專利名稱:用于強化沸騰傳熱的金屬多孔表面金屬管的制法的制作方法
本項發明是關于用于強化沸騰傳熱的金屬多孔表面金屬管的制法。
任何能量在使用過程中都有一個傳遞與轉換過程，同時伴隨有一定的能量損耗與能級損失，因而提高用能效率及充分回收現有企業中的余熱和廢熱是節約能源，解決能源短缺的關鍵。為了達到這個目的，必須采用高效緊湊的換熱設備，以提高傳熱系數和降低有效溫差及流體阻力，從而減少設備投資和功率消耗。這些都需要研究改進現有傳熱設備的性能及探求新的強化傳熱的方法。
殼管式換熱器是化工、石油、冶金、動力和低溫等工業裝置中最廣泛使用的一種換熱設備，它結構簡單易于制造，成本低，適應性強，處理能力大。但普通殼管式換熱器傳熱性能差，因而改進其性能，提高傳熱系數，減少有效傳熱溫差，減少傳熱面積，節約金屬用量，降低能量消耗，是節能的重要措施。近幾年開發成功的金屬多孔表面管顯示出如下的特性
(1)顯著地強化了沸騰放熱，當熱負荷q為25000～30000千卡/米2·時，多孔表面的沸騰放熱系數約為光滑表面的5～8倍。
(2)能在很小的溫差(0.6～1℃)下維持沸騰，從而大大減少了傳熱的不可逆損失。
(3)多孔表面管的臨界熱負荷比普通光管高約1.8倍。
(4)沸騰液體在多孔表面的孔隙中具有高的循環速度，每蒸發一公斤液體就有8～9公斤液體進入孔隙間循環，循環倍數為8～9倍，因而多孔表面有一定的抗污能力。
(5)多孔表面具有高度的毛細管特性，保證壁面有足夠的潤濕，以防止由熱斑或局部干燥引起的局部結垢或產生聚合物沉積。
(6)多孔表面的高沸騰放熱系數保證了壁溫十分接近液體主流的溫度。這對于熱敏性物料的沸騰特別重要，因為在高溫下容易產生聚合或分介。
綜上所述，金屬多孔表面不但提高了液體沸騰的放熱系數，減少了沸騰溫差，提高了臨界熱負荷，而且具有高的抗垢能力，可以在各種苛刻的條件下強化沸騰傳熱。
目前金屬多孔表面管的制法主要有以下幾種
1.燒結法據USP3，384，154，其制法是使用適當的粘合劑，將銅粉顆粒粘接在銅管的表面，然后升高溫度，粘合劑分解而蒸發，使銅粉粒子燒結在一起，燒結溫度以840～850℃為宜。此加工方法雖然多孔層孔隙率較高，為40～60%，但工序多，能耗大，加工成本貴，在高溫下銅材容易被退火變形。
又據USP 3，607，369，其制法是將金屬鋁粉、低熔點金屬粉和鋁合金粉以及助熔劑與液體有機載體調成糊狀物，涂敷于清凈過的金屬鋁表面上;在300°F以下加熱脫有機載體，然后在惰性氣氛中，在950～1200°F加熱，使涂糊料在金屬鋁表面形成鋁多孔層。多孔層應薄于0.125吋，以便酸洗。此法雖然能夠加工出多孔鋁表面，但加工工藝復雜，成本高，有三廢污染。
2.機械加工法據USP 3，696，861，其制法是采用特殊設計的刀具在銅管表面直接加工成凸起的鋸齒狀翅片，然后再使翅片彎曲，因而在翅片下面形成許多小孔隙，并且在小孔隙的上面和銅管的外表面相通。該加工方法雖然加工簡單，成本較低，但由于是機械加工，因而多孔層的孔隙率僅有30～35%，并且孔徑大，在表面張力較小的介質中使用效果不顯著。
3.電鍍法據USP 4，018，264，其制法是將含H2SO435克/升，CuSO4280克/升，銅粉120克/升和粘合劑0.035克/升的混合物，以25升/分的速度循環，在一旋轉的銅管陰極上進行電鍍，銅管的轉速為30轉/分，電流密度為25安/厘米2，電鍍時間20分鐘，得到0.4毫米厚的多孔銅鍍層。USP 4，129，181，提出了另一種電鍍法，即在一根管子外表面上包一層聚氨酯泡沫塑料，然后在其上面鍍銅，銅粉通過聚氨酯的小微孔進入管外壁，形成多孔層，再在300～500℃分解，將聚氨酯除去。形成的孔隙率為40～55%，但孔徑較小，因而對表面張力較大的介質使用效果不顯著，并且加工工序復雜，投資和能耗均較大。
