)進(jìn)行圓周逡逑運(yùn)動(dòng)，將管內(nèi)壁上的污垢剮蹭下來(lái)，其刮削力與刮刀的速度有明顯的關(guān)系。彭德其逡逑［６７］等人將偏重式螺旋輪內(nèi)插在換熱管內(nèi)，與內(nèi)插螺旋線內(nèi)插物和內(nèi)插螺旋扭帶內(nèi)插逡逑物相比

本文編號(hào)：2798985