一種多孔親水不銹鋼換熱管及其表面處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種多孔親水不銹鋼換熱管的表面處理方法，包括下列步驟：對不銹鋼管進行液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理，實現表面粗化；對粗化的鋼管表面進行化學電解或溶膠改性電鍍處理；以及一種由此得到的不銹鋼換熱管和使用這種管材的換熱器。根據本發明的方法可以在各種不銹鋼管表面得到多孔和凹穴的微觀結構，對強化蒸發和沸騰換熱有極大的提高；可以在各種不銹鋼管表面得到持續的強親水性能，加速水膜鋪展并降低水膜厚度，進而提高換熱效率；可以在各種不銹鋼管表面得到更耐點蝕、氯離子應力腐蝕和濃差微電池腐蝕的金屬表面，提高換熱機組整體穩定性和使用壽命。
【專利說明】一種多孔親水不銹鋼換熱管及其表面處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳熱設備【技術領域】，特別是涉及一種強化管外蒸發傳熱的多孔親水不 銹鋼換熱管及其表面處理方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在吸收式冷凍機和熱泵的蒸發器、吸收器中廣泛采用降膜式換熱器，其殼體 在真空條件下運行，用一定的方式使制冷劑噴淋到水平排列的傳熱管上，管內載制冷劑進 行冷卻或加熱，利用管外的制冷劑和管內的制冷劑進行熱交換。為了提高換熱效率，強化管 外蒸發和降低換熱設備體積，可通過改變換熱管形狀或表面形貌的辦法來實現。前者采用 機加工在管外表面形成翅、齒、滾花等結構，以增大表面積、促進冷凝液成膜流動，通過間隙 排液；后者主要采用浸涂法形成具有親水基團的有機涂層，或者焙燒法形成多孔結構的金 屬涂層。機加工方式存在的主要問題包括：（1)管材的延展性、彈性模量、硬度等使得鐵素 體不銹鋼、雙相鋼、馬氏體不銹鋼管等管材無法通過機加工實現表面多孔化；（2)內外齒、 內外螺紋等結構對壁厚要求更高，增加了管材的重量；（3)翅形和間隙容易形成制冷劑滯 留區域，增加冷凝液成膜阻力，對粘度大的制冷劑更容易形成不"潤濕"的死區，降低換熱效 率；(4)利用機加工生產的高效碳鋼管和不銹鋼管，由于沒有經過表面處理在服役過程中 容易發生點蝕，溝槽中的殘留物亦會加速腐蝕的發展，降低換熱管的使用壽命。
【發明內容】
[0003] 因此，本發明的目的在于克服傳統機加工技術的不足而提供一種能使降膜式換熱 器用不銹鋼換熱管外表面制冷劑蒸發、冷凝換熱系數明顯提高，使換熱面積增大，可根據冷 卻劑類型、換熱效率和設備使用壽命設計的要求選用更廣泛的金屬材料及更薄壁厚的高效 換熱管，并提供相應的表面處理方法。
[0004] 本發明的目的可以通過如下措施來達到。
[0005] 步驟一：對不銹鋼管表面進行液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理，以實現表 面粗化；
[0006] 步驟二：對粗化后的不銹鋼管表面進行化學電解或溶膠改性電鍍處理，以實現多 孔化和凹穴的擴展，并強化潤濕性能。
[0007] 優選地，所述步驟一中液相等離子體電解電流密度為4?5A/dm2,電壓為280? 300V，占空比為50?65%，電解液為Na 2S04-Na3B03體系，處理溫度為45?50°C ;
[0008] 優選地，所述步驟一中激光打磨的激光功率為3. 5KW、激光束直徑為2. 5mm，掃描 速率為30cm/s，進管速率為1. 5m/min ;
[0009] 優選地，所述步驟一中的噴砂處理采用平均粒徑為16目的棕剛玉，噴砂壓力為 0. 8MPa，噴嘴距管表面距離為15?20cm，實現不銹鋼光管表面粗化；
[0010] 優選地，所述步驟二中的化學電解，電流密度為20A/dm2,電壓為30?40V，電解液 為 H2S04-NazS04-EDTA-2Na 體系，處理溫度為 30 ?50°C ;
[0011] 優選地，所述步驟二中的溶膠改性電鍍中電流密度為30?45A/dm2,電鍍液體系為 Cr2(S04)3-H3B04-A100H，其摩爾比為 30 : 17 : 5。
