CN102618905A

CN102618905A - 强化钛传热元件的制造方法和装置

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Publication number: CN102618905A
Application number: CN2012100773655A
Authority: CN
Inventors: 陶金亮; 史晓平; 魏峰; 胡柏松; 王新亮
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明涉及一种垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造方法和装置。由稳压直流电源，辅助电极，电解池，定位托盘、圆环(或绝缘压槽)，电解液槽，泵和阀门构成阳极氧化装置。通过电化学阳极氧化，以含氟化铵的酸性溶液为电解液，采用恒压阳极氧化工艺，在钛金属表面成功制备出三维立体纳米管阵列强化传热表面。该保护层具有较好的浸润性，尤其是处于纳米级别的管孔可作为汽化核心，起到提高传热效果，降低换热温差的效果，适用于低温差钛制沸腾传热设备中。

Description

强化钛传热元件的制造方法和装置

技术领域

本发明涉及一种钛传热元件的制造技术，特别是涉及一种垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造方法和装置。

背景技术

随着能源的日趋紧张，对化工产业节能、环保以及低碳等技术指标的逐年提高，目前，为提高传热元件的换热能力，人们采用了诸多强化热方法，如内插强化元件法，异形结构法，换热表面处理法等，其中表面处理法能有效地增大传热元件的表面积，加强液体的扰动，强化换热效果显著。例如中国专利CN 90224727.1发明了一种内波纹螺纹管传热元件；该方法在一定程度上有效地提高了换热元件的换热能力。通过浸渍、溅射及等离了体发射等方法，Takata Y等采用纳米TiO₂涂层换热表面的降膜蒸发的传热性能进行了研究，结果在低流率和低热通量范围内强化传热效果显著。大连理工大学在电解液中利用品间和小孔腐蚀原理，在不锈钢内、外表面腐蚀出表面多孔层，以提高传热元件的沸腾换热性能，收到了良好的效果，但该方法显著降低了材料的机械强度。CN85102762公开了一种多孔表面传热元件电化学制造方法：以钢制传热元件为阳极，三氯化铁为电解液，利用小孔腐蚀的原理在传热元件表面生成微孔，以这些蚀孔为汽化核心，可以提高传热效率，降低沸腾温差。

虽然以上各种方法都在一定程度上提高了换热元件的传热性能，但它们都存在制造成本高，且涂层易脱落或降低材料强度的缺陷，尤其是以上各种方法均不适用于钛制换热设备。钛材具有强度高，质量轻，耐腐蚀，无毒的诸多优点，现已被广泛应用于航天、医药、化工、食品等各个领域，尤其是其耐腐蚀的特性，更是为海水淡化领域或含氯离了产品加工行业所青睐。因此加强对钛换热元件的研究开发具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造方法和装置。本发明以含氟化铵的无机酸溶液为电解液，采用直流阳极氧化工艺，在钛或钛合金传热元件表面一步构建出一种具有纳米管阵列分布特征的强化传热表面，本发明提供了钛强化换热管内、外表面的制备方法。本发明得到的该保护层具有较好的浸润性，尤其是处于纳米级别的管孔可作为汽化核心，起到提高传热效果，适用于伴随相变传热的蒸发器、再沸器以及冷凝器的需要。

本发明提供的垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的制造方法是采用稳压直流阳极氧化工艺，使钛金属表面直接生长出强化传热表面，步骤包括：

1)首先，将钛传热元件用有机溶剂(丙酮或酒精)洗涤以去除油污；

2)将质量浓度为0.25％氟化铵和10％硫酸水溶液的电解液注入阳极氧化装置的电解池中；

3)以钛传热元件为阳极，石墨(或其他惰性金属，例如铜)为阴极，进行恒压阳极氧化反应；阳极氧化工艺条件：氧化电压20-60伏特，时间45-75分钟，氧化温度20-40℃；得到垂直导向三维立体纳米管阵列表面钛强化传热元件。

