CN1003522B - 用于强化沸腾传热的金属多孔表面金属管的制法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于用于强化沸腾传热的金属多孔表面金属管的制法。本项发明的特征在于采用具有高分解温度的有机高分子材料粉末为造孔剂，与金属粉按一定比例混合后，通过氧－乙炔火焰喷涂在经过预处理的金属管表面形成金属多孔层，多孔层的孔隙率３５～４５％，平均孔径２０～１５０微米，平均厚度０．３～０．６毫米，沸腾放热系数比光滑管提高５～６倍。本发明主要应用在化工、石油、轻工、冶金动力和低温装置等列管换热器，用于强化沸腾传热，从而达到提高传热系数，减少有效传热温差，减少传热面积，节省金属用量，降低能耗。

Description

用于强化沸腾传热的金属多孔表面金属管的制法

本项发明是关于用于强化沸腾传热的金属多孔表面金属管的制法。

任何能量在使用过程中都有一个传递与转换过程，同时伴随有一定的能量损耗与能级损失，因而提高用能效率及充分回收现有企业中的余热和废热是节约能源，解决能源短缺的关键。为了达到这个目的，必须采用高效紧凑的换热设备，以提高传热系数和降低有效温差及流体阻力，从而减少设备投资和功率消耗。这些都需要研究改进现有传热设备的性能及探求新的强化传热的方法。

壳管式换热器是化工、石油、冶金、动力和低温等工业装置中最广泛使用的一种换热设备，它结构简单易于制造，成本低，适应性强，处理能力大。但普通壳管式换热器传热性能差，因而改进其性能，提高传热系数，减少有效传热温差，减少传热面积，节约金属用量，降低能量消耗，是节能的重要措施。近几年开发成功的金属多孔表面管显示出如下的特性：

（1）显著地强化了沸腾放热，当热负荷q为25000～30000千卡/米²·时，多孔表面的沸腾放热系数约为光滑表面的5～8倍。

（2）能在很小的温差（0.6～10℃）下维持沸腾，从而大大减少了传热的不可逆损失。

（3）多孔表面管的临界热负荷比普通光管高约1.8倍。

（4）沸腾液体在多孔表面的孔隙中具有高的循环速度，每蒸发一公斤液体就有8～9公斤液体进入孔隙间循环，循环倍数为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细管特性，保证壁面有足够的润湿，以防止由热斑或局部干燥引起的局部结垢或产生聚合物沉积。

（6）多孔表面的高沸腾放热系数保证了壁温十分接近液体主流的温度。这对于热敏性物料的沸腾特别重要，因为在高温下容易产生聚合或分介。

综上所述，金属多孔表面不但提高了液体沸腾的放热系数，减少了沸腾温差，提高了临界热负荷，而且具有高的抗垢能力，可以在各种苛刻的条件下强化沸腾传热。

目前金属多孔表面管的制法主要有以下几种：

1.烧结法：据Usup3，384，154，其制法是使用适当的粘合剂，使铜粉颗粒粘接在铜管的表面，然后升高温度，粘合剂分解而蒸发，使铜粉粒子烧结在一起，烧结温度以840～850℃为宜。此加工方法虽然多孔层孔隙率较高，为40～60%，但工序多，能耗大，加工成本贵，在高温下铜材容易被退火变形。

又据Usup3，607，369，其制法是将金属铝粉、低熔点金属粉和铝合金粉以及助熔剂与液体有机载体调成糊状物，涂敷于清净过的金属铝表面上;在300°F以下加热脱有机载体，然后在惰性气氛中，在950～1200°F加热，使涂糊料在金属铝表面形成铝多孔层。多孔层应薄于0.125吋，以便酸洗。此法虽然能够加工出多孔铝表面，但加工工艺复杂，成本高，有三废污染。

2.机械加工法：据Usup3，696，861，其制法是采用特殊设计的刀具在铜管表面直接加工成凸起的锯齿状翅片，然后再使翅片弯曲，因而在翅片下面形成许多小孔隙，并且在小孔隙的上面和铜管的外表面相通。该加工方法虽然加工简单，成本较低，但由于是机械加工，因而多孔层的孔隙率仅有30～35%，并且孔径大，在表面张力较小的介质中使用效果不显著。

