滴状冷凝强化传热管制备及性能研究

李 伟 孙娅楠 苏 鹏 王增鹏 张 平 王 丹

(1. 长春工业大学化学工程学院；2.中国石油吉林石化公司 a.化肥厂；b.丙烯腈厂)

换热器作为一种单元设备已广泛应用于石油、化工、制药及能源等行业。蒸汽冷凝不仅是石油化工、航天、动力及节能等领域中重要的换热过程，而且是强化冷凝器传热的有效途径。因此，研究强化冷凝器传热技术，开发强化冷凝换热的新型表面有越来越多的报道[1～3]。目前，国内外实现滴状冷凝的方法大体可以分为以下几种：镀贵金属法[4～6]、复合沉积法[7]、化学气相沉积法[8]、离子束动态混合注入法[9～11]、分子自组装膜法[12，13]、等离子体表面聚合法[14，15]、表面涂覆有机促进剂法[16]和添加有机促进剂法。但这些方法存在一系列问题，如：寿命比较短，不能实现规模化的工业应用；污染冷凝液和腐蚀表面；价格昂贵导致难以推广使用。笔者采用涂覆-热处理法制备了4种滴状冷凝强化传热管，均实现滴状冷凝现象，且以纳米白炭黑-硅橡胶膜效果最佳。

1 实验部分

1.1实验药品和仪器

实验药品：甲基硅油，化学纯，广东汕头市西陇化工厂；三氯甲烷，分析纯，北京试剂厂；107硅橡胶、正硅酸乙酯、二丁基月桂酸锡，MW5000，杭州亚东新型材料有限公司；白炭黑，HL- 200，吉林双吉化工新材料有限公司。

实验仪器：电子天平，JJ1000型，赛多利斯；电热恒温鼓风干燥箱，OHG- 9143B5- Ⅲ，上海新苗医疗器械制造有限公司；超声波清洗器，KH- 700DB型，昆山禾创超声仪器有限公司。

1.2强化传热管的制备

以氯仿为溶剂配制SiO2：二甲基硅油，107硅橡胶质量分数为4%铸膜液以及加入交联剂和0.1%纳米白炭黑的107硅橡胶质量分数4%为铸膜液。有效长度为20cm的φ12mm×1mm紫铜管，首先进行表面抛光，用乙醇清洗，再用蒸馏水冲洗干净，在硅橡胶铸膜液中浸渍5h;室温环境下蒸干0.5h，最后在电热恒温鼓风干燥箱中氮气保护环境下热处理1h。制备的二甲基硅油膜、107硅橡胶膜、加入交联剂的107硅橡胶膜、纳米白炭黑-硅橡胶膜强化传热管分别编号为1#、2#、3#和4#。

1.3实验装置和流程

将制备的二甲基硅油膜、107硅橡胶膜、加入交联剂107硅橡胶膜、纳米白炭黑-硅橡胶膜涂覆在紫铜管上，通过传热装置(图1)对传热膜性能进行对比性研究。本实验所采用的传热装置可以对3根强化传热管同时进行观察和测试。传热循环系统主要由冷却水系统、蒸汽系统、冷凝器和测量控制器4部分组成。将自来水作为强化传热管管内冷却介质，并利用收集环计量缸来收集。为了减小水滴和管线污物对冷凝表面的影响，由锅炉加热产生的水蒸气，必须要先经过气液分离器对蒸汽进行净化，再经过管外作为其冷凝蒸汽；冷凝装置用来排除玻璃罩内冷凝的水和不凝性气体；转子流量计用于控制冷却水流速。采用不锈钢作为整个蒸汽系统管线的管材，采用聚四氟乙烯密封圈是为了避免有机物对管线的污染；为了能够方便清晰地观察到滴状冷凝现象，在冷凝器外加耐热玻璃罩。

图1 实验装置简图

1.4传热计算原理

测量外壁温度最常用的方法是埋设热电偶法，但本实验中所采用管材的管壁较薄，滴状冷凝过程中液滴表面温度变化比较大，热电偶测得的仅为局部温度，不能表征整个外壁的温度，所以不能采用常规方法。实验中笔者在3点设置测温点，即分别测量冷却水入口、冷却水出口和水蒸气入口处的温度，用以计算出冷凝液与冷却水之间较为准确的温度差。利用温度差和流速求解出热通量和总传热系数，再计算冷凝侧传热系数。具体计算公式如下：

Nu=0.023Re0.8×Prb

由于流体被加热，流体受热时b=0.4。

qw=CpVρ(To-Ti)/[πL(do+di)/2]

式中Cp——水的比热，J/(kg·K)；

do——管外径，m；

di——管内径，m；

L——管长，m；

qw——冷却水侧热通量，W/m2；

To——冷却水出口温度，℃；

Ti——冷却水进口温度，℃；

V——冷却水流量，m3/s；

ρ——液体密度，kg/m3。

qv=VLρi/ [πL(do+di)/2]