本发明所述的强化钛传热元件为钛换热管或换热板。

本发明提供的所提供的用于制造垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件(换热管)的阳极氧化装置主要包括：稳压直流电源，辅助电极，电解池，定位托盘、圆环(或绝缘压槽)，电解液储槽，泵和阀门。其中稳压直流电源正极接钛传热元件，换热管)，负极接辅助电极，钛传热元件置于电解池中，并通过定位托盘与定位圆环，钛换热管外表面阳极氧化处理)或绝缘压槽(钛换热管内表面阳极氧化处理)加以定位，电解池上电解液溢流口和电解液进口分别通过泵和阀门与电解液储槽连按。

本发明通过阳极氧化工艺，使传统钛传热表面(致密的二氧化钛平面膜)在电场作用下变形为具有立体结构特征的纳米管阵列强化传热表面。该强化传热表面具有如下特征：

传热表面组成物质为二氧化钛，其结构由两部分组成：底部致密阻挡层和上部疏松的纳米管阵列，管壁通过致密阻挡层与钛金属相连；

纳米管为中空管状结构，各纳米管之间存在管间隙，如图1所示。所有纳米管结构尺寸大体相同：h(长度)为500-1000纳米，s(阻挡层厚度)约为20-50纳米；D(纳米管外径)为50-300纳米，t(壁厚)为10-30纳米。

本发明采用含氟化铵的溶液为电解液，其中氟化铵为活性物质，是破坏钛金属表面天然存在的平面型致密二氧化钛保护膜的必须元素；而外加高电压为二氧化钛纳米管的形成提供了动力支持。通过该工艺，可实现对钛制的管式、板式以及其他任意形状的钛制换热强化传热元件的制备。与传统机加工或电化学处理制备的多孔表面不同，本发明的纳米管直接生长于基底金属材料之上，因而不损害材料强度(传统的孔洞存在于基体材料内部)。不仅如此，由于尺寸效应的影响，该传热表面还具有对水完全浸润的特性，同时也极大增加了汽、液、固的接触传热面积。更为重要的是其数以亿计的纳米管管孔可流当汽化核心，从而达到在降低传热温差(10-15％)的同时还能提高钛换热元件传热系数50％以上的目的。故本发明不仅可以适应与液-液介质之间的换热，更适用于有相变产生的再沸器、冷凝器以及蒸发器的需要。

附图说明：

图1为三维纳米管阵列传热强化表面结构示意图。

图2为制备钛传热元件(管)外传热强化表面的电化学阳极氧化实验装置。

图3为制备钛传热元件(管)内传热强化表面的电化学阳极氧化实验装置。

图4为绝缘压槽16和13的结构图(分别见a和b)。

图5为具有纳米管阵列强化表面的钛管示意图(a为外表面强化，b为内表面强化)其中301为钛金属管壁；302为传热表面上部疏松多孔纳米管阵列结构；303为与金属基底紧密相连的致密阻挡层。

图6为传热强化表面的电镜扫描照片。

具体实施方式

下面结合实例及附图进一步叙述本发明，但它不是对本发明进行限制。

钛换热管(外径32mm，壁厚2mm，)内外传热表面的制备：

图2是一种钛换热管外表面阳极氧化制被纳米管阵传热表面装置图。其中1为稳压直流电源，其正极接钛换热管3，负极接第一辅助电极4(石墨阴极)；11为电解池，电解时内充电解液9；电解池底部设一聚乙烯材料制成、中心和周边开孔的定位托盘5(中心孔直径稍大于钛换热管外径，为钛换热管定位，周围开孔为电解液流通孔，数量可任意)；钛换热管3底端和顶端分别由定位托盘5和定位圆环2(由聚乙烯制成，同5一样，开中心孔和电解液流通孔)定位。第一辅助电极(石墨阴极)4放置于定位托盘5上，具顶端由定位圆环2配合固定，以确保阴阳两极同心。钛换热管3的两端用橡皮塞12塞紧，以防止电解液进入钛换热管内部。电解池11顶端开溢流孔，其高度要高于钛换热管的高度，溢流液引入电解液储槽8，电解池11底部开电解液进液口，与泵6和进液第一阀门7相连电解开始前，打开进液第一阀门7，关闭出液第二阀门10，向电解池注入电解液，直到有电解液溢流后关闭泵与第二阀门10。阳极氧化结束后，打开出液第二阀门10，将电解液由电解池11排入电解液储槽8。