4.火焰噴涂法據西德專利DT2227747，其制法是使用火焰噴出銅和鋅的粒狀混合物，其銅含量85～95%(重量)，鋅含量5～20%(重量)，噴涂時火焰的溫度控制在使銅不熔化而鋅完全熔化的程度。噴涂后將其浸入10%的鹽酸溶液中3小時，使鋅溶解，形成多孔表面，再經過水洗干燥即得到銅多孔表面，其孔隙率為30～45%;但不易穩定控制，并且加工工序復雜，加工周期較長，能耗大，有三廢污染。由于多孔銅表面不耐腐蝕，又易產生炔銅爆炸和價格昂貴等因素的影響，因而在工業應用上受到一定的限制。工業應用范圍較廣，價格便宜的鋁、不銹鋼等多孔層，由于鋁粉表面的氧化膜很難去除，因而鋁多孔表面的制造是一個難題，而不銹鋼多孔層也因不銹鋼熔點高，加工也存在一定困難。
本發明的目的是采用火焰噴涂法在碳鋼管，合金鋁管和不銹鋼管表面制造多孔鋁、銅、不銹鋼等多孔金屬表面，擴大多孔表面管的應用范圍，降低加工成本，減少有效傳熱溫差，減少傳熱面積，節約金屬用量，降低能量消耗。
本發明的內容是采用特定的火焰噴涂槍，利用特定的氧、乙炔火焰將具有較高結合強度的鎳包鋁復合粉末，高速地通過火焰而噴射到經過嚴格清凈處理，并且預熱過的待加工的管外表面基體上，依靠復合粉末的化學反應，與基體表面產生一定的冶金結合，而獲得較牢固的結合層。在此基礎上再通過控制火焰的溫度，將按比例混合好的金屬粉(如鋁粉、銅粉、不銹鋼粉等)和輔助造孔的有機高分子材料粉末噴涂到結合層上，然后再用火焰將多余的有機高分子材料粉末燒掉，這樣便可得到具有較高孔隙率的金屬多孔涂層。整個噴涂過程是在噴涂床上操作。待加工的管件在支架上轉動，噴涂槍沿管件的軸向移動。涂層的厚度和均勻度可由送粉量和噴槍移動的速度來控制。涂層的孔隙率和孔結構可由火焰的大小、金屬粉粒度、金屬粉與有機高分子材料粉的比例及噴槍與工件的距離來調節。
實現本發明的方法
1.原材料
(1)鎳包鋁金屬粉末 流動性＜35秒/50克;140～260目
(2)純金屬粉100～200目
(3)有機高分子材料粉末200～300目
(4)氧氣工業純
(5)乙炔氣工業純
(6)空氣或氮氣
2.噴涂設備
(1)打砂槍和砂箱一般的打砂槍和砂箱，用于清除管基體表面的銹污和進行表面糙化處理。
(2)噴涂床該噴涂床是專為噴涂6米以下工業用金屬管的生產而設計制造的，可滿足6米以下不同長度不同直徑的管材加工。床身能隨管的長度隨意調整，管材轉數0～350轉/分。
(3)火焰噴涂槍為噴涂床的附屬設備，用于工件的預熱和噴涂鎳包鋁粉、金屬粉，其軸向行進速度為0～1.2米/分。
(4)水簾除塵箱收集未噴涂到管子上而散失的金屬粉末，并減少環境污染。
3.工藝過程
(1)表面處理采用空氣噴砂的辦法清除鐵銹、氧化皮和油污，使基體表面糙化以增加結合強度。
(2)預熱將處理好的管子立即放在噴涂床上預熱，預熱要均勻，避免局部過熱。預熱處理主要是除去水份和改善微焊接條件。預熱溫度控制在80～150℃。
(3)噴底粉采用鎳包鋁粉50～90%(重量)和金屬粉50～10%(重量)組成的混合粉作為底粉均勻地噴涂到基體表面上;要控制好火焰，以保證同基體間的結合強度，噴涂厚度為0.07～0.15毫米。
