化学刻蚀疏水涂层的池沸腾和防垢研究

论文摘要

为了研究化学刻蚀预处理对于疏水表面池沸腾和污垢沉积特性的影响,本文在经过化学刻蚀处理的AISI304不锈钢基底上制备了粗糙疏水涂层表面,研究了工艺参数对涂层的表面形貌和疏水性能的影响,确定了较优的化学刻蚀工艺条件。由于材料表面结构和表面特性在池沸腾过程有着重要作用,因此本文中,采用化学刻蚀和液相沉积法在不锈钢基底表面构建了微纳米微细阶层结构,并采用低表面能物质氟硅烷对表面进行改性。使用场发射扫描电镜、表面粗糙度仪、接触角测量仪、俄歇电子能谱和X射线电子能谱对涂层的表面形貌、元素组成及表面自由能进行了表征。发现化学刻蚀处理能够在基底上形成表面粗糙结构,明显提高复合涂层的疏水性能,疏水性的提高与刻蚀液浓度及刻蚀时间存在正相关关系。在池沸腾装置中,对不同条件下获得的表面传热强化和防垢性能进行了研究,实验结果表明,化学刻蚀能够明显强化表面的沸腾传热性能。与抛光不锈钢表面相比,化学刻蚀疏水涂层的沸腾传热系数提高一倍左右。在CaSO4溶液中进行的污垢实验表明,疏水涂层能够降低换热表面的污垢热阻,在热通量为50.69kW·m-2,溶液浓度由1.8g/L增加至2.1g/L时,分别考察了光滑疏水涂层及化学刻蚀疏水涂层的防垢性能。刻蚀化学刻蚀表面污垢热阻约高于光滑疏水表面18%,但与未处理表面相比仍然降低60%以上,具有较好的防垢效果。一方面,粗糙表面上的突起为污垢颗粒在换热表面的沉积提供了更多的附着位置,促进了污垢在换热表面的产生和成长,另一方面,具有较低表面的换热表面能够降低污垢在换热表面的粘附性。即表面的防垢性能实际上是以上两种因素共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 沸腾传热及其强化
• 2.1.1 沸腾传热的发展和分类
• 2.1.2 池沸腾传热强化机理
• 2.1.3 表面工程技术强化传热
• 2.2 污垢基础理论
• 2.2.1 换热壁面污垢类型
• 2.2.2 壁面污垢形成机理
• 2.2.3 表面工程技术及其在防除垢应用的研究进展
• 2.3 表面技术在强化传热及防垢应用中存在的问题
• 2.4 研究课题的提出
• 第三章 池沸腾实验装置及流程
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验流程
• 3.2.1 实验准备
• 3.2.2 沸腾实验
• 3.3 实验数据采集和处理
• 3.3.1 沸腾过程温度
• 3.3.2 传热热通量
• 3.3.3 沸腾传热系数和污垢热阻
• 3.4 实验误差分析
• 3.5 涂层的表征方法
• 3.5.1 表面接触角的测量和表面能的计算
• 3.5.2 表面粗糙度测量
• 3.5.3 涂层厚度测量
• 3.5.4 场发射扫描电镜（FE-SEM）
• 3.5.5 X射线能谱（EDS）
• 3.5.6 俄歇电子能谱分析（AES）
• 3.6 实验仪器及药品
• 3.7 本章小结
• 第四章 化学刻蚀制备疏水涂层研究
• 4.1 不锈钢基底的表面预处理
• 4.1.1 打磨和抛光
• 4.1.2 基底表面的清洗
• 4.1.3 不锈钢基底化学刻蚀
• 2涂层'>4.2 液相沉积法制备TiO₂涂层
• 4.2.1 液相沉积法简介
• 2成膜机理'>4.2.2 TiO₂成膜机理
• 2涂层制备过程'>4.2.3 TiO₂涂层制备过程
• 2-FPS疏水涂层制备'>4.2.4 TiO₂-FPS疏水涂层制备
• 4.3 疏水涂层制备结果与讨论
• 4.3.1 刻蚀液浓度对表面形貌的影响
• 4.3.2 超声条件对表面微细结构的影响
• 4.3.3 刻蚀时间对表面润湿性的影响
• 4.3.4 本章小结
• 4污垢研究'>第五章 化学刻蚀制备疏水涂层的池沸腾传热和CaSO₄污垢研究
• 5.1 引言
• 4污垢溶液的配制'>5.2 CaSO₄污垢溶液的配制
• 5.3 化学刻蚀疏水涂层的表征
• 5.3.1 涂层表面粗糙度及涂层厚度测量
• 5.3.2 涂层接触角测量
• 5.3.3 表面能计算
• 5.3.4 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）
• 5.3.5 X射线电子能谱（EDS）
• 5.3.6 俄歇电子能谱（AES）
• 5.4 涂层的传热和防垢实验研究
• 5.4.1 装置的重复性实验
• 5.4.2 沸腾传热壁面温差
• 5.4.3 沸腾传热系数
• 5.4.4 表面结构对沸腾传热性能的影响
• 4污垢实验研究'>5.4.5 涂层的CaSO₄污垢实验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