滴狀冷凝強(qiáng)化傳熱管制備及性能研究

李 偉 孫婭楠 蘇 鵬 王增鵬 張 平 王 丹

(1. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院；2.中國(guó)石油吉林石化公司 a.化肥廠；b.丙烯腈廠)

換熱器作為一種單元設(shè)備已廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥及能源等行業(yè)。蒸汽冷凝不僅是石油化工、航天、動(dòng)力及節(jié)能等領(lǐng)域中重要的換熱過(guò)程，而且是強(qiáng)化冷凝器傳熱的有效途徑。因此，研究強(qiáng)化冷凝器傳熱技術(shù)，開(kāi)發(fā)強(qiáng)化冷凝換熱的新型表面有越來(lái)越多的報(bào)道[1～3]。目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的方法大體可以分為以下幾種：鍍貴金屬法[4～6]、復(fù)合沉積法[7]、化學(xué)氣相沉積法[8]、離子束動(dòng)態(tài)混合注入法[9～11]、分子自組裝膜法[12，13]、等離子體表面聚合法[14，15]、表面涂覆有機(jī)促進(jìn)劑法[16]和添加有機(jī)促進(jìn)劑法。但這些方法存在一系列問(wèn)題，如：壽命比較短，不能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用；污染冷凝液和腐蝕表面；價(jià)格昂貴導(dǎo)致難以推廣使用。筆者采用涂覆-熱處理法制備了4種滴狀冷凝強(qiáng)化傳熱管，均實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝現(xiàn)象，且以納米白炭黑-硅橡膠膜效果最佳。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：甲基硅油，化學(xué)純，廣東汕頭市西隴化工廠；三氯甲烷，分析純，北京試劑廠；107硅橡膠、正硅酸乙酯、二丁基月桂酸錫，MW5000，杭州亞?wèn)|新型材料有限公司；白炭黑，HL- 200，吉林雙吉化工新材料有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：電子天平，JJ1000型，賽多利斯；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，OHG- 9143B5- Ⅲ，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；超聲波清洗器，KH- 700DB型，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司。

1.2強(qiáng)化傳熱管的制備

以氯仿為溶劑配制SiO2：二甲基硅油，107硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%鑄膜液以及加入交聯(lián)劑和0.1%納米白炭黑的107硅橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%為鑄膜液。有效長(zhǎng)度為20cm的φ12mm×1mm紫銅管，首先進(jìn)行表面拋光，用乙醇清洗，再用蒸餾水沖洗干凈，在硅橡膠鑄膜液中浸漬5h;室溫環(huán)境下蒸干0.5h，最后在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境下熱處理1h。制備的二甲基硅油膜、107硅橡膠膜、加入交聯(lián)劑的107硅橡膠膜、納米白炭黑-硅橡膠膜強(qiáng)化傳熱管分別編號(hào)為1#、2#、3#和4#。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置和流程

將制備的二甲基硅油膜、107硅橡膠膜、加入交聯(lián)劑107硅橡膠膜、納米白炭黑-硅橡膠膜涂覆在紫銅管上，通過(guò)傳熱裝置(圖1)對(duì)傳熱膜性能進(jìn)行對(duì)比性研究。本實(shí)驗(yàn)所采用的傳熱裝置可以對(duì)3根強(qiáng)化傳熱管同時(shí)進(jìn)行觀察和測(cè)試。傳熱循環(huán)系統(tǒng)主要由冷卻水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、冷凝器和測(cè)量控制器4部分組成。將自來(lái)水作為強(qiáng)化傳熱管管內(nèi)冷卻介質(zhì)，并利用收集環(huán)計(jì)量缸來(lái)收集。為了減小水滴和管線污物對(duì)冷凝表面的影響，由鍋爐加熱產(chǎn)生的水蒸氣，必須要先經(jīng)過(guò)氣液分離器對(duì)蒸汽進(jìn)行凈化，再經(jīng)過(guò)管外作為其冷凝蒸汽；冷凝裝置用來(lái)排除玻璃罩內(nèi)冷凝的水和不凝性氣體；轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于控制冷卻水流速。采用不銹鋼作為整個(gè)蒸汽系統(tǒng)管線的管材，采用聚四氟乙烯密封圈是為了避免有機(jī)物對(duì)管線的污染；為了能夠方便清晰地觀察到滴狀冷凝現(xiàn)象，在冷凝器外加耐熱玻璃罩。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