(4)噴金屬粉底層形成之后立即進行多孔層的噴涂。多孔層采用金屬粉90～99%(重量)和有機高分子材料粉10～1%(重量)組成的混合粉進行噴涂，操作過程中嚴格控制各項操作參數，每次噴涂厚度不得超過0.25毫米，涂層的最終厚度由噴涂的次數決定。
4.操作參數的選擇
(1)噴涂金屬火焰溫度火焰溫度直接影響到涂層的結構，當火焰溫度過高，涂層的孔隙率相當低，傳熱效果與光管相差不多;如果火焰溫度過低，涂層松散，噴槍噴出生粉，涂層的結合強度太低，無實用價值。推薦火焰溫度，鋁650～750℃;銅750～850℃;不銹鋼850～1000℃。
(2)金屬粉的顆粒金屬粉的顆粒度對涂層的孔隙率有一定的影響。顆粒度過大，堆體積雖然小，但粉末在高速通過火焰時，不能加熱到所需溫度，造成生粉脫落，建立不起多孔層的厚度。如粉末顆粒過小，當粉末通過火焰高溫區時容易燒毀;即使沒有燒毀，也會由于粉末受熱溫度過高使粉末完全熔化，并受高速氣流沖擊而使涂層變形，堵死已形成的孔穴。推薦金屬粉顆粒度在100～200目為宜。
(3)金屬粉輸送量金屬粉輸送量也影響涂層的質量。送粉量過大，粉末由于受熱不均而夾帶大量的生粉，孔隙率雖高，但結合強度低。送粉量過小，孔隙率降低，同時涂層厚度、均勻度也難以保證。在火焰溫度、金屬粉顆粒度、噴槍移動速度、管子旋轉速度等因素一定的前提下，推薦送粉量，以每一趟噴涂產生的涂層厚度在0.15～0.25毫米為宜。
(4)噴槍的噴嘴與管子基體之間的距離
當噴嘴距管子基體過近，粉末受熱不足，不易將粉末加熱到熔化狀態，粉末飛濺損失大，管子基體也容易因溫度增高而氧化。如果噴嘴距管子基體過遠，噴射到管子基體表面的粉量過小，同時火焰也不能有效地保護粉末。推薦噴嘴與管子基體之間的距離在100～200毫米。
(5)噴槍移動速度與管子的旋轉速度
噴槍移動速度與管子的旋轉速度要匹配得當，如控制不當，不但會影響涂層的內部結構，而且也影響涂層的外觀質量，造成涂層厚薄不均或造成涂層成螺旋狀。推薦噴槍移動速度為1.0～2.0米/分，管子旋轉速度為200～300轉/分。
5.粉末的沉積率
在噴涂粉末的過程中，由于粉末是靠氣體引射而噴出，當粉末經火焰高溫區時，有部分粉末被燒掉，還有部分粉末因氣流的散射未噴涂到管壁上而損失。使用此方法，金屬粉的沉積率應大于90%，鎳包鋁粉的沉積率應大于50%。
6.涂層的強度
涂層的強度影響換熱管的使用壽命，表面多孔涂層是處于液體劇烈沸騰狀態下工作，因此要求涂層要有良好的耐液體、氣體的沖刷能力。用20米/秒流速的水通過噴嘴沖刷表面涂層，噴嘴距管壁10毫米，經過8小時連續沖刷，涂層表面無變化。用壓縮空氣以110米/秒的速度通過噴嘴，噴嘴距管壁50毫米，經過8小時連續沖刷，涂層表面無變化。
7.涂層質量的保證值
(1)涂層厚度0.4～0.6毫米;
(2)孔隙率35～45%;
(3)孔徑20～150微米;
(4)外觀干凈，厚度均勻，不掉粉末;
(5)當熱通量為15000～20000千卡/米2·時·℃，比光滑管提高沸騰放熱系數5～6倍。
8.檢驗方法
(1)平均厚度δ沿管長平均取4～5點(n)，測取多孔層外徑di，求其算術平均值d平均，
<math><msub><mi>d</mi><mi>平均</mi></msub><mi>＝</mi><munderover><mi>Σ</mi><mi>i=1</mi><mi>n</mi></munderover><mi>di / n</mi></math>
然后求出平均厚度δ，
δ＝(d平均-d1)/2
d1-光管直徑
(2)孔隙率ε指多孔層的空穴容積Vc與總容積VT之比，
ε＝ (Vc)/(VT)