[0012] 此外，本發明還提供一種由上述表面處理方法加工得到的不銹鋼換熱管及使用所 述不銹鋼換熱管的換熱器。
[0013] 本發明與已有技術相比較具有如下有益效果：可以在各種不銹鋼管表面得到多孔 和凹穴的微觀結構，對強化蒸發和沸騰換熱有極大的提高；可以在各種不銹鋼管表面得到 持續的強親水性能，加速水膜鋪展并降低水膜厚度，進而提高換熱效率；可以在各種不銹鋼 管表面得到更耐點蝕、氯離子應力腐蝕和濃差微電池腐蝕的金屬表面，提高換熱機組整體 穩定性和使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是液相等離子體電解加工的不銹鋼管表面的掃描電鏡照片；
[0015] 圖2是激光打磨加工的不銹鋼管表面的掃描電鏡照片；
[0016] 圖3是噴砂加工的不銹鋼管表面的光學顯微鏡照片；
[0017] 圖4是激光打磨+化學電解加工的不銹鋼管表面的掃描電鏡照片；
[0018] 圖5a、5b分別是激光打磨+溶膠改性電鍍加工后的不銹鋼管的表面、截面掃描電 鏡照片。
【具體實施方式】
[0019] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0020] 本發明的多孔親水不銹鋼換熱管的表面處理方法，包括下列步驟：
[0021] 步驟一：對不銹鋼管表面進行液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理，實現表面 粗化；
[0022] 步驟二：對粗化后的不銹鋼管表面進行化學電解或溶膠改性電鍍處理，實現多孔 化和凹穴的擴展，并強化潤濕性能。
[0023] 其中，所述的步驟一中的液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理可以采用公知 的條件和參數，只要能增強鋼管表面粗糙度，改善其親水性能。
[0024] 其中，所述的步驟二中的化學電解或溶膠改性電鍍處理可以采用公知的條件和參 數，只要能實現多孔化和凹穴的擴展，強化潤濕性能。
[0025] 更優選的，為了實現最佳效果，發明人對工藝條件作了進一步優選，下面結合具體 實施例來進一步說明。
[0026] 下文中的實施例1-3是僅僅采用步驟一中的工藝對不銹鋼管進行處理的實施例， 實施例4、5是同時采用步驟一和步驟二中的工藝對不銹鋼管進行處理的實施例。
[0027] 實施例1
[0028] SUS445J2不銹鋼管表面的液相等離子體電解在45?50°C恒溫條件下，利用智 能脈沖電源對輸出電壓、電流控制，電壓為280V，占空比為55%，電流為15A，電解液為 15wt. % Na2S04-10wt. % Na3B03體系，處理lOmin后水洗烘干，實現表面粗化，其表面形貌如 圖1所示；
[0029] 實施例2
[0030] SUS304不銹鋼管表面的激光打磨的激光功率為3. 5KW、激光束直徑為2. 5mm，掃描 速率為30cm/s，進管速率為1. 5m/min，實現表面粗化，處理后的表面形貌如圖2所示；
[0031] 實施例3
[0032] SUS316不銹鋼管表面噴砂處理采用平均粒徑為46目的棕剛玉，噴砂壓力為 0.8Mpa，噴嘴距表面距離為18cm，采用雙頭縱向噴砂，鋼管行進速度為3m/min，實現表面粗 化，處理后的表面形貌如圖3所示；
[0033] 實施例4
[0034] SUS445J2不銹鋼管表面經過實施例2中的工藝處理后，進行化學電解加工，電流 密度為 20A/dm2,電壓為 30V，電解液為 10wt. % H2S04-10wt. % Na2S04-0. 5wt. % -EDTA-2Na， 處理溫度為30°C，處理時間為15min，實現多孔化和凹穴的擴展，并強化潤濕性能，得到的 表面新貌如圖4所示；
[0035] 實施例5
[0036] SUS316不銹鋼管表面經過實施例2中的工藝處理后，進行溶膠改性電鍍加工，電 流密度為 30A/dm2,電鍍液體系為 12wt. % Cr2(S04)3-4. 5wt. % H3B04-2wt. % A100H，用硫酸 調節pH值到1左右，常溫處理10分鐘后實現了多孔化和凹穴的擴展，并強化了潤濕性能， 得到的表面、截面形貌如圖5a、5b所示。
[0037] 對上述五個實施例得到的不銹鋼管進行表面粗糙度和潤濕角的測量，結果如下：