式中i——汽化潜热，J/kg；

qv——冷凝液侧热通量，W/m2；

VL——冷凝液体积，m3。

q=(qw+qv)/2

K=q/ΔTm

式中K——总传热系数，kW/(m2·K)；

q——平均热通量，kW/m2；

ΔTm——表面传热温差，℃。

h=1/(1/K-1/α)

式中h——冷凝侧传热系数，kW/(m2·K)；

α——管壁对冷却水的给热系数，kW/(m2·K)。

2 结果与讨论

2.1接触角θ

表1为在室温条件下测定的强化传热管表面静态水接触角θ数值。当固体表面为疏水时，为了寻求存在于最低能量的状态，水蒸气会容易在疏水表面形成滴状冷凝现象，其水接触角大于90.0°。从表1中可以看到，该实验中所制备的4种传热管表面的水接触角最小为90.5°，均大于90.0°，说明所制得的强化传热管均为疏水性，都可以实现滴状冷凝现象。其中0.1%纳米白炭黑-硅橡胶膜强化传热管接触角达到137.2°，表面疏水性最好。

表1 强化传热管的水静态接触角

2.2红外表征

采用Nicolet- 5DX型红外光谱仪(KBr压片，Nicolet Company of US)测定了所制得1#～4#强化传热管(制备条件：300℃、焙烧1h)的红外光谱，如图2所示。

图2 传热管红外光谱图

由图2a可以看出二甲基硅油含有的基团是5个邻位H，≡C—H，C—N=O和N—N=O；由图2b可知107硅橡胶含有的基团有两个邻位H，≡C—H，C—N=O，N—N=O；由图2c可知850cm-1波峰处所对应的是两个邻位H基团有利于使硅橡胶膜传热。图2d中，由于Si—O的伸缩振动，750.9～1 500.0cm-1左右出现极强的吸收峰；2 942cm-1附近明显的吸收峰为C—H键的伸缩振动峰；由于纳米SiO2表面—OH的伸缩振动，在3 448cm-1附近出现明显的吸收峰。由于Si—OH基团和Si—O基团都可以与水分子作用生成氢键，形成了水滴状冷凝的活性位，因此使得白炭黑-硅橡胶膜表面容易实现滴状冷凝现象。

2.3传热性能研究

图3 热通量与雷诺数的关系

图4 总传热系数与雷诺数的关系

图5 冷凝侧传热系数与雷诺数的关系

图6 表面温差与雷诺数的关系

在雷诺数1 300～3 300范围内，将4种强化传热管与普通铜管和沟槽管进行了对比研究，得到热通量、总传热系数、冷凝传热系数、表面温差与雷诺数的关系如图3～6所示。

与接触角测定结论一致，4种强化传热管表面都可以实现明显的滴状冷凝现象。传热效果最好的是4#管，与相应的膜状冷凝相比，其冷凝传热系数提高了3.1～3.3倍，表面温差大约是相应膜状冷凝的1.3～1.4倍。其次是1#管和2#管，与相应的膜状冷凝相比，其冷凝传热系数分别提高了1.9～2.1倍和1.4～1.6倍，表面温差大约分别是相应膜状冷凝的1.2～1.3倍和1.0～1.1倍。3#管的传热效果次之，与相应的膜状冷凝相比，其冷凝传热系数仅提高了0.6～0.8倍，表面温差仅为相应膜状冷凝的0.8～0.9倍。由于4#管中的白炭黑均匀地分布在硅橡胶膜表面，成为了水凝结的活性位；再者硅橡胶膜的疏水性，通过前面接触角的分析可知，疏水性表面容易形成滴状冷凝现象；并且膜层的热阻较小，因此其传热效果是最强的。1#管传热效果也比较好，这是因为该管在经过此温度条件下热处理后，使得硅烷偶极指向了相界面，而甲基以紧密堆积的方式遮盖住了自由表面[17]。2#管虽然出现滴状冷凝现象中形成液滴的概率接近90%，但较厚的硅橡胶膜层增加了膜层热阻，从而将滴状冷凝高效的传热性能抵消，导致2#管的传热效果变差。3#管传热效果变差是由于交联剂和催化剂的加入使得分子链热运动受到限制，自由体积变小，并且膜的厚度大为增加，膜层热阻增加。

3 结论

3.1制备了二甲基硅油膜、107硅橡胶膜、加入交联剂的107硅橡胶膜、纳米白炭黑-硅橡胶膜强化传热管，且4种膜均能实现滴状冷凝现象。4种传热表面接触角均大于90.0°，表现为疏水性，且纳米白炭黑-硅橡胶的接触角最大可达137.2°。

3.2通过4种膜的性能对比，得出纳米白炭黑-硅橡胶为最佳制备材料，与相应的膜状冷凝相比，其总传热系数提高了3.1～3.3倍，表面温差大约是相应膜状冷凝的1.3～1.4倍。

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