火焰喷涂型表面多孔管的性能研究

火焰喷涂型表面多孔管的性能研究曾　勇3　徐　宏　侯　峰 戴玉林 刘京雷 (华东理工大学) (扬子石油化工股份有限公司) (华东理工大学)摘　要　对比了火焰喷涂型表面多孔管和烧结型表面多孔管的制造方法,分析了这两种表面多孔管多孔涂层的表面形貌和涂层结合强度的差异,并对火焰喷涂型表面多孔管的沸腾传热性能进行了实验研究。

关键词　换热器　火焰喷涂型　烧结型　表面多孔管　强化传热　多孔涂层中图分类号　T Q05115 文献标识码　A 文章编号　025426094(2010)022******* 炼油、石油化工等行业大量使用换热器,其投资一般占全部工艺设备的30%～40%。

其中管壳式换热器占绝对优势,约70%[1]。

因此,通过强化传热提高管壳式换热器的换热效率,降低能量消耗是具有重要工程价值的课题。

目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构,常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。

其中自20世纪60年代发展起来的多孔表面换热管以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热通量和良好的抗结垢能力[1],已成为一种工业应用前景广泛的换热元件。

表面多孔管的制造方法有很多,其中烧结金属粉末法相对成熟,但其制造工艺较为繁琐,成本较高,特别是不适合不锈钢粉末的多孔烧结。

相比而言,火焰喷涂法不仅制造简单,操作方便,成本低廉,而且适合于制造各种不锈钢粉末的多孔涂层,经检验,此类不锈钢表面多孔管能够满足在酸性介质中工作的要求[3]。

因此,火焰喷涂表面多孔管的强化传热性能研究具有重大意义。

1　表面多孔管的制造方法表面多孔管的制造方法主要有烧结金属粉末法[4]、火焰喷涂金属粉末法[5]、机械加工法[6]、电镀法、电化学腐蚀法以及覆盖金属丝网法等。

各种方法加工出来的多孔表面形式不同,强化传热性能也不同,且各有优劣[7],其中烧结金属粉末法和火焰喷涂金属粉末法是比较常见的两种制造方法。

1.1　烧结金属粉末法烧结金属粉末法的主要步骤:先将基体管子表面去除锈和油垢,然后涂上一层粘结剂溶液,将金属粉末均匀地粘在基体表面上,当粘结剂溶液风干后,将其放置于烧结炉内,在氢气保护下加热至金属粉末表面有熔化趋势,恒温一段时间后,使粘结剂分解挥发,金属粉末烧结成一体并烧结在基体管子上,这样就在管子表面形成一层多孔金属覆盖层[8]。

多孔金属覆盖层不仅可烧结在金属管外壁面上,也可烧结在金属管内壁面上。

多孔层厚度一般小于3mm,孔隙率为40%～65%。

粉末烧结法是国内外研究开发最早、较为成熟的一种多孔表面制造方法。

美国Uni on Carbide公司的H igh Flux(HF)烧结型高通量换热管的表面多孔层粒径为0.01～0.1mm,厚度为0.25mm左右,孔隙率为50%～65%。

与光滑管相比,HF管的沸腾换热系数可提高10倍左右,强化效果非常显著,总传热系数为光滑管的3～8倍。

同时沸腾温差可降低到1℃左右,临界热流密度可以提高1倍。

但是,粉末烧结法制造多孔表面管在带来高效强化效果的同时,也产生了严重的沸腾滞后,而对于水和R2113等其他介质,HF管的滞后更为严重。

另外,此方法加工工序多、能耗大、加工成本高,在高温下基体母材容易产生退火变形;而且尚不适用于制造3曾　勇,男,1984年12月生,硕士研究生。

上海市,200237。

不锈钢型表面多孔管。

1.2　火焰喷涂金属粉末法1975年,美国盖茨橡胶公司(The Gates Rub2 ber Company)的Dahl等人采用火焰喷涂技术(Fla me Sp raying Technique)实现了在管材和板材上喷涂能提高沸腾传热系数的金属多孔层,并申请了国外首个喷涂法制造表面多孔管的发明专利[9]。