測量方法參考稀土鎂球墨鑄鐵金相標準。
(3)平均孔穴直徑do指多孔層中空穴的平均直徑。測量方法是將多孔金屬管的一端垂直浸入自由潤濕液體中(如丙酮、鹵代烷烴等)，并量出該液體沿多孔表面的毛細爬升高度，然后按下式計算，
d0＝ (4σ)/(ρh)
ρ-液體的密度
σ-液體的表面張力
h-液體沿涂層的表面毛細爬升高度
本發明的特點
1.采用氧、乙炔火焰噴涂法在碳鋼、鋁、銅、不銹鋼等金屬管外表面加工出金屬多孔表面層，其孔隙率為35～45%，平均孔徑20～150微米，平均厚度0.3～0.6毫米，沸騰放熱系數比光滑管提高5～6倍。
2.采用有機高分子材料粉作為造孔劑和金屬粉按一定比例混合后，通過噴槍進行噴涂，直接得到金屬多孔層。此法設備簡單，操作方便，成本低廉，無三廢污染，并能在不同材質的管外壁加工成不同金屬的多孔表面。
實施例
(1)按前述方法加工的多孔鋁表面的碳鋼管，以丙酮為沸騰介質，在常壓下進行沸騰傳熱性能測定，并與光滑碳鋼管進行比較，結果如表1、表2所示。
從表3可知，多孔鋁表面碳鋼管冷凝器比光滑碳鋼管冷凝器溫差減小219℃，傳熱面積減小174米2，總傳熱系數提高1.11倍，沸騰放熱系數提高6.3倍。在實際運轉過程中，由于改造成多孔鋁冷凝器，使塔頂溫度降低了2℃左右，因此降低了脫乙烷塔的操作壓力1～2仟克/厘米2，使塔的回流量較設計值降低約10%，從而節省電能約90萬度/年。
權利要求
1、一種用于強化沸騰傳熱，表面具有金屬多孔層的金屬管的制備方法，本發明的特征在于采用具有高分解溫度的有機高分子材料粉末為造孔劑，與金屬粉按一定比例混合后，通過氧-乙炔火焰噴槍噴涂，在經過予處理的金屬管表面形成金屬多孔層。
2、如權利要求
1所述有機高分子材料為聚對羥基苯甲酸酯，或其它具有500℃以上的分解溫度的有機高分子材料粉末。
3、如權利要求
1所述金屬粉是指粒度范圍為100～200目鋁粉、銅粉或各種不銹鋼粉。
4、如權利要求
1所述金屬管是指碳鋼管、鋁管、銅管或各種不銹鋼管。
5、如權利要求
1所述金屬粉和有機高分子材料的混合比例為金屬粉90～99%(重量)和有機高分子材料粉末10-1%(重量)。
6、如權利要求
1所述噴涂鋁粉、銅粉和不銹鋼粉的火焰溫度分別是650～750℃，750～850℃和850～1000℃。
7、如權利要求
1所述的予處理是指空氣打砂和噴底粉。
8、如權利要求
7所述的底粉是由顆粒度為140～260目的鎳包鋁粉末，其用量為50～90%(重量)，和顆粒度為100～200目的金屬粉，其用量為50～10%(重量)，混合而成。
專利摘要
本發明是關于用于強化沸騰傳熱的金屬多孔表面金屬管的制法。 本項發明的特征在于采用具有高分解溫度的有機高分子材料粉末為造孔劑，與金屬粉按一定比例混合后，通過氧-乙炔火焰噴涂在經過預處理的金屬管表面形成金屬多孔層，多孔層的孔隙率35～45％，平均孔徑20～150微米，平均厚度0.3～0.6毫米，沸騰放熱系數比光滑管提高5～6倍。 本發明主要應用在化工、石油、輕工、冶金、動力和低溫裝置等列管換熱器，用于強化沸騰傳熱，從而達到提高傳熱系數，減少有效傳熱溫差，減少傳熱面積，節省金屬用量，降低能耗。
文檔編號C23C4/16GK85100996SQ85100996
公開日1986年8月6日 申請日期1985年4月1日
發明者申傳文, 馬龍銘, 楊書敏, 白爾儀 申請人:化工部北京化工研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan