【摘要】：換熱表面在服役過程中常常會附著一層污垢晶體,它會延長污垢誘導期,增大換熱面污垢熱阻,降低換熱設備的傳熱效率,增加設備能耗,縮短換熱設備的使用壽命。可見,如何增強換熱表面的抗垢性能的研究工作具有重要的科學意義和應用價值。本論文提出采用電火花加工技術和磁控濺射技術相結合的兩步法,在換熱表面制備出具有非晶碳膜覆蓋層的復合層次微納結構(HMNS),研究了復合層次微納結構表面的形貌特征、表面粗糙度(Ra和Rz)、潤濕性(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效關系,并研究層次微納結構在池沸騰強化傳熱方面的應用。根據(jù)電火花加工原理和特點,提出采用電火花成型設備制備銅金屬表面層次微納結構的方法。利用宏觀和微觀形貌分析(OM、HRSEM、SEM、AFM、EDS)對所制備的層次微納結構表面的粗糙度、接觸角等特征參數(shù)進行了表征和分析。通過正交實驗設計方案,探討了脈沖放電參數(shù)對表面粗糙度和潤濕性的影響規(guī)律。結果表明,可通過調(diào)整脈沖放電參數(shù)調(diào)控層次微納結構表面特性。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。在本論文實驗中可達到144.7°±2.1°,接觸角滯后性為8.46°±3.3°～14.1°±1.2°。銅基HMNS表面中的微納結構孔洞可存儲空氣在其中形成“氣墊”效應,這是提高表面疏水性的關鍵。根據(jù)銅基HMNS表面和水滴的液固界面所占面積分數(shù)fsl,結果顯示水滴和層次微納結構表面僅有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聚的趨勢,提高了銅基HMNS表面的接觸角。非晶碳膜的潤濕性與非晶碳膜sp2的含量有關,通過調(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潤濕理論,非晶碳膜中孔洞起到了存儲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)。通過自制的換熱表面涂層傳熱性能測試系統(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銅基HMNS表面的抗垢性能的影響。結果表明,銅基HMNS表面在低熱通量條件下具有較長的污垢誘導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表面的污垢誘導期消失了,但其Rfmax仍舊低于光滑銅表面的。一方面是因為銅基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;另一方面是因為銅基HMNS表面耐腐蝕性降低了污垢溶液中Cu2+的濃度,減少了復雜的碳酸根污垢沉積;三是因為銅基HMNS表面具有類似多孔表面的作用,增強了沸騰氣泡的活動,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表面的微納結構增加了沸騰氣泡形核區(qū)域,并增強了換熱表面上沸騰氣泡的活動,從而增強了銅基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,將電火花加工技術和磁控濺射技術相結合,制備出具有非晶碳膜覆蓋的復合HMNS表面(MES)。采用數(shù)碼相機、HRSEM、SEM、EDS、XPS、XRD和Raman分別表征了非晶碳膜復合HMNS表面的宏觀和微觀形貌、非晶碳膜結構、元素價態(tài),并用電化學工作站和原子吸收分光光度計檢測了非晶碳膜復合HMNS表面的耐腐蝕性,采用表面接觸角測量儀檢測了該表面的疏水/疏油性能,通過自制的換熱表面涂層傳熱性能測試系統(tǒng)研究了該表面的抗垢性。結果表明,非晶碳膜復合HMNS表面的納米結構特征比銅基HMNS表面的多;該表面中非晶碳膜sp2/sp3的結果為1.98,石墨化程度較高,表面能較低,因而具有良好的疏水性,對水的接觸角為146.4°±3.4°,對甘油的接觸角為150.2°±3.6°,具有疏水/疏油雙疏效果;同時,非晶碳膜復合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,反映了該表面對腐蝕介質(zhì)具有更強阻隔作用,降低了腐蝕介質(zhì)與復合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,該表面的污垢誘導期更長和污垢熱阻更低,該表面的污垢誘導期是銅基HMNS表面的3.8倍。電火花加工技術和磁控濺射相結合,一方面可在相脈沖放電加工制備的微納尺度結構上復合納米尺度特征,增強層次微納結構表面的多尺度特征的復合程度;另一方面,便于構筑層次微納結構表面的材料體系,調(diào)控其表面能趨于低能態(tài)�；谏鲜鎏攸c,層次微納結構表面的疏水性能、耐蝕性能和抗垢性能得到增強。
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB306
【圖文】：

力作用而下沉觸碰管壁，對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法應用的問題。張琳｜６�。钡热藢ψ孕芰吓у义祥_展了大量的實驗研究，以確認自旋塑料扭帶在實際使用過程中的效果和可靠性。逡逑研究結果表明，自旋塑料扭帶管的動態(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，張琳１６１１等還研宄了自旋塑料扭帶強化傳熱逡逑的機理，結果表明裝置了自旋塑料扭帶的換熱管具備強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，然而扭帶的結構在加工上存在較多的問題，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)動扭帶旋轉(zhuǎn)的啟動力矩較高，逡逑需額外增加提高流體流速或外力驅(qū)動而使扭帶轉(zhuǎn)動。為了解決這個問題

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，通過管內(nèi)液體對逡逑葉輪的驅(qū)動，令葉輪連續(xù)擦刮、刷洗管內(nèi)壁，在清除污垢的同時還阻止污垢在其表逡逑面上附著。Ｊｕａｎ［６６］等人設計了刮壁式換熱器（見圖１－３），通過刮刀在管內(nèi)進行圓周逡逑運動，將管內(nèi)壁上的污垢剮蹭下來，其刮削力與刮刀的速度有明顯的關系。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)動性能與安裝逡逑方式有很大關系，其清垢能力也受其影響。相較于前面幾種阻垢內(nèi)插物設計，葉輪逡逑８逡逑

逡逑圖１－２斜齒自旋雙塑料扭帶結構原理［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計類似，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，通過管內(nèi)流體動力驅(qū)動自轉(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，通過管內(nèi)液體對逡逑葉輪的驅(qū)動，令葉輪連續(xù)擦刮、刷洗管內(nèi)壁，在清除污垢的同時還阻止污垢在其表逡逑面上附著。Ｊｕａｎ［６６］等人設計了刮壁式換熱器（見圖１－３），通過刮刀在管內(nèi)進行圓周逡逑運動，將管內(nèi)壁上的污垢剮蹭下來，其刮削力與刮刀的速度有明顯的關系。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：2798985