在此发明中,火焰喷涂的金属粉末可以是铝、铁、不锈钢以及合金粉末等,其孔隙率为30%～40%。

国内,北京化工研究院首先开发了采用火焰喷涂法制造表面多孔管的工艺技术[10]。

其制造方法是采用特定的火焰喷涂枪,利用特定的氧2乙炔火焰将具有较高结合强度的镍包铝复合粉末,高速地通过火焰喷射到经过严格处理且预热过的待加工的基体管子外表面上,依靠复合粉末的化学反应与基体表面产生一定的冶金结合,从而获得较牢固的结合层。

在此基础之上,通过控制火焰的温度,将按比例混合好的金属铝粉和辅助造孔的有机高分子材料粉末喷涂到结合层上,在喷涂过程中,有机高分子材料被烧掉,这样便可得到具有较高孔隙率的金属多孔涂层。

火焰喷涂型铝表面多孔管最早应用于燕山石化公司300kt/a乙烯装置的脱乙烷塔顶冷凝2蒸发器,取代原日本进口光管换热器。

该喷涂型铝表面多孔管已运转近4年,多孔层未见脱落,传热性能良好[11]。

喷涂表面多孔管同样也有沸腾滞后现象,但是,沸腾滞后程度比烧结型小[12]。

这是因为喷涂多孔层的孔隙率相对较低,孔穴内气体质量小,激发沸腾的壁面过热度大,几乎与光滑表面相同。

因此,喷涂多孔表面的沸腾滞后程度小,而这种性质是换热设备所需要的,特别是对电子元件的安全和可靠运行有重要影响。

而且,此加工工艺设备简单,操作方便,成本低廉,无三废污染,并能在不同材料的管子外表面加工出不同金属材料的多孔表面涂层。

2　火焰喷涂型表面多孔管性能测试与评价表面多孔管是一种新型换热元件,它可以提供大量尺寸较小的而且长期稳定的汽化核心,从而在很小的壁面过热度下产生大量气泡,用来强化核状沸腾传热[13]。

多孔层形貌、机械强度和换热性能是衡量表面多孔管性能好坏的主要指标,决定了表面多孔管能否长期高效运行。

笔者采用氧2乙炔火焰喷涂铁基合金粉末的方法,研制火焰喷涂型表面多孔管,其实物照片见图1,其中上面的一根为普通光滑钢管,下面的一根为火焰喷涂型表面多孔管。

多孔管的表面存在大量的内凹孔穴,是较为理想的稳定汽化核心,其表面微观形貌如图2所示。

2.1　火焰喷涂多孔涂层与烧结多孔涂层表面形貌对比将笔者研制的火焰喷涂型表面多孔管与烧结型表面多孔管进行表面形貌对比,如图3所示。

火焰喷涂所使用的铁粉为200～325目,烧结所使用的铁粉目数为300目左右,且所选铁粉都为球形粒状粉末。

由图3可以看出,烧结多孔涂层中,铁粉颗粒依然保持原有的形貌,只是颗粒边缘熔化而相互熔合,涂层中存在较小的洞穴,孔穴间的连通性较好;火焰喷涂多孔涂层较为密实、孔隙率低、孔径a.火焰喷涂多孔涂层b .烧结多孔涂层图3　多孔涂层表面形貌 ×200相对较大、孔穴分布相对不均匀且相互连通性没有烧结多孔涂层好。

这些不良因素会直接影响火焰喷涂多孔涂层的沸腾传热性能,因此,需要改进喷涂技术,以改善火焰喷涂多孔涂层的表面形貌特征。

2.2　火焰喷涂多孔管的涂层结合强度检测G B /T 864222002《热喷涂层抗拉结合强度的测定》不适用于极薄涂层及多孔涂层,因此本文采用如图4所示方法,用多孔涂层的剪切强度表征多孔涂层与基体管子的结合强度。