[0038] |表面粗糙度Ra |表面粗糙度Rz|~潤濕角~ (μιτι) (μιτι) (° ) 實施例1 30 5?6 42 實施例2 3Z2 3^5 36 實施例3 4^5 608 69 實施例 4 40.9 56.5 24 實施例 5 26^6 48^9 17
[0039] 由此可見，經過液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理后換熱管的表面粗糙度 Ra為30?40 μ m左右，Rz為45?55 μ m左右。在其基礎上再經過化學電解或溶膠改性電 鍍處理后的不銹鋼管多孔表面表現出持續的強親水性，潤濕角< 30°。
[0040] 通過上述實施例可知，本發明的技術方案可以在各種不銹鋼管表面得到多孔和凹 穴的微觀結構，對強化蒸發和沸騰換熱有極大的提高，并可以在各種不銹鋼管表面得到持 續的強親水性能，加速水膜鋪展并降低水膜厚度，進而提高換熱效率，從而得到強化管外蒸 發傳熱的多孔親水高效不銹鋼換熱管。
[0041] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在 本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 范圍之內。
【權利要求】
1. 一種多孔親水不銹鋼換熱管的表面處理方法，其特征在于包括下列步驟： 1. 1對不銹鋼管進行液相等離子體電解、激光打磨或噴砂處理，實現表面粗化； 1. 2對粗化的鋼管表面進行化學電解或溶膠改性電鍍處理，實現多孔化和凹穴的擴展， 并強化潤濕性能。
2. 根據權利要求1所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法，其中步驟1. 1中所述液相等 離子體電解處理的條件為：電流密度為4?5A/dm2,電壓為280?300V，占空比為65%，電 解液為Na 2S04-Na3B03體系，處理溫度為45?50°C ;所述激光打磨處理的條件為：激光功率 為2. 5?3. 5KW，激光束直徑為2?4mm，掃描速率為30?40cm/s，進管速率為1. 5m/min ; 所述噴砂處理的條件為：采用平均粒徑為16?46目的棕剛玉，噴砂壓力為0. 8Mpa。
3. 根據權利要求2所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法，其中經過液相等離子體電 解、激光打磨或噴砂處理后換熱管的表面粗糙度Ra為30?40 μ m，Rz為45?55 μ m。
4. 根據權利要求1所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法，其中在步驟1.2中 所述的化學電解處理的條件為：電流密度為20A/dm 2,電壓為30?40V，電解液為 H2S04-Na2S04-EDTA-2Na體系，處理溫度為30?50°C ;所述溶膠改性電鍍處理的條件為：電 流密度為30?45A/dm2,電鍍液體系為Cr2(S0 4)3-H3B04-A100H，其摩爾比為30 : 17 : 5? 30 : 17 : 10。
5. 根據權利要求4所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法，其中經過化學電解處理或溶 膠改性電鍍處理后的多孔表面形成凹穴或內凹穴，凹穴孔隙率>80%，孔穴的表觀直徑為 10 ?30 μ m〇
6. 根據權利要求5所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法，其中經過化學電解處理或溶 膠改性電鍍處理后的不銹鋼管多孔表面為持續的強親水性，潤濕角< 30°。
7. 根據權利要求1-6任一所述的不銹鋼換熱管的表面處理方法制備得到的不銹鋼換 熱管。
8. 采用如權利要求7所述的不銹鋼換熱管的換熱器。
【文檔編號】F28F19/00GK104117833SQ201410309419
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】任超, 孫穎鋒, 劉嵩, 權 成 申請人:北京全四維動力科技有限公司