專利名稱：強化鈦傳熱元件的制造方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦傳熱元件的制造技術，特別是涉及一種垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。
背景技術：
隨著能源的日趨緊張，對化工產業節能、環保以及低碳等技術指標的逐年提高，目前，為提 高傳熱元件的換熱能力，人們采用了諸多強化熱方法，如內插強化元件法，異形結構法，換熱表面處理法等，其中表面處理法能有效地增大傳熱元件的表面積，加強液體的擾動，強化換熱效果顯著。例如中國專利CN 90224727. I發明了一種內波紋螺紋管傳熱元件；該方法在一定程度上有效地提高了換熱元件的換熱能力。通過浸潰、濺射及等離了體發射等方法，Takata Y等采用納米TiO2涂層換熱表面的降膜蒸發的傳熱性能進行了研究，結果在低流率和低熱通量范圍內強化傳熱效果顯著。大連理工大學在電解液中利用品間和小孔腐蝕原理，在不銹鋼內、外表面腐蝕出表面多孔層，以提高傳熱元件的沸騰換熱性能，收到了良好的效果，但該方法顯著降低了材料的機械強度。CN85102762公開了一種多孔表面傳熱元件電化學制造方法以鋼制傳熱元件為陽極，三氯化鐵為電解液，利用小孔腐蝕的原理在傳熱元件表面生成微孔，以這些蝕孔為汽化核心，可以提高傳熱效率，降低沸騰溫差。雖然以上各種方法都在一定程度上提高了換熱元件的傳熱性能，但它們都存在制造成本高，且涂層易脫落或降低材料強度的缺陷，尤其是以上各種方法均不適用于鈦制換熱設備。鈦材具有強度高，質量輕，耐腐蝕，無毒的諸多優點，現已被廣泛應用于航天、醫藥、化工、食品等各個領域，尤其是其耐腐蝕的特性，更是為海水淡化領域或含氯離了產品加工行業所青睞。因此加強對鈦換熱元件的研究開發具有重大意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。本發明以含氟化銨的無機酸溶液為電解液，采用直流陽極氧化工藝，在鈦或鈦合金傳熱兀件表面一步構建出一種具有納米管陣列分布特征的強化傳熱表面，本發明提供了鈦強化換熱管內、外表面的制備方法。本發明得到的該保護層具有較好的浸潤性，尤其是處于納米級別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，適用于伴隨相變傳熱的蒸發器、再沸器以及冷凝器的需要。本發明提供的垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件的制造方法是采用穩壓直流陽極氧化工藝，使鈦金屬表面直接生長出強化傳熱表面，步驟包括I)首先，將鈦傳熱元件用有機溶劑(丙酮或酒精)洗滌以去除油污；2)將質量濃度為O. 25%氟化銨和10%硫酸水溶液的電解液注入陽極氧化裝置的電解池中；3)以鈦傳熱元件為陽極，石墨(或其他惰性金屬，例如銅)為陰極，進行恒壓陽極氧化反應；陽極氧化工藝條件氧化電壓20-60伏特，時間45-75分鐘，氧化溫度20_40°C ；得到垂直導向三維 立體納米管陣列表面鈦強化傳熱元件。本發明所述的強化鈦傳熱元件為鈦換熱管或換熱板。本發明提供的所提供的用于制造垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件(換熱管)的陽極氧化裝置主要包括穩壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、圓環(或絕緣壓槽)，電解液儲槽，泵和閥門。其中穩壓直流電源正極接鈦傳熱元件，換熱管)，負極接輔助電極，鈦傳熱元件置于電解池中，并通過定位托盤與定位圓環，鈦換熱管外表面陽極氧化處理)或絕緣壓槽(鈦換熱管內表面陽極氧化處理)加以定位，電解池上電解液溢流口和電解液進口分別通過泵和閥門與電解液儲槽連按。本發明通過陽極氧化工藝，使傳統鈦傳熱表面(致密的二氧化鈦平面膜)在電場作用下變形為具有立體結構特征的納米管陣列強化傳熱表面。該強化傳熱表面具有如下特征傳熱表面組成物質為二氧化鈦，其結構由兩部分組成底部致密阻擋層和上部疏松的納米管陣列，管壁通過致密阻擋層與鈦金屬相連；納米管為中空管狀結構，各納米管之間存在管間隙，如圖I所示。