3.电镀法：据Usup4，018，264，其制法是将含H₂SO₄35克/升，CuSO₄280克/升，铜粉120克/升和粘合剂0.035克/升的混合物，以25升/分的速度循环，在一旋转的铜管阴极上进行电镀，铜管的转速为30转/分，电流密度为25安/厘米²，电镀时间20分钟，得到0.4毫米厚的多孔铜镀层。Usup4，129，181，提出了另一种电镀法，即在一根管子外表面上包一层聚氨酯泡沫塑料，然后在其上面镀铜，铜粉通过聚氨酯的小微孔进入管外壁，形成多孔层，再在300～500℃分解，将聚氨酯除去。形成的孔隙率为40～55%，但孔径较小，因而对表面张力较大的介质使用效果不显著，并且加工工序复杂，投资和能耗均较大。

4.火焰喷涂法：据西德专利DT2227747，其制法是使用火焰喷出铜和锌的粒状混合物，其铜含量85～95%（重量），锌含量5～20%（重量），喷涂时火焰的温度控制在使铜不熔化而锌完全熔化的程度。喷涂后将其浸入10%的盐酸溶液中3小时，使锌溶解，形成多孔表面，再经过水洗干燥即得到铜多孔表面，其孔隙率为30～45%;但不易稳定控制，并且加工工序复杂，加工周期较长，能耗大，有三废污染。由于多孔铜表面不耐腐蚀，又易产生炔铜爆炸和价格昂贵等因素的影响，因而在工业应用上受到一定的限制。工业应用范围较广，价格便宜的铝、不锈钢等多孔层，由于铝粉表面的氧化膜很难去除，因而铝多孔表面的制造是一个难题，而不锈钢多孔层也因不锈钢熔点高，加工也存在一定困难。

本发明的目的是采用火焰喷涂法在碳钢管，合金铝管和不锈钢管表面制造多孔铝、铜、不锈钢等多孔金属表面，扩大多孔表面管的应用范围，降低加工成本，减少有效传热温差，减少传热面积，节约金属用量，降低能量消耗。

本发明的内容是采用特定的火焰喷涂枪，利用特定的氧、乙炔火焰将具有较高结合强度的镍包铝复合粉末，高速地通过火焰而喷射到经过严格清净处理，并且预热过的待加工的管外表面基体上，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，而获得较牢固的结合层。在此基础上再通过控制火焰的温度，将按比例混合好的金属粉（如铝粉、铜粉、不锈钢粉等）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，有机高分子材料粉末被烧掉，这样便可得到具有较高孔隙率的金属多孔涂层。整个喷涂过程是在喷涂床上操作。待加工的管件在支架上转动，喷涂枪沿管件的轴向移动。涂层的厚度和均匀度可由送粉量和喷枪移动的速度来控制。涂层的孔隙率和孔结构可由火焰的大小、金属粉粒度、金属粉与有机高分子材料粉的比例及喷枪与工件的距离来调节。

实现本发明的方法：

1.原材料

（1）镍包铝金属粉末流动性：＜35秒/50克;140～260目（0.113～0.057毫米）

（2）纯金属粉：100～200目（0.147～0.074毫米）

（3）有机高分子材料粉末：200～300目（0.074～0.041毫米）

（4）氧气：工业纯

（5）乙炔气：工业纯

（6）空气或氮气

2.喷涂设备

（1）打砂枪和砂箱：一般的打砂枪和砂箱，用于清除管基体表面的锈污和进行表面糙化处理。

（2）喷涂床：该喷涂床是专为喷涂6米以下工业用金属管的生产而设计制造的，可满足6米以下不同长度不同直径的管材加工。床身能随管的长度随意调整，管材转数0～350转/分。

