CN105115349B - 一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺，涉及一种化工领域的涂层换热器，该防腐防垢涂层包括内层连接层和外层钛纳米层，连接层中添加阴离子表面活性剂和强导热性的金属元素，起到传热和防止外层脱落的作用，钛纳米层表面光滑，不易水垢结集，具有防腐防垢的功能。该涂层可涂覆在各种换热器传热部位，能改善换热管或换热板易腐蚀易结垢的现象，并且表面涂层不易脱落，同时能提高换热效率，增加换热器的使用寿命。

Description

一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺

技术领域

本发明涉及一种化工领域的换热器，特别是一种带涂层的换热器，尤其是一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺。

背景技术

换热器广泛应用于石油化工、煤化工、氧化铝、电厂、清洁能源利用等工业过程中，它由换热管或换热板与壳体共同连接构成。在用于液体工质换热时，尤其是液体工质中含有易腐蚀易结垢的物质，换热器长期运行过程中会出现结垢腐蚀现象，会给企业生产带来巨大的损失。

目前工业上使用的液体换热器通常采用不锈钢材料，尽管大大增加了材料成本和制造成本用来减少腐蚀，但仍然不能从根本上解决防腐问题，如果液体中硫离子、氯离子含量稍高，仍会在其焊缝处造成孔蚀现象，导致壳体、换热管或换热板失效。

工业上使用的换热器面临的另一大难题是内部结垢问题。液体中存在有各种盐类，随着温度的升高，溶解度降低，会在换热器内沉积下来，日积月累在换热器内表面形成一层致密、坚硬的水垢。由于水垢的传热系数极低，因而换热器的热效率不断下降。此外水垢长期在换热器内部积聚，还会堵塞进出水管，造成出水不畅或不能出水的问题，定期清理使企业耗费大量人力、物力。因此，防腐防垢换热器的开发一直是换热器发展的一个重要方向。

以往制造厂解决防腐和结垢问题，常采用的方法有：(1)Ni-P镀膜处理，但会污染环境；(2)渗氮技术耐蚀性较好，但难以解决结垢和高温处理后导致管材脆性变大的问题；(3)引进国外技术和涂料，虽然效果较好，但价格昂贵，也难以普及；还有其它一些方法，但均存在不足之处。

随着纳米技术和材料技术的发展，用纳米材料加工、合成生产的系列防腐防垢涂层具有常规涂料所不可比拟的特点和优势，应用于工业系统也仅开始不久，现有的换热器涂层技术不完全成熟，主要问题集中在表面处理和制造工艺上，工业实际应用中会出现涂层的脱落，仍不能满足长周期运行的目标。

有鉴于上述现有换热器存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的防腐防垢涂层换热器，能够改进现有换热器使用时易腐易结垢的问题，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺，所要解决的技术问题是在换热器的换热管或换热板上涂覆具有防腐防垢功能的涂层材料，改善换热管或换热板易腐蚀易结垢的现象，并且表面涂层不易脱落，同时能提高换热效率，增加换热器的使用寿命。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

依据本发明提出的一种防腐防垢涂层换热器，其中，所述的防腐防垢涂层包括连接层和钛纳米层；其中，连接层为内层，厚度为40-80nm，钛纳米层为外层，厚度为50-150nm；连接层中添加阴离子表面活性剂和导热性较强的金属元素。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的一种防腐防垢涂层换热器，其中，所述的金属元素至少为锌元素、银元素、钛元素中的一种。

前述的一种防腐防垢涂层换热器，其中，在换热器内壁和换热管或换热板的表面涂覆防腐防垢涂层。

前述的一种防腐防垢涂层换热器，其中，所述的防腐防垢涂层可涂覆在各种金属材质和管形的换热管或换热板上形成防腐防垢换热器，如不锈钢光管、碳钢光管、铜光管、不锈钢扭曲管、碳钢扭曲管等。

前述的一种防腐防垢涂层换热器，其中，所述的涂层的涂覆方法可以是现有通用的方法，如浸渍法、喷涂法、刷涂法、磁控溅射法等。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。