1.4傳熱計(jì)算原理

測(cè)量外壁溫度最常用的方法是埋設(shè)熱電偶法，但本實(shí)驗(yàn)中所采用管材的管壁較薄，滴狀冷凝過(guò)程中液滴表面溫度變化比較大，熱電偶測(cè)得的僅為局部溫度，不能表征整個(gè)外壁的溫度，所以不能采用常規(guī)方法。實(shí)驗(yàn)中筆者在3點(diǎn)設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，即分別測(cè)量冷卻水入口、冷卻水出口和水蒸氣入口處的溫度，用以計(jì)算出冷凝液與冷卻水之間較為準(zhǔn)確的溫度差。利用溫度差和流速求解出熱通量和總傳熱系數(shù)，再計(jì)算冷凝側(cè)傳熱系數(shù)。具體計(jì)算公式如下：

Nu=0.023Re0.8×Prb

由于流體被加熱，流體受熱時(shí)b=0.4。

qw=CpVρ(To-Ti)/[πL(do+di)/2]

式中Cp——水的比熱，J/(kg·K)；

do——管外徑，m；

di——管內(nèi)徑，m；

L——管長(zhǎng)，m；

qw——冷卻水側(cè)熱通量，W/m2；

To——冷卻水出口溫度，℃；

Ti——冷卻水進(jìn)口溫度，℃；

V——冷卻水流量，m3/s；

ρ——液體密度，kg/m3。

qv=VLρi/ [πL(do+di)/2]

式中i——汽化潛熱，J/kg；

qv——冷凝液側(cè)熱通量，W/m2；

VL——冷凝液體積，m3。

q=(qw+qv)/2

K=q/ΔTm

式中K——總傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

q——平均熱通量，kW/m2；

ΔTm——表面?zhèn)鳠釡夭?，℃?/p>

h=1/(1/K-1/α)

式中h——冷凝側(cè)傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；

α——管壁對(duì)冷卻水的給熱系數(shù)，kW/(m2·K)。

2 結(jié)果與討論

2.1接觸角θ

表1為在室溫條件下測(cè)定的強(qiáng)化傳熱管表面靜態(tài)水接觸角θ數(shù)值。當(dāng)固體表面為疏水時(shí)，為了尋求存在于最低能量的狀態(tài)，水蒸氣會(huì)容易在疏水表面形成滴狀冷凝現(xiàn)象，其水接觸角大于90.0°。從表1中可以看到，該實(shí)驗(yàn)中所制備的4種傳熱管表面的水接觸角最小為90.5°，均大于90.0°，說(shuō)明所制得的強(qiáng)化傳熱管均為疏水性，都可以實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝現(xiàn)象。其中0.1%納米白炭黑-硅橡膠膜強(qiáng)化傳熱管接觸角達(dá)到137.2°，表面疏水性最好。

表1 強(qiáng)化傳熱管的水靜態(tài)接觸角

2.2紅外表征

采用Nicolet- 5DX型紅外光譜儀(KBr壓片，Nicolet Company of US)測(cè)定了所制得1#～4#強(qiáng)化傳熱管(制備條件：300℃、焙燒1h)的紅外光譜，如圖2所示。

