一种高效抗垢纳米涂层传热表面其制备方法及池沸腾装置

1.一种高效抗垢纳米涂层传热表面，它包括金属基底，在所述的金属基底上涂覆有纳米材料涂层，其特征在于：所述的涂层的厚度在21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触
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角在75-95°，对甘油的接触角在110-120°，所述的涂层表面的表面能在100-120mJ/m，涂层表面的平均粗糙度在4-60nm。
2.一种实现权利要求1所述的纳米涂层传热表面的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)对金属基底进行预处理；
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所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污步骤；所述的磨光步骤为采用300-800的金刚砂对金属基底进行至少2次以上的磨光，达到用裸眼看不出任何凹凸不平为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为0.5-3μm的金刚砂研磨膏进行至少2次以上的机械抛光，直到基底表面平均粗糙度在4-60nm，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为将所述的基底浸入质量百分比为5-30％的氢氧化钠溶液，保持5-30min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.5-99.999％的丙酮溶液中进行超声清洗5-60min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底5-30min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干8-24h；
(2)在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，-5 -4
所述的真空涂覆方法为：首先将所述的风干后的基底放置在真空度为9.5×10 -5×10 Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以5-30r/min的转速转动同时用功率为
6-10kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为99.9-99.999％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料蒸发后沉积在待涂基底表面上制得纳米涂层传热表面，所述的-10 -10
涂层材料的蒸发速度为0.3×10 -1.2×10 m/s；
(3)将所述的制得的纳米涂层传热表面进行后处理；
所述的后处理步骤包括将所述的制得的纳米涂层传热表面放入马弗炉中以1-10℃/min的升温速度加热至80-500℃后，保持8-24小时进行热处理，再自然降到室温。
3.池沸腾装置，其特征在于它包括：
(1)一个沸腾池，所述沸腾池包括设置在其内的传热表面，所述的传热表面包括金属基底，所述金属基底上涂覆有纳米材料涂层，所述的涂层的厚度在21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触角在75-95°，对甘油的接触角在110-120°，所述的涂层表面的表面能在
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100-120mJ/m，涂层表面的平均粗糙度在4-60nm；
(2)一个冷凝器，该冷凝器通过一个连接管与所述的沸腾池的上部相连；
(3)一个预热器，该预热器浸没于所述的沸腾池内；
(4)一个加热棒，该加热棒置于沸腾池内所述传热表面底部；
(5)一套附属系统，该附属系统包括与所述的加热棒相连的加热电源及与所述的加热电源相连的调压器；
(6)一套温度参数采集及控制系统，该参数采集系统包括设置在所述的加热棒上的温度传感器，一台与所述的温度传感器的信号输出端相连的用于将温度信号进行放大和模数转换的模数转换器、一台用于将所述的模数转换器输出的信号进行记录和采集并根据所述的温度测量结果与设定值比较后将控制值传递给所述的控制系统的计算机，所述的控制系统包括接收所述的控制值信号并将其进行数模转换传输给所述的调压器以控制其开关的数模转换器。