所有納米管結構尺寸大體相同h (長度)為500-1000納米，s (阻擋層厚度)約為20-50納米；D (納米管外徑)為50-300納米，t (壁厚)為10-30納米。本發明采用含氟化銨的溶液為電解液,其中氟化銨為活性物質,是破壞鈦金屬表面天然存在的平面型致密二氧化鈦保護膜的必須元素；而外加高電壓為二氧化鈦納米管的形成提供了動力支持。通過該工藝，可實現對鈦制的管式、板式以及其他任意形狀的鈦制換熱強化傳熱元件的制備。與傳統機加工或電化學處理制備的多孔表面不同，本發明的納米管直接生長于基底金屬材料之上，因而不損害材料強度(傳統的孔洞存在于基體材料內部)。不僅如此，由于尺寸效應的影響，該傳熱表面還具有對水完全浸潤的特性，同時也極大增加了汽、液、固的接觸傳熱面積。更為重要的是其數以億計的納米管管孔可流當汽化核心，從而達到在降低傳熱溫差(10-15%)的同時還能提高鈦換熱元件傳熱系數50%以上的目的。故本發明不僅可以適應與液-液介質之間的換熱，更適用于有相變產生的再沸器、冷凝器以及蒸發器的需要。
圖I為三維納米管陣列傳熱強化表面結構示意圖。圖2為制備鈦傳熱元件(管)外傳熱強化表面的電化學陽極氧化實驗裝置。圖3為制備鈦傳熱元件(管)內傳熱強化表面的電化學陽極氧化實驗裝置。圖4為絕緣壓槽16和13的結構圖(分別見a和b)。圖5為具有納米管陣列強化表面的鈦管示意圖(a為外表面強化，b為內表面強化)其中301為鈦金屬管壁；302為傳熱表面上部疏松多孔納米管陣列結構；303為與金屬基底緊密相連的致密阻擋層。圖6為傳熱強化表面的電鏡掃描照片。
具體實施例方式
下面結合實例及附圖進一步敘述本發明，但它不是對本發明進行限制。
鈦換熱管(外徑32mm,壁厚2mm,)內外傳熱表面的制備圖2是一種鈦換熱管外表面陽極氧化制被納米管陣傳熱表面裝置圖。其中I為穩壓直流電源，其正極接鈦換熱管3，負極接第一輔助電極4(石墨陰極)；11為電解池，電解時內充電解液9 ;電解池底部設一聚乙烯材料制成、中心和周邊開孔的定位托盤5 (中心孔直徑稍大于鈦換熱管外徑，為鈦換熱管定位，周圍開孔為電解液流通孔，數量可任意)；鈦換熱管3底端和頂端分別由定位托盤5和定位圓環2 (由聚乙烯制成，同5 —樣,開中心孔和電解液流通孔)定位。第一輔助電極(石墨陰極)4放置于定位托盤5上，具頂端由定位圓環2配合固定，以確保陰陽兩極同心。鈦換熱管3的兩端用橡皮塞12塞緊，以防止電解液進入鈦換熱管內部。電解池11頂端開溢流孔，其高度要高于鈦換熱管的高度，溢流液引入電解液儲槽8，電解池11底部開電解液進液口，與泵6和進液第一閥門7相連電解開始前，打開進液第一閥門7，關閉出液第二閥門10，向電解池注入電解液，直到有電解液溢流后關閉泵與第二閥門10。陽極氧化結束后，打開出液第二閥門10，將電解液由電解池11排入電 解液儲槽8。圖3是一種鈦換熱管內表面陽極氧化制備納米管陣列傳熱表面裝置圖。其中I為穩壓直流電源，其正極接鈦換熱管3，負極接第二輔助電極(銅陰極)15;16，13分別為上、下絕緣壓槽，(其結構分別見圖4a和b)。絕緣壓槽與絕緣壓蓋14連接部位開外螺紋(螺紋1601和1301)。通過擰緊壓蓋14，可保證鈦換熱管3兩端面的密封。絕緣壓槽開孔1602和1302與鈦換熱管配合，其內徑略大于鈦換熱管外徑。絕緣壓槽開孔1603和1303(分別與電解液溢流口 1604和電解液進出口 1304相通)，為電解液流通通道；絕緣壓槽開孔1605和1305與銅陰極15配合，其內徑稍大于銅電極外徑，起固定支撐陰極作用。電解液溢流口1604接電解液儲槽8相連；電解液進/出口 1304與泵6相連。電解開始前，打開進液第一閥門7，關閉出液第二閥門10，向電解池注入電解液，直到有電解液溢流后關閉泵與第二閥門10。陽極氧化結束后，打開出液第二閥門10，將電解液由電解池11排入電解液儲槽8。本發明提供的垂直導向三維立體納米管陣列表面鈦傳熱元件制造方法包括的步驟首先將鈦換熱管在丙酮或酒精中洗滌以去除油污，然后在蒸餾水中清洗。將配置好的電解液(含O. 25%氟化銨的10%硫酸水溶液，質量濃度)注入電解液儲槽；按實驗裝置圖正確連接陽極氧化實驗中的電路部分，調節電壓初始值為O關閉進口第二閥門10，打開進口第一閥門7，啟動泵6，直至有電解液溢流回電解液儲槽8時，關閉電機與進口第一閥門7。