滴狀冷凝強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. 長春工業大學化學工程學院；2.中國石油吉林石化公司 a.化肥廠；b.丙烯腈廠)

換熱器作為一種單元設備已廣泛應用于石油、化工、制藥及能源等行業。蒸汽冷凝不僅是石油化工、航天、動力及節能等領域中重要的換熱過程，而且是強化冷凝器傳熱的有效途徑。因此，研究強化冷凝器傳熱技術，開發強化冷凝換熱的新型表面有越來越多的報道[1～3]。目前，國內外實現滴狀冷凝的方法大體可以分為以下幾種：鍍貴金屬法[4～6]、復合沉積法[7]、化學氣相沉積法[8]、離子束動態混合注入法[9～11]、分子自組裝膜法[12，13]、等離子體表面聚合法[14，15]、表面涂覆有機促進劑法[16]和添加有機促進劑法。但這些方法存在一系列問題，如：壽命比較短，不能實現規模化的工業應用；污染冷凝液和腐蝕表面；價格昂貴導致難以推廣使用。筆者采用涂覆-熱處理法制備了4種滴狀冷凝強化傳熱管，均實現滴狀冷凝現象，且以納米白炭黑-硅橡膠膜效果最佳。

1 實驗部分

1.1實驗藥品和儀器

實驗藥品：甲基硅油，化學純，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，杭州亞東新型材料有限公司；白炭黑，HL- 200，吉林雙吉化工新材料有限公司。

實驗儀器：電子天平，JJ1000型，賽多利斯；電熱恒溫鼓風干燥箱，OHG- 9143B5- Ⅲ，上海新苗醫療器械制造有限公司；超聲波清洗器，KH- 700DB型，昆山禾創超聲儀器有限公司。

1.2強化傳熱管的制備

以氯仿為溶劑配制SiO2：二甲基硅油，107硅橡膠質量分數為4%鑄膜液以及加入交聯劑和0.1%納米白炭黑的107硅橡膠質量分數4%為鑄膜液。有效長度為20cm的φ12mm×1mm紫銅管，首先進行表面拋光，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;室溫環境下蒸干0.5h，最后在電熱恒溫鼓風干燥箱中氮氣保護環境下熱處理1h。制備的二甲基硅油膜、107硅橡膠膜、加入交聯劑的107硅橡膠膜、納米白炭黑-硅橡膠膜強化傳熱管分別編號為1#、2#、3#和4#。

1.3實驗裝置和流程

將制備的二甲基硅油膜、107硅橡膠膜、加入交聯劑107硅橡膠膜、納米白炭黑-硅橡膠膜涂覆在紫銅管上，通過傳熱裝置(圖1)對傳熱膜性能進行對比性研究。本實驗所采用的傳熱裝置可以對3根強化傳熱管同時進行觀察和測試。傳熱循環系統主要由冷卻水系統、蒸汽系統、冷凝器和測量控制器4部分組成。將自來水作為強化傳熱管管內冷卻介質，并利用收集環計量缸來收集。為了減小水滴和管線污物對冷凝表面的影響，由鍋爐加熱產生的水蒸氣，必須要先經過氣液分離器對蒸汽進行凈化，再經過管外作為其冷凝蒸汽；冷凝裝置用來排除玻璃罩內冷凝的水和不凝性氣體；轉子流量計用于控制冷卻水流速。采用不銹鋼作為整個蒸汽系統管線的管材，采用聚四氟乙烯密封圈是為了避免有機物對管線的污染；為了能夠方便清晰地觀察到滴狀冷凝現象，在冷凝器外加耐熱玻璃罩。

圖1 實驗裝置簡圖

1.4傳熱計算原理

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

Nu=0.023Re0.8×Prb

由于流體被加熱，流體受熱時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——管內徑，m；

L——管長，m；

qw——冷卻水側熱通量，W/m2；

To——冷卻水出口溫度，℃；

Ti——冷卻水進口溫度，℃；

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，kW/(m2·K)；

q——平均熱通量，kW/m2；

ΔTm——表面傳熱溫差，℃。

h=1/(1/K-1/α)

式中h——冷凝側傳熱系數，kW/(m2·K)；

α——管壁對冷卻水的給熱系數，kW/(m2·K)。

2 結果與討論

2.1接觸角θ

表1為在室溫條件下測定的強化傳熱管表面靜態水接觸角θ數值。當固體表面為疏水時，為了尋求存在于最低能量的狀態，水蒸氣會容易在疏水表面形成滴狀冷凝現象，其水接觸角大于90.0°。從表1中可以看到，該實驗中所制備的4種傳熱管表面的水接觸角最小為90.5°，均大于90.0°，說明所制得的強化傳熱管均為疏水性，都可以實現滴狀冷凝現象。其中0.1%納米白炭黑-硅橡膠膜強化傳熱管接觸角達到137.2°，表面疏水性最好。

表1 強化傳熱管的水靜態接觸角

2.2紅外表征

采用Nicolet- 5DX型紅外光譜儀(KBr壓片，Nicolet Company of US)測定了所制得1#～4#強化傳熱管(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是5個鄰位H，≡C—H，C—N=O和N—N=O；由圖2b可知107硅橡膠含有的基團有兩個鄰位H，≡C—H，C—N=O，N—N=O；由圖2c可知850cm-1波峰處所對應的是兩個鄰位H基團有利于使硅橡膠膜傳熱。圖2d中，由于Si—O的伸縮振動，750.9～1 500.0cm-1左右出現極強的吸收峰；2 942cm-1附近明顯的吸收峰為C—H鍵的伸縮振動峰；由于納米SiO2表面—OH的伸縮振動，在3 448cm-1附近出現明顯的吸收峰。由于Si—OH基團和Si—O基團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現滴狀冷凝現象。

2.3傳熱性能研究

圖3 熱通量與雷諾數的關系

圖4 總傳熱系數與雷諾數的關系

圖5 冷凝側傳熱系數與雷諾數的關系

圖6 表面溫差與雷諾數的關系

在雷諾數1 300～3 300范圍內，將4種強化傳熱管與普通銅管和溝槽管進行了對比研究，得到熱通量、總傳熱系數、冷凝傳熱系數、表面溫差與雷諾數的關系如圖3～6所示。

與接觸角測定結論一致，4種強化傳熱管表面都可以實現明顯的滴狀冷凝現象。傳熱效果最好的是4#管，與相應的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數提高了3.1～3.3倍，表面溫差大約是相應膜狀冷凝的1.3～1.4倍。其次是1#管和2#管，與相應的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數分別提高了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，與相應的膜狀冷凝相比，其冷凝傳熱系數僅提高了0.6～0.8倍，表面溫差僅為相應膜狀冷凝的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，成為了水凝結的活性位；再者硅橡膠膜的疏水性，通過前面接觸角的分析可知，疏水性表面容易形成滴狀冷凝現象；并且膜層的熱阻較小，因此其傳熱效果是最強的。1#管傳熱效果也比較好，這是因為該管在經過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#管雖然出現滴狀冷凝現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，導致2#管的傳熱效果變差。3#管傳熱效果變差是由于交聯劑和催化劑的加入使得分子鏈熱運動受到限制，自由體積變小，并且膜的厚度大為增加，膜層熱阻增加。

3 結論

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

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

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