一种高效抗垢纳米涂层传热表面其制备方法及池沸腾装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及高效防垢沸腾蒸发技术及装置，尤其涉及一种表面真空涂覆有纳米涂层的节能防垢传热表面其制备方法及池沸腾装置。\n[0002] 背景技术\n[0003] 过程工业的换热设备，尤其是在化工、石油化工、冶金等行业具有广泛应用的具有相变的蒸发器，污垢问题一直是业界普遍关注的难题之一。结垢会使换热速率和蒸发能力下降；系统压降增加，动力消耗增加；频繁停车清洗，导致生产率下降等。对于结垢现象，虽然提出了许多解决方法，包括物理和化学方法等，但是，目前仍然缺乏有效的防垢办法。当今纳米科技的发展为解决污垢问题带来了新的希望。近年来，纳米涂层的各种作用受到关注，提出了带有纳米涂层的散热器以杀菌(02237417.5)；具有纳米涂层的热水器内旦以防腐防垢(200410015508.5；200410015509.X)；带有防腐层、亲水膜和传热层的纳米涂层制冷盘管以强化制冷效果节水防垢(200410027294.3)；纳米涂层防腐油管(03264264.4)；\n表面带有微米涂层的加热管及其组成的自然外循环蒸发器以强化沸腾蒸发过程和防垢等(200610013247.2)。但是，尚未见到在处理的基层上采用真空涂覆工艺制备纳米级厚度的具有纳米效应和强化沸腾传热和防垢功能的纳米涂层传热表面及池沸腾装置的任何文献报导。申请号为200610016421.9的对比文件公开了“一种内表面带有纳米材料涂层的传热板及一种高效防垢池沸腾蒸发器”的带有纳米材料涂层的传热板，该传热板的涂层厚度优选的在20-80nm之间，以甘油和蒸馏水为标准液表征的涂层的接触角在0-121°之间，表面\n2\n能在99-210mJ/m 之间，这样的传热板与普通传热板相比传热系数提高最高达0.2倍，对污垢的黏附力减小，不结垢运行时间提高4倍多。但是，在延长无垢运行时间方面还需要进一步提高，同时，这些制备方法在涂层牢固性、基底形状和规模及制备费用等方面尚受到一定限制，有必要尝试新的纳米涂层制备方法。\n[0004] 发明内容\n[0005] 本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种高效抗垢纳米涂层传热表面，该传热表面的传热系数明显提高，传热表面不易结垢，由本发明的传热表面组成的池沸腾蒸发装置清垢周期至少延长8-20倍。\n[0006] 本发明的另一目的在于提供一种高效抗垢纳米涂层传热表面的制备方法，采用该制备方法可以制备出更高防垢和传热性能的传热表面。\n[0007] 本发明的进一步的目的在于提供池沸腾装置，该池沸腾装置与现有的池沸腾蒸发器相比，传热膜系数提高0.2倍，池沸腾装置清垢周期至少延长8-20倍。\n[0008] 本发明的一种高效抗垢纳米涂层传热表面，它包括金属基底，在所述的金属基底上涂覆有纳米材料涂层，所述的涂层的厚度在21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触\n2\n角在75-95°，对甘油的接触角在110-120°，所述的涂层表面的表面能在100-120mJ/m，涂层表面的平均粗糙度在4-60nm。\n[0009] 本发明的纳米涂层传热表面的制备方法，它包括以下步骤：\n[0010] (1)对金属基底进行预处理；\n[0011] 所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污步骤；所述的磨光步骤为采用\n300-800#的金刚砂对金属基底进行至少2次以上的磨光，达到用裸眼看不出任何凹凸不平为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为0.5-3μm的金刚砂研磨膏进行至少2次以上的机械抛光，直到基底表面平均粗糙度在4-60nm，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为将所述的基底浸入质量百分比为5-30％的氢氧化钠溶液，保持\n5-30min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.5-99.999％的丙酮溶液中进行超声清洗5-60min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底5-30min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干8-24h；\n[0012] (2)在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，所述的真空涂覆方法为：首先将所述的风干后的基底放置在真空度为\n9.5×10-5-5×10-4Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以5-30r/min的转速转动同时用功率为6-10kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为\n99.9-99.999％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料蒸发后沉积在待涂基底表面上制-10 -10\n得纳米涂层传热表面，所述的涂层材料的蒸发速度为0.3×10 -1.2×10 m/s；\n[0013] (3)将所述的制得的纳米涂层传热表面进行后处理；\n[0014] 所述的后处理步骤包括将所述的制得的纳米涂层传热表面放入马弗炉中以\n1-10℃/min的升温速度加热至80-500℃后，保持8-24小时进行热处理，再自然降到室温。