不锈钢表面碳纳米管阵列的制备及滴状冷凝传热性能研究

发布时间：2020-05-19 05:56

【摘要】：蒸汽冷凝作为高效的传热形式被广泛应用于余热回收、发电厂、海水淡化、航空航天等工业生产中。冷凝传热的强化已成为相关领域的研究热点之一。冷凝传热可分为滴状冷凝和膜状冷凝。其中,滴状冷凝是利用液体的表面能来强化冷凝换热的最理想方式,其传热系数是膜状冷凝的5~7倍。在工业系统中,目前大多数热交换器材料为金属,常见金属材料的表面能较大,冷凝蒸汽易在金属换热表面铺展成膜而形成热阻较大的膜状冷凝。在低表面能的材料表面冷凝蒸汽易分散为小液滴而形成滴状冷凝。因此选择低表面能的材料对金属表面进行改性以实现滴状冷凝具有重要意义。利用定向碳纳米管阵列薄膜对金属表面进行超疏水改性技术的发展为滴状冷凝的研究提供了新思路。该方法可在几乎不增加表面传热热阻基础上有效提高表面疏水性能,达到强化冷凝传热的目的。本文以此为切入点,采用浮游催化化学气相沉积法,利用碳纳米管阵列薄膜对不锈钢表面进行疏水改性。探究了制备工艺参数对碳纳米管阵列微观形貌和接触角的影响,分析了改性后金属表面的冷凝传热效果。主要研究内容如下:(1)通过自建的化学气相沉积实验台,研究了氩气、氢氩混合气、氮气三种不同气氛和环己烷、二甲苯两种碳源对不锈钢304金属表面生长碳纳米管阵列的影响。另外,以紫铜、黄铜、不锈钢304、铁等常见金属材料作为基底,研究了不同基底材料表面生长碳纳米管阵列的规律及疏水性能。研究发现当基底材料为不锈钢304、载气为纯氮气、碳源为环己烷时是金属表面上生长碳纳米管阵列的理想条件,表面具有优良的疏水性。(2)通过正交试验法全面分析了六个参数(反应温度、生长时间、催化剂浓度、溶液进给速率、载气流量及基底刻蚀时间)对不锈钢表面生长碳纳米管阵列高度、定向性、以及表面接触角等指标的影响。获得了影响碳纳米管阵列高度、定向性以及表面接触角的最重要参数及影响规律。反应温度对碳纳米管阵列高度的影响最大,基底刻蚀时间对其影响最小;溶液进给速率和反应温度对碳纳米管阵列定向性影响最大,催化剂浓度和基底刻蚀时间则对定向性影响最小;溶液进给速率对碳纳米管阵列接触角影响最大,基底刻蚀时间对碳纳米管阵列接触角影响最小。(3)通过控制变量法,分析了各条件(反应温度、生长时间、催化剂浓度、溶液进给速率、载气流量及基底刻蚀时间)对不锈钢表面生长碳纳米管阵列的影响,探究制备碳纳米管阵列的最佳条件。研究结果表明:制备碳纳米管阵列的最佳条件为生长时间1.5h、反应温度780℃、溶液注射速率0.08ml·min-1、催化剂浓度25mg·ml-1、载气流量100ml·min-1、基底刻蚀时间5min。(4)通过高速CCD相机研究了碳纳米管阵列表面冷凝液滴的润湿行为,在含有高不凝气气体的水蒸气在碳纳米管阵列表面冷凝时,冷凝小液滴合并时会产生自发的弹跳行为。对比了不锈钢表面镀碳纳米管阵列薄膜前后的传热系数,在低过冷度情况下,碳纳米管阵列薄膜具有明显的强化凝结换热的效果。通过自建冷凝换热的实验台,对几种不同的换热表面进行换热效果测试,强化凝结换热效果排序如下:碳纳米管亲疏组合表面氟化后的碳纳米管阵列超疏水表面氟化后的疏水不锈钢疏水表面原始不锈钢亲水表面碳纳米管阵列改性后的超疏水不锈钢表面。
【图文】：

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究背景、目的及意义于我国经济的快速增长所引发能量消耗日益增加的问题，“十二五规划”减排定位为我国一项重要的基本国策，“十三五规划”中要求单位 GDP以上。而火力发电、燃煤采暖、烟气湿法脱硫等产业均产生大量的乏汽饱和水蒸汽为例，其汽化潜热为 2550kJ/kg，，相当于将同等质量的水加可见这部分乏汽废热能量的回收具有重大的节能价值。电厂乏汽余热大量浪费据国家统计局公布的数据[1]，2016 年火力发电量占总发电量的 65%，是目主要组成部分，火力发电的耗煤量占全国总耗煤量的 57%，耗煤量巨大产生的大量低压缸排气余热基本上没有得到有效利用，一般通过冷却塔直中。这些低品位乏汽余热的能量十分巨大，以 2016 年为例，我国火电厂9 亿吨，乏汽余热损失折合成标煤 9.2 亿吨，相当于 79 个三峡的发电量。些热量将会带来巨大的经济效益，对我国节能降耗工作具有重要意义。

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乏汽余热损失折合成标煤 9.2 亿吨，相当于 79 个三峡的发电会带来巨大的经济效益，对我国节能降耗工作具有重要意义图 1-1 我国 2016 年发电形式以及电厂能耗损失情况汽余热的大量损失煤田地质调查显示[2]，中国煤炭总资源量 5.9 万亿吨，占中 94.2%。而低阶煤占煤炭资源总量的 55%以上，在新疆准格煤炭资源，预测资源储量就达 3900 亿吨。低阶煤的典型特发分(45~55%)[3]。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124;TB383.1

【参考文献】