圖2 傳熱管紅外光譜圖

由圖2a可以看出二甲基硅油含有的基團(tuán)是5個(gè)鄰位H，≡C—H，C—N=O和N—N=O；由圖2b可知107硅橡膠含有的基團(tuán)有兩個(gè)鄰位H，≡C—H，C—N=O，N—N=O；由圖2c可知850cm-1波峰處所對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)鄰位H基團(tuán)有利于使硅橡膠膜傳熱。圖2d中，由于Si—O的伸縮振動(dòng)，750.9～1 500.0cm-1左右出現(xiàn)極強(qiáng)的吸收峰；2 942cm-1附近明顯的吸收峰為C—H鍵的伸縮振動(dòng)峰；由于納米SiO2表面—OH的伸縮振動(dòng)，在3 448cm-1附近出現(xiàn)明顯的吸收峰。由于Si—OH基團(tuán)和Si—O基團(tuán)都可以與水分子作用生成氫鍵，形成了水滴狀冷凝的活性位，因此使得白炭黑-硅橡膠膜表面容易實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝現(xiàn)象。

2.3傳熱性能研究

圖3 熱通量與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖4 總傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖5 冷凝側(cè)傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖6 表面溫差與雷諾數(shù)的關(guān)系

在雷諾數(shù)1 300～3 300范圍內(nèi)，將4種強(qiáng)化傳熱管與普通銅管和溝槽管進(jìn)行了對(duì)比研究，得到熱通量、總傳熱系數(shù)、冷凝傳熱系數(shù)、表面溫差與雷諾數(shù)的關(guān)系如圖3～6所示。

與接觸角測(cè)定結(jié)論一致，4種強(qiáng)化傳熱管表面都可以實(shí)現(xiàn)明顯的滴狀冷凝現(xiàn)象。傳熱效果最好的是4#管，與相應(yīng)的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數(shù)提高了3.1～3.3倍，表面溫差大約是相應(yīng)膜狀冷凝的1.3～1.4倍。其次是1#管和2#管，與相應(yīng)的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數(shù)分別提高了1.9～2.1倍和1.4～1.6倍，表面溫差大約分別是相應(yīng)膜狀冷凝的1.2～1.3倍和1.0～1.1倍。3#管的傳熱效果次之，與相應(yīng)的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數(shù)僅提高了0.6～0.8倍，表面溫差僅為相應(yīng)膜狀冷凝的0.8～0.9倍。由于4#管中的白炭黑均勻地分布在硅橡膠膜表面，成為了水凝結(jié)的活性位；再者硅橡膠膜的疏水性，通過(guò)前面接觸角的分析可知，疏水性表面容易形成滴狀冷凝現(xiàn)象；并且膜層的熱阻較小，因此其傳熱效果是最強(qiáng)的。1#管傳熱效果也比較好，這是因?yàn)樵摴茉诮?jīng)過(guò)此溫度條件下熱處理后，使得硅烷偶極指向了相界面，而甲基以緊密堆積的方式遮蓋住了自由表面[17]。2#管雖然出現(xiàn)滴狀冷凝現(xiàn)象中形成液滴的概率接近90%，但較厚的硅橡膠膜層增加了膜層熱阻，從而將滴狀冷凝高效的傳熱性能抵消，導(dǎo)致2#管的傳熱效果變差。3#管傳熱效果變差是由于交聯(lián)劑和催化劑的加入使得分子鏈熱運(yùn)動(dòng)受到限制，自由體積變小，并且膜的厚度大為增加，膜層熱阻增加。

3 結(jié)論

3.1制備了二甲基硅油膜、107硅橡膠膜、加入交聯(lián)劑的107硅橡膠膜、納米白炭黑-硅橡膠膜強(qiáng)化傳熱管，且4種膜均能實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝現(xiàn)象。4種傳熱表面接觸角均大于90.0°，表現(xiàn)為疏水性，且納米白炭黑-硅橡膠的接觸角最大可達(dá)137.2°。

3.2通過(guò)4種膜的性能對(duì)比，得出納米白炭黑-硅橡膠為最佳制備材料，與相應(yīng)的膜狀冷凝相比，其總傳熱系數(shù)提高了3.1～3.3倍，表面溫差大約是相應(yīng)膜狀冷凝的1.3～1.4倍。

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