图3是一种钛换热管内表面阳极氧化制备纳米管阵列传热表面装置图。其中1为稳压直流电源，其正极接钛换热管3，负极接第二辅助电极(铜阴极)15；16，13分别为上、下绝缘压槽，(其结构分别见图4a和b)。绝缘压槽与绝缘压盖14连接部位开外螺纹(螺纹1601和1301)。通过拧紧压盖14，可保证钛换热管3两端面的密封。绝缘压槽开孔1602和1302与钛换热管配合，其内径略大于钛换热管外径。绝缘压槽开孔1603和1303(分别与电解液溢流口1604和电解液进出口1304相通)，为电解液流通通道；绝缘压槽开孔1605和1305与铜阴极15配合，其内径稍大于铜电极外径，起固定支撑阴极作用。电解液溢流口1604接电解液储槽8相连；电解液进/出口1304与泵6相连。电解开始前，打开进液第一阀门7，关闭出液第二阀门10，向电解池注入电解液，直到有电解液溢流后关闭泵与第二阀门10。阳极氧化结束后，打开出液第二阀门10，将电解液由电解池11排入电解液储槽8。

本发明提供的垂直导向三维立体纳米管阵列表面钛传热元件制造方法包括的步骤：

首先将钛换热管在丙酮或酒精中洗涤以去除油污，然后在蒸馏水中清洗。

将配置好的电解液(含0.25％氟化铵的10％硫酸水溶液，质量浓度)注入电解液储槽；

按实验装置图正确连接阳极氧化实验中的电路部分，调节电压初始值为0

关闭进口第二阀门10，打开进口第一阀门7，启动泵6，直至有电解液溢流回电解液储槽8时，关闭电机与进口第一阀门7。

打开稳压电源开关，缓慢调节阳极氧化电压至30伏特，稳压60分钟，直至阳极氧化过程结束。

关闭电源，打开出口第二阀门10，将电解液排入电解液储槽8。

取下钛管3，在蒸馏水中清洗，去除残留电解液后，室温干燥。

冲洗实验装置，完成制备。

制备后，钛换热管3内/外表面即可获得纳米管阵列传热强化表面，见图5所示，其中301为钛金属管壁，302为具三维立体导向纳米管阵列结构的强化传热表面层

将该传热表面取样，通过SEM，TEM扫描，其形貌如图6所示。电镜照片显示该传热表面中纳米管垂直金属基底且呈阵列分布，纳米管的外径约为100nm，内径为60-70nm，阻挡层(管壁)厚度为15-20nm，高度为650nm左右。

在钛金属表面成功制备出三维立体纳米管阵列强化传热表面。该保护层具有较好的层润性，尤其是处于纳米级别的管孔可作为汽化核心，起到提高传热效果，降低换热温差的效果，尤其适用于低温差钛制沸腾传热设备中。

Claims

1.一种强化钛传热元件的制造方法，采用稳压直流阳极氧化工艺，使钛金属表面直接生长出强化传热表面，其特征在于包括的步骤：

1)将钛传热元件用有机溶剂洗涤以去除油污；

2)将含有质量浓度为0.25％氟化铵和10％硫酸水溶液的电解液注入阳极氧化装置的电解池中；

3)以钛传热元件为阳极，石墨或其他惰性金属为阴极，进行恒压阳极氧化反应；阳极氧化工艺条件：氧化电压20-60伏特，时间45-75分钟，氧化温度20-40℃；得到垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的有机溶剂为丙酮或酒精。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的钛传热元件为钛换热管或换热板。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的垂直导向三维立体纳米管长度为500-1000纳米，阻挡层厚度约为20-50纳米；纳米管外径为50-300纳米，壁厚为10-30纳米。

5.一种用于制造垂直导向三维立体纳米管阵列表面强化钛传热元件的阳极氧化装置，其特征在于它主要包括：稳压直流电源，辅助电极，电解池，定位托盘、定位圆环或绝缘压槽，电解液储槽，泵和阀门；其中，稳压直流电源正极接钛传热元件，负极接辅助电极，钛传热元件置于电解池中，并通过定位托盘与定位圆环或绝缘压槽加以定位，电解池上电解液溢流口和电解液进口分别通过泵和阀门与电解液储槽连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的定位托盘的中心和周边开孔。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的绝缘压槽有开孔。