依据本发明提出的一种防腐防垢涂层换热器的制作工艺，其中，所述的制作工艺包括以下步骤：

(1)除锈抛光抛光达到100nm；

(2)清洗在超声波的作用下，于40-60℃液体环境中，将换热管或换热板先碱洗10-15min，再酸洗2-3min，然后用蒸馏水冲洗干净；

(3)干燥将干净的换热管或换热板置于超声波醇类溶液中5-10min，快速吹风干燥；

(4)喷涂连接层将步骤(3)处理后的换热管或换热板进行喷涂,喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与金属基体充分融合；

(5)烘烤固化利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温至烘烤温度，再逐步降温至室温；

(6)清洗用蒸馏水清洗，此时表面粗糙度小于50nm；

(7)喷涂钛纳米层将氟钛酸铵、硼酸分别配制成均一的溶液，过滤得到澄清溶液，将步骤(6)处理后的换热管或换热板进行喷涂；喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与钛纳米层充分融合；

(8)烘烤固化利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温至烘烤温度，再逐步降温至室温；

(9)清洗用蒸馏水清洗，此时涂层表面蒸馏水接触角为89.2度，表面能为30.5mJ/m²。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

(1)该涂层采用双层结构，增加了过渡连接层，不易发生局部涂层脱落，可靠性高；

(2)该涂层的连接层中富含金属元素，导热性能好，能将换热器的换热效率提高10％-30％；

(3)该涂层具有致密的分子结构，耐腐蚀耐磨的性能强，摩擦系数小，表面能低，从而有效抑制了换热管或换热板的表面结垢，提高了传热效率，延长了使用寿命。

综上所述，本发明一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果,诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明一种防腐防垢涂层换热器的制作工艺流程图。

图2是本发明防腐防垢涂层换热管的结构简图。

图3是本发明防腐防垢涂层换热板的结构简图。

【主要元件符号说明】

1：金属表面

2：连接层

3：钛纳米层

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明一种防腐防垢涂层换热器及其制作工艺，所采用的技术方案是：在换热器内壁和换热器传热部位(换热管或换热板)的表面各涂覆一层具有防腐、防垢、导热效果的钛钠米涂层。钛纳米涂层具有优越的防腐性能，用于换热器内壁不但可以有效解决不锈钢换热器内部焊缝腐蚀的问题，还可用其他钢材代替不锈钢，大大降低成本，且可取得更好的防腐效果。并且钛纳米涂层表面光滑，不易水垢结集，使水垢呈细碎状析出而不附着在换热器内部形成水垢层。

本发明使用前需要对添加涂层的部位做特殊的表面处理，这也是本发明的一个核心技术，通过特殊的表面处理，有利于涂层与金属本体的结合，形成牢固的表面层，不易在高温下受热脱落。

特殊表面处理所采用的技术方案为：在钛纳米层的内部先添加一层连接层，该连接层主要用于对已处理的换热管或换热板金属表面和钛纳米层的连接，形成一个过渡的作用，强化钛纳米涂层整体的牢固性。连接层中加入表面活性剂，以降低涂层的表面张力，使涂层容易在换热管表面涂覆均匀，提高金属表面质量。同时在连接涂层中添加金属元素，提高连接层导热性。连接层中的表面活性剂是阴离子型表面活性剂，例如烷基磺酸盐或硫酸酯盐等；连接层中添加的金属元素为导热性较强的金属元素，例如锌、银、钛等。

本发明的防腐防垢导热涂层可涂覆在各种金属材质和管形的换热管或换热板上形成防腐防垢换热器，如不锈钢光管、碳钢光管、铜光管、不锈钢扭曲管、碳钢扭曲管等。

综上，本发明所述的防腐防垢导热涂层包括两层，内层为连接层，外层为钛纳米层。内层连接层添加阴离子表面活性剂和导热性较强的金属元素，主要是强化外层整体的牢固性，防止外层脱落，并具有导热性；外层是钛纳米层，主要是形成一层相当光滑的防腐防垢层，将金属换热管或换热板与液体工质隔离起来。

本发明所述涂层的涂覆方法可以是现有通用的方法，如浸渍法、喷涂法、刷涂法、磁控溅射法等；换热管的管材可为铜、钢等，管形可为普通光管或各类异形强化管，翅片管需要做另外的特殊处理和涂覆方法。