（3）火焰喷涂枪：为喷涂床的附属设备，用于工件的预热和喷涂镍包铝粉、金属粉，其轴向行进速度为0～1.2米/分。

（4）水帘除尘箱：收集来喷涂到管子上而散失的金属粉末，并减少环境污染。

3.工艺过程

（1）表面处理：采用空气喷砂的办法清除铁锈、氧化皮和油污，使基体表面糙化以增加结合强度。

（2）预热：将处理好的管子立即放在喷涂床上预热，预热要均匀，避免局部过热。预热处理主要是除去水份和改善微焊接条件。预热温度控制在80～150℃。

（3）喷底粉：采用镍包铝粉50～90%（重量）和金属粉50～10%（重量）组成的混合粉作为底粉均匀地喷涂到基体表面上;要控制好火焰，以保证同基体间的结合强度，喷涂厚度为0.07～0.15毫米。

（4）喷金属粉：底层形成之后立即进行多孔层的喷涂。多孔层采用金属粉90～99%（重量）和有机高分子材料粉10～1%（重量）组成的混合粉进行喷涂，操作过程中严格控制各项操作参数，每次喷涂厚度不得超过0.25毫米，涂层的最终厚度由喷涂的次数决定。

4.操作参数的选择

（1）喷涂金属火焰温度：火焰温度直接影响到涂层的结构，当火焰温度过高，涂层的孔隙率相当低，传热效果与光管相差不多;如果火焰温度过低，涂层松散，喷枪喷出生粉，涂层的结合强度太低，无实用价值。推荐火焰温度，铝650～750℃;铜750～850℃;不锈钢850～1000℃。

（2）金属粉的颗粒：金属粉的颗粒度对涂层的孔隙率有一定的影响。颗粒度过大，堆体积虽然小，但粉末在高速通过火焰时，不能加热到所需温度，造成生粉脱落，建立不起多孔层的厚度。如粉末颗粒过小，当粉末通过火焰高温区时容易烧毁;即使没有烧毁，也会由于粉末受热温度过高使粉末完全熔化，并受高速气流冲击而使涂层变形，堵死已形成的孔穴。推荐金属粉颗粒度在100～200目（0.147～0.074毫米）为宜。

（3）金属粉输送量：金属粉输送量也影响涂层的质量。送粉量过大，粉末由于受热不均而夹带大量的生粉，孔隙率虽高，但结合强度低。送粉量过小，孔隙率降低，同时涂层厚度、均匀度也难以保证。在火焰温度、金属粉颗粒度、喷枪移动速度、管子旋转速度等因素一定的前提下，推荐送粉量，以每一趟喷涂产生的涂层厚度在0.15～0.25毫米为宜。

（4）喷枪的喷嘴与管子基体之间的距离

当喷嘴距管子基体过近，粉末受热不足，不易将粉末加热到熔化状态，粉末飞溅损失大，管子基体也容易因温度增高而氧化。如果喷嘴距管子基体过远，喷射到管子基体表面的粉量过小，同时火焰也不能有效地保护粉末。推荐喷嘴与管子基体之间的距离在100～200毫米。

（5）喷枪移动速度与管子的旋转速度

喷枪移动速度与管子的旋转速度要匹配得当，如控制不当，不但会影响涂层的内部结构，而且也影响涂层的外观质量，造成涂层厚薄不均或造成涂层成螺旋状。推荐喷枪移动速度为1.0～2.0米/分，管子旋转速度为200～300转/分。

5.粉末的沉积率

在喷涂粉末的过程中，由于粉末是靠气体引射而喷出，当粉末经火焰高温区时，有部分粉末被烧掉，还有部分粉末因气流的散射未喷涂到管壁上而损失。使用此方法，金属粉的沉积率应大于90%，镍包铝粉的沉积率应大于50%。

6.涂层的强度

涂层的强度影响换热管的使用寿命，表面多孔涂层是处于液体剧烈沸腾状态下工作，因此要求涂层要有良好的耐液体、气体的冲刷能力。用20米/秒流速的水通过喷嘴冲刷表面涂层，喷嘴距管壁10毫米，经过8小时连续冲刷，涂层表面无变化。用压缩空气以110米/秒的速度通过喷嘴，喷嘴距管壁50毫米，经过8小时连续冲刷，涂层表面无变化。

7.涂层质量的保证值

（1）涂层厚度：0.4～0.6毫米;

（2）孔隙率：35～45%

（3）孔径：20～150微米;

（4）外观干净，厚度均匀，不掉粉末;

（5）当热通量为15000～20000千卡/米²·时·℃，比光滑管提高沸腾放热系数5～6倍。

8.检验方法

（1）平均厚度δ：沿管长平均取4～5点（n），测取多孔层外径di，求其算术平均值d平均，

d平均＝ $\underset{\mathrm{i=1}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ di/n

然后求出平均厚度δ，

δ＝-d_平均-d₁）/2

d₁-光管直径

（2）孔隙率ε：指多孔层的空穴容积Vc与总容积VT之比，

ε=V_C/V_T

测量方法参考稀土镁球墨铸铁金相标准。

（3）平均孔穴直径d_o：指多孔层中空穴的平均直径。测量方法是将多孔金属管的一端垂直浸入自由润湿液体中（如丙酮、卤代烷烃等），并量出该液体沿多孔表面的毛细爬升高度，然后按下式计算，

d_o＝4σ/ρh

ρ-液体的密度

σ-液体的表面张力

h-液体沿涂层的表面毛细爬升高度

本发明的特点

1.采用氧、乙炔火焰喷涂法在碳钢、铝、铜、不锈钢等金属管外表面加工出金属多孔表面层，其孔隙率为35～45%，平均孔径20～150微米，平均厚度0.3～0.6毫米，沸腾放热系数比光滑管提高5～6倍。

2.采用有机高分子材料粉作为造孔剂和金属粉按一定比例混合后，通过喷枪进行喷涂，直接得到金属多孔层。此法设备简单，操作方便，成本低廉，无三废污染，并能在不同材质的管外壁加工成不同金属的多孔表面。

按前述方法加工的多孔铝表面的碳钢管，以丙酮为沸腾介质，在常压下进行沸腾传热性能测定，并与光滑碳钢管进行比较，结果如表1、表2所示。

表1 光滑碳钢管沸腾传热数据

表2 铝多孔表面沸腾传热数据

用前述方法加工的多孔铝表面碳钢管，用于乙烯装置的脱乙烷塔塔顶冷凝器，与碳钢光管冷凝器比较，有关数据如表3。

表3 脱乙烷塔塔顶冷凝器有关数据比较

从表3可知，多孔铝表面碳钢管冷凝器比光滑碳钢管冷凝器温差减小219℃，传热面积减小174米²，总传热系数提高1.11倍，沸腾放热系数提高6.3倍。在实际运转过程中，由于改造成多孔铝冷凝器，使塔顶温度降低了2℃左右，因此降低了脱乙烷塔的操作压力1～2千克/厘米²，使塔的回流量较设计值降低约10%，从而节省电能约90万度/年。

Claims (11)

1、一种用于强化沸腾传热、表面具有多孔金属层的金属管的制备方法，包括

a、对金属管表面进行预处理

b、对金属管进行预热，预热温度为80～150℃

c、用氧-乙炔火焰喷枪喷涂底粉，在金属管表面形成底层

d、用氧-乙炔火焰喷枪在底层上喷涂金属-造孔剂混合粉，以形成多孔金属层

其特征在于：所说的底粉为50～90%（重量）的镍包铝粉和50～10%（重量）的金属粉，所说的混合粉为90～99%（重量）的金属粉和1～10%（重量）的有机高分子材料粉。

2、根据权利要求1的方法，所述金属粉是指粒度范围为100～200目（0.147～0.074毫米）的铝粉、铜粉或各种不锈钢粉。

3、根据权利要求1的方法，所述金属管是指碳钢管、铝管、铜管或各种不锈钢管。

4、根据权利要求1的方法，其中所说的镍包铝粉的粒度为140～260目（0.113～0.057毫米）。

5、根据权利要求1的方法，所述的有机高分子材料粉的粒度范围为200～300目（0.074～0.041毫米）。

6、根据权利要求1和2所述的方法，喷涂铝粉、铜粉和不锈钢粉的火焰温度分别是650～750℃，750～850℃和850～1000℃。