\n[0015] 3.池沸腾装置，它包括：\n[0016] (1)一个沸腾池，所述沸腾池包括设置在其内的传热表面，所述的传热表面包括金属基底，所述金属基底上涂覆有纳米材料涂层，所述的涂层的厚度在21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触角在75-95°，对甘油的接触角在110-120°，所述的涂层表面的表面\n2\n能在100-120mJ/m，涂层表面的平均粗糙度在4-60nm；\n[0017] (2)一个冷凝器，该冷凝器通过一个连接管与所述的沸腾池的上部相连；\n[0018] (3)一个预热器，该预热器浸没于所述的沸腾池内；\n[0019] (4)一个加热棒，该加热棒置于沸腾池内所述传热表面底部；\n[0020] (5)一套附属系统，该附属系统包括与所述的加热棒相连的加热电源及与所述的加热电源相连的调压器；\n[0021] (6)一套温度参数采集及控制系统，该参数采集系统包括设置在所述的加热棒上的温度传感器，一台与所述的温度传感器的信号输出端相连的用于将温度信号进行放大和模数转换的模数转换器、一台用于将所述的模数转换器输出的信号进行记录和采集并根据所述的温度测量结果与设定值比较后将控制值传递给所述的控制系统的计算机，所述的控制系统包括接收所述的控制值信号并将其进行数模转换传输给所述的调压器以控制其开关的数模转换器。\n[0022] 本发明涉及的带有纳米涂层的传热表面，由于涂层表面具有较低的表面能和强的疏水性，因而使由该传热表面组成的池沸腾装置与普通的池沸腾装置相比，对污垢的黏附力小，而且传热系数高，池沸腾蒸发装置可以长期高效无垢运行。与申请号为\n200610016421.9的对比文件中公开的传热板相比，对污垢的黏附力减小，不结垢运行时间至少延长8-20倍。\n附图说明\n[0023] 图1是本发明的池沸腾装置的主视图；\n[0024] 图2是图1所示的装置中的纳米涂层传热表面截面I的示意图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。\n[0026] 如图2所示的本发明的一种高效抗垢纳米涂层传热表面，它包括基底2-2，可以是钢材或铜材，对金属基底的厚度没有限制，例如，可以是工业上常用的板材厚度范围\n0.1-20mm。所述基底2-2上覆盖有一层纳米级厚度的涂层2-1。所述的涂层的厚度在\n21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触角在75-95°，甘油的接触角在110-120°，表面\n2\n能在100-120mJ/m，表面平均粗糙度在4-60nm。由于具有纳米效应的尺度范围一般在100nm以下，所以，本发明的涂层厚度值在21-81nm之间，较小的膜厚也有利于减少涂层厚度对传\n2\n热过程的不利影响。较低的表面能的范围100-120mJ/m 可使池沸腾装置不结垢运行时间至少延长8-20倍。\n[0027] 本发明的纳米涂层传热表面的制备方法，它包括以下步骤：(1)对金属基底进行预处理；所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污步骤；所述的磨光步骤为采用#\n300-800 的金刚砂对金属基底进行至少2次以上的磨光，达到用裸眼看不出任何凹凸不平为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为0.5-3μm的金刚砂研磨膏进行至少2次以上的机械抛光，直到基底表面平均粗糙度在4-60nm，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为所述的将基底浸入质量百分比为5-30％的氢氧化钠溶液，保持\n5-30min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.5-99.999％的丙酮溶液中进行超声清洗5-60min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底5-30min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干8-24h；(2)在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，所述的真空涂覆方法为：首先将所述的风干-5 -4\n后的基底放置在真空度为9.5×10 -5×10 Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以5-30r/min的转速转动同时用功率为6-10kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为99.9-99.999％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料蒸发后沉积在待涂基-10 -10\n底表面上制得纳米涂层传热表面，所述的涂层材料的蒸发速度为0.3×10 -1.2×10 m/s；(3)将所述的制得的纳米涂层传热表面进行后处理；所述的后处理步骤包括将所述的制得的纳米涂层传热表面放入马弗炉中以1-10℃/min的升温速度加热至80-500℃后，保持\n8-24小时进行热处理，再自然降到室温。