本发明的创新点在于：现有技术的工艺流程主要是用于单层涂层技术，本发明的工艺流程主要是用于两层涂层。原有的涂层技术最重要的是前期表面处理，需要抛光至表面粗糙度50nm以下，才能提高涂层的可靠性，但是从100nm到50nm属于精抛，成本较高，劳动强度高，同时无法保证所有位置粗糙度的一致性。而本发明提出了两层涂层技术，增加连接层，连接层对表面粗糙度的要求不高，100nm即可，在不增加传热阻力的情况下，提高了涂层的可靠性，降低了劳动强度。

本发明所述防腐防垢涂层换热器的制作工艺为：

(1)除锈抛光

主要包括对换热管、换热板喷砂除锈，抛光达到100nm即可。

(2)清洗

在超声波的作用下，于40-60℃液体环境中，先碱洗10-15min，再酸洗2-3min，这样可以充分保证表面细微凹槽内部也清洗干净，干净的凹槽有利于连接层的融合，然后用蒸馏水冲洗干净。

(3)干燥

将干净的换热管或换热板置于超声波醇类溶液中5-10分钟，快速吹风干燥。

(4)喷涂连接层

连接层中添加的表面活性剂是阴离子型表面活性剂，例如烷基磺酸盐或硫酸酯盐等；连接层中添加导热性较强的金属元素，例如锌、银、钛等，优选钛。喷涂方法根据需要选用常规喷涂方法。喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与金属基体充分融合。连接层的涂层厚度为40-80nm。

(5)烘烤固化

利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温至烘烤温度，再逐步降温至室温；

(6)清洗

用蒸馏水清洗，此时表面粗糙度小于50nm。

(7)喷涂钛纳米层

将化学纯的氟钛酸铵、分析纯的硼酸分别配制成均一的溶液，并过滤杂质得到澄清溶液，经混合制得的混合液中氟钛酸铵、硼酸的浓度分别为0.5mol/L和0.07mol/L。喷涂方法根据需要选用常规喷涂方法。喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与钛纳米层充分融合。钛纳米层厚度为50-150nm。

(8)烘烤固化

利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温至烘烤温度，再逐步降温至室温；

(9)清洗

用蒸馏水清洗，此时涂层表面蒸馏水接触角为89.2度，表面能为30.5mJ/m²。

上述如此方法制成的本发明一种防腐防垢涂层换热器的技术创新，对于现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种防腐防垢涂层换热器，该换热器内壁和换热管或换热板的表面涂覆有防腐防垢涂层，其特征在于：所述的防腐防垢涂层包括连接层和钛纳米层；其中，连接层为内层，钛纳米层为外层；所述的连接层中添加阴离子表面活性剂和金属元素，所述的金属元素至少为锌元素、银元素、钛元素中的一种；

所述防腐防垢涂层在所述换热器上的涂覆工艺为：

(1)除锈抛光抛光达到100nm；

(2)清洗在超声波的作用下，于40-60℃液体环境中，将换热管或换热板先碱洗10-15min，再酸洗2-3min，然后用蒸馏水冲洗干净；

(3)干燥将干净的换热管或换热板置于超声波醇类溶液中5-10min，快速吹风干燥；

(4)喷涂连接层将步骤(3)处理后的换热管或换热板进行喷涂连接层,连接层的喷涂厚度为40-80nm；

喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与金属基体充分融合；

(5)烘烤固化利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温到烘烤温度，再逐步降温至室温；

(6)清洗用蒸馏水清洗，此时表面粗糙度小于50nm；

(7)喷涂钛纳米层将氟钛酸铵、硼酸分别配制成均一的溶液，过滤得到澄清溶液，经混合制得的混合液中氟钛酸铵、硼酸的浓度分别为0.5mol/L和0.07mol/L；

将步骤(6)处理后的换热管或换热板进行喷涂钛纳米层，钛纳米层的喷涂厚度为50-150nm；喷涂完毕后，开展均质化处理，通过旋转或高频振动实现连接层与钛纳米层充分融合；

(8)烘烤固化利用电加热炉对喷涂均质处理后的产品进行加热烘烤，烘烤温度在300-600℃，从室温逐步升温至烘烤温度，再逐步降温至室温；

(9)清洗用蒸馏水清洗，此时涂层表面蒸馏水接触角为89.2度，表面能为30.5mJ/m²。