打開穩壓電源開關，緩慢調節陽極氧化電壓至30伏特，穩壓60分鐘，直至陽極氧化過程結束。關閉電源，打開出口第二閥門10，將電解液排入電解液儲槽8。取下鈦管3，在蒸餾水中清洗，去除殘留電解液后，室溫干燥。沖洗實驗裝置，完成制備。制備后，鈦換熱管3內/外表面即可獲得納米管陣列傳熱強化表面，見圖5所示，其中301為鈦金屬管壁，302為具三維立體導向納米管陣列結構的強化傳熱表面層將該傳熱表面取樣，通過SEM，TEM掃描，其形貌如圖6所示。電鏡照片顯示該傳熱表面中納米管垂直金屬基底且呈陣列分布，納米管的外徑約為lOOnm，內徑為60-70nm，阻擋層(管壁)厚度為15-20nm，高度為650nm左右。在鈦金屬表面成功制備出三維立體納米管陣列強化傳熱表面。該保護層具有較好的層潤性，尤其是處于納米級別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，降低換熱溫差的效果，尤其適用于低溫差鈦制沸騰傳熱設備中
權利要求
1.一種強化鈦傳熱元件的制造方法，采用穩壓直流陽極氧化工藝，使鈦金屬表面直接生長出強化傳熱表面，其特征在于包括的步驟 1)將鈦傳熱元件用有機溶劑洗滌以去除油污； 2)將含有質量濃度為O.25%氟化銨和10%硫酸水溶液的電解液注入陽極氧化裝置的電解池中； 3)以鈦傳熱元件為陽極，石墨或其他惰性金屬為陰極，進行恒壓陽極氧化反應；陽極氧化工藝條件氧化電壓20-60伏特，時間45-75分鐘，氧化溫度20_40°C;得到垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的有機溶劑為丙酮或酒精。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的鈦傳熱元件為鈦換熱管或換熱板。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述的垂直導向三維立體納米管長度為500-1000納米，阻擋層厚度約為20-50納米；納米管外徑為50-300納米，壁厚為10-30納米。
5.一種用于制造垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件的陽極氧化裝置，其特征在于它主要包括穩壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、定位圓環或絕緣壓槽，電解液儲槽，泵和閥門；其中，穩壓直流電源正極接鈦傳熱元件，負極接輔助電極，鈦傳熱元件置于電解池中，并通過定位托盤與定位圓環或絕緣壓槽加以定位，電解池上電解液溢流口和電解液進口分別通過泵和閥門與電解液儲槽連接。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的定位托盤的中心和周邊開孔。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的絕緣壓槽有開孔。
全文摘要
本發明涉及一種垂直導向三維立體納米管陣列表面強化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。由穩壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、圓環(或絕緣壓槽)，電解液槽，泵和閥門構成陽極氧化裝置。通過電化學陽極氧化，以含氟化銨的酸性溶液為電解液，采用恒壓陽極氧化工藝，在鈦金屬表面成功制備出三維立體納米管陣列強化傳熱表面。該保護層具有較好的浸潤性，尤其是處于納米級別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，降低換熱溫差的效果，適用于低溫差鈦制沸騰傳熱設備中。
文檔編號C25D11/26GK102618905SQ20121007736
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者史曉平, 王新亮, 胡柏松, 陶金亮, 魏峰 申請人:河北工業大學