\n[0028] 采用本发明方法可以制备不同厚度的金属、金属氧化物、氟化物等材质的纳米涂层，所述的金属为Ti、Al、Cr、Zn、Fe、Mg等，金属氧化物为Cr2O3、TiO2、Al2O3、ZnO、Fe2O3等，金属氟化物为CaF2、MgF2、ZnF2等。\n[0029] 对制得的纳米涂层进行特性表征，包括：表面形貌、粗糙度、膜厚、接触角、表面能等，可以采用多种手段测量这些参数，例如，采用预制台阶法、成分法、称重法、断面测量法测膜厚，采用重量测量法、角度测量法、接触角测量仪等测接触角，采用原子力显微镜等表征表面形貌及粗糙度等。\n[0030] 图1为本发明的池沸腾装置，它包括：(1)一个沸腾池5，所述沸腾池包括设置在其内的传热表面，所述的传热表面2包括基底，所述基底上涂覆有纳米材料涂层，所述的涂层的厚度在21-81nm之间，所述的涂层表面对水的接触角在75-95°，甘油的接触角在\n2\n110-120°，表面能在100-120mJ/m，表面平均粗糙度在4-60nm；(2)一个冷凝器4，该冷凝器通过一个连接管与所述的沸腾池的上部相连；(3)一个预热器1，该预热器浸没于所述的沸腾池内；(4)一个加热棒3，该加热棒置于沸腾池内所述传热表面底部；(5)一套附属系统8，该附属系统包括与所述的加热棒相连的加热电源及与所述的加热电源相连的调压器；\n(6)一套温度参数采集及控制系统6、7，该参数采集系统包括设置在所述的加热棒上的温度传感器，一台与所述的温度传感器的信号输出端相连的用于将温度信号进行放大和模数转换的模数转换器、一台用于将所述的模数转换器输出的信号进行记录和采集并根据所述的温度测量结果与设定值比较后将控制值传递给所述的控制系统的计算机，所述的控制系统包括接收所述的控制值信号并将其进行数模转换传输给所述的调压器以控制其开关的数模转换器。所述的调压器从而控制所述的加热棒的温度。整个池沸腾装置系统在使用时由保温层9保温。所述的调压器、冷凝器、预热器均可在市场购得。池沸腾蒸发装置的高效防垢纳米传热表面，经过沸腾池与冷凝器的一个入口相连，冷凝器上部有一关闭的出口，冷凝液自然回流到沸腾池。本装置采用常压操作，对于易生成结晶垢的蒸发物料效果明显。对热敏性料液，可采用真空操作。当蒸发浓缩液的比重或浓度等参数达到工艺要求时，停止蒸发浓缩。\n[0031] 实施例1\n[0032] 对金属基底铜先进行预处理；所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污步骤；\n#\n所述的磨光步骤为采用600 的金刚砂对金属基底进行2次的磨光，达到用裸眼看不出任何凹凸不平为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为1μm的金刚砂研磨膏进行2次抛光，直到基底表面用裸眼看不到凹凸不平的划痕为止，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为所述的将基底浸入质量百分比为20％的氢氧化钠溶液，保持\n20min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.9％的丙酮溶液中进行超声清洗40min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底15min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干15h；\n[0033] 在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，-4\n所述的真空涂覆方法为：首先将所述的基底放置在真空度为2×10 Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以15r/min的转速转动同时用功率为8kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为99.99％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料沉积在待-10\n涂基底表面上制得纳米涂层传热表面，所述的涂层材料的蒸发速度为0.6×10 m/s。