多孔涂层的剪切强度是指多孔涂层与基体管子接触面单位面积上承受轴向剪切力的极限能力。

剪切实验后试样如图5所示。

实验装置采用电子万能试验机,试件是基体为<19mm ×2mm 的表面多孔管;模具总高度为63mm ,其中模具座为<50mm ×13mm 、高53mm 的碳钢管;刀具为内径19.2mm 、外径50mm 、厚10mm 的轴承钢圆盘。

首先把模具放在电子万能试验机上调平,然后将表面多孔管放在模具上面,以一定速度缓慢加载。

当多孔涂层开始发生屈服的时候,记录下载荷的大小。

实验结束后,按式(1)计算多孔涂层的剪切强度P j :P j =F jπDW(1)式中　P j ———多孔涂层的剪切强度,MPa; F j ———多孔涂层剥离时的最大载荷,N; D ———多孔涂层基体管子的外径,mm; W ———多孔涂层轴向的长度,mm 。

笔者从同一根火焰喷涂型表面多孔管上截取4个不同部分作为试样。

经电子万能试验机加载试样测出F j 后,计算得出这4个试样多孔涂层的平均剪切强度为18MPa 。

而烧结表面多孔涂层的剪切强度一般为25～40MPa 。

这两种多孔涂层的结合强度存在较大的差别,其根本原因在于火焰喷涂技术和烧结技术两者的制造工艺存在本质区别———对于火焰喷涂来说,金属粉末与基体管子的结合主要为机械结合,而烧结则为金属粉末间的冶金反应,因而火焰喷涂多孔涂层的结合强度要明显低于烧结多孔涂层。

2.3　喷涂多孔管沸腾传热强化效果分析与评价换热性能是衡量表面多孔管性能好坏的最直接也是最终的指标,也是评价其制造工艺优劣的重要依据。

笔者采用池沸腾传热性能实验评价表面多孔管的传热性能,实验过程中使用电加热棒在管内加热,管外是传热介质。

电加热棒的功率通过稳压器和调压器来调节,进而可以改变管外壁的传热功率。

介质通过管外壁吸收热量而沸腾,所产生的蒸汽经过冷凝器冷凝回收在计量筒中,通过计量可知道一定时间内介质的蒸发量,从而计算得出不同传热功率下的表面多孔管的传热系数:h 0=q ΔT(2)q =m γA t(3)ΔT =T w -T b(4)式中　h 0———沸腾传热系数,k W /(m 2・℃); q ———热通量,k W /m 2; m ———冷凝介质质量,kg; γ———介质的汽化潜热,kJ /kg; A ———传热表面面积,m 2; t ———介质的冷凝时间,s; ΔT ———温差,℃; T w ———平均壁温,℃; T b ———平均介质温度,℃。

为了评定本实验所研制的火焰喷涂型表面多孔管的传热性能,采用长度为220mm 的火焰喷涂型表面多孔管和光管,以去离子水为介质,进行传热对比实验,结果如图6所示。

图6　火焰喷涂型多孔管与光管的沸腾传热性能比较 从图6可以看出,在泡核沸腾状态下,火焰喷涂型表面多孔管的沸腾传热效果明显比光管强化;随着温差的变大,火焰喷涂型表面多孔管的热通量变化幅度较大,而光管的热通量变化较为平缓。

而且火焰喷涂型表面多孔管可以提前进入沸腾状态,即可以在较小的温差下维持表面沸腾。

说明了火焰喷涂型表面多孔管沸腾换热温差小,能够有效强化沸腾传热,其传热系数为光管的4～6倍。

3　结论火焰喷涂型表面多孔管的机械强度和沸腾强化传热性能可以满足工业化应用要求,能在较小的温差下维持沸腾状态,有效强化了沸腾传热,在水中,其沸腾传热系数为普通光管的4～6倍。

火焰喷涂型表面多孔管制造技术不仅具有设备简单、操作方便以及生产成本低等优点,还具有适合制造各种不锈钢表面多孔管的特殊优点。

因此,火焰喷涂型表面多孔管在强化沸腾传热换热器中更具应用价值。

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