\n[0034] 对所述的纳米涂层表面进行后处理；所述的后处理步骤包括将所述的纳米涂层表面放在马弗炉中以5℃/min的升温速度加热至200℃后，保持10小时进行热处理；\n[0035] 经测量所述的纳米涂层表面的涂层的厚度在60nm，所述的涂层表面对水的接触角\n2\n在88°，甘油的接触角在119°，表面能在112mJ/m，表面平均粗糙度在55nm。\n[0036] 将所述的纳米涂层传热表面装入池沸腾装置中经测试：常温下饱和的碳酸钙水溶液的池沸腾传热系数较未处理表面的系数提高0.10倍，不结垢运行时间延长15倍。\n[0037] 实施例2\n[0038] 对金属基底碳钢先进行预处理；所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污步#\n骤；所述的磨光步骤为采用300 的金刚砂对金属基底进行3次的磨光，达到用裸眼看不出任何划痕为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为0.5μm的金刚砂研磨膏进行3次抛光，直到基底表面用裸眼看不到凹凸不平的划痕为止，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为所述的将基底浸入质量百分比为5％的氢氧化钠溶液，保持\n5min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.5％的丙酮溶液中进行超声清洗5min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底5min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干8h；\n[0039] 在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，-4\n所述的真空涂覆方法为：首先将所述的基底放置在真空度为5×10 Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以5r/min的转速转动同时用功率为6kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为99.9％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料沉积在待涂基-10\n底表面上制得纳米涂层传热表面，所述的涂层材料的蒸发速度为0.3×10 m/s。\n[0040] 对所述的纳米涂层表面进行后处理；所述的后处理步骤包括将所述的纳米涂层表面放在马弗炉中以1℃/min的升温速度加热至80℃后，保持24小时进行热处理；\n[0041] 经测量所述的纳米涂层表面的涂层的厚度在21nm，所述的涂层表面对水的接触角\n2\n在95°，甘油的接触角在120°，表面能在100mJ/m，表面平均粗糙度在60nm。\n[0042] 将所述的纳米涂层传热表面装入池沸腾装置中经测试：常温下饱和的碳酸钙水溶液的池沸腾传热系数较未处理表面的系数提高0.15倍，不结垢运行时间延长8倍。\n[0043] 实施例3\n[0044] 对金属基底不锈钢先进行预处理；所述的预处理步骤依次包括磨光、抛光和除污#\n步骤；所述的磨光步骤为采用800 的金刚砂对金属基底进行2次的磨光，达到用裸眼看不出任何凹凸不平为止；然后对金属基底进行抛光处理，抛光时使用直径为3μm的金刚砂研磨膏进行2次抛光，直到基底表面用裸眼看不到划痕为止，最后除去抛光后金属基底上留有的污渍，除污步骤为所述的将基底浸入质量百分比为30％的氢氧化钠溶液，保持30min，除去部分油脂，然后将取出的基底放入质量百分比为99.999％的丙酮溶液中进行超声清洗\n60min后取出，再用蒸馏水超声清洗基底30min，以除去基底表面残存的试剂，最后将取出的基底在室内自然风干24h；\n[0045] 在所述的经过预处理的基底上采用真空涂覆方法制备带有纳米涂层的传热表面，-5\n所述的真空涂覆方法为：首先将所述的基底放置在真空度为9.5×10 Pa的真空箱式镀膜设备内，然后保持所述的基底以30r/min的转速转动同时用功率为10kW的电子枪轰击电子束蒸发源上的质量百分比纯度为99.999％的涂层材料以使其蒸发，所述的涂层材料沉积在-10\n待涂基底表面上制得纳米涂层传热表面，所述的涂层材料的蒸发速度为1.2×10 m/s。\n[0046] 对所述的纳米涂层表面进行后处理；所述的后处理步骤包括将所述的纳米涂层表面放在马弗炉中以10℃/min的升温速度加热至500℃后，保持8小时进行热处理；\n[0047] 经测量所述的纳米涂层表面的涂层的厚度在81nm，所述的涂层表面对水的接触角\n2\n在75°，甘油的接触角在110°，表面能在120mJ/m，表面平均粗糙度在4nm。\n[0048] 将所述的纳米涂层传热表面装入池沸腾装置中经测试：常温下饱和的碳酸钙水溶液的池沸腾传热系数较未处理表面的系数提高0.2倍，不结垢运行时间延长20倍。