CN106583214A - 用于生产具有改善的涂层性质和其一致性的涂层组合物的新颖方法 - Google Patents

用于生产具有改善的涂层性质和其一致性的涂层组合物的新颖方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于在导管上产生涂层的方法。所述方法包括旋转所述导管，同时通过以受控速度从所述导管回缩出来的喷嘴将受控量的浆料注射到所述导管的内径表面上。与常规涂布方法相比，所述方法提供改善的涂层性质的再现性和重复性。

Description

用于生产具有改善的涂层性质和其一致性的涂层组合物的新 颖方法
发明领域
本发明涉及用于沿一个或更多个表面施加浆料以生产具有增强的传热的金属多孔涂层的新颖方法。更具体地，所述方法导致产生具有更好的再现性和涂层厚度的控制的多孔涂层组合物。
发明背景
热交换器被用于各种工业过程中，以通过间接热交换在两种或更多种流体之间传递热量。热交换器有不同的设计。例如，一种热交换器设计通常被称为壳管式设计，在其中一种流体流动通过管并且另一种流体在管的外部但在保持管的壳体的内部流动。流体可以是液体、蒸气或其组合。此外，壳可由在其中待进行传热的其它设备，例如蒸馏塔形成，或与上述其它设备整合。
在另一种类型的设计(称为板翅式热交换器)中，通常称作分隔片的一系列板在它们各自的边缘处通过封条(end bars)和翅片来连接，以增强板之间的传热。与板连接的高位槽将工艺流体和/或工作流体引入板之间形成的通道中，以实现流体之间的间接热交换。
在其中一种流体是待在热交换器的沸腾侧表面被煮沸的液体的情况下，可沿沸腾侧表面使用多孔涂层，以促进响应于将发生流体沸腾的给定温度差通过给定表面每单位表面积的传热(即，热通量)。例如，美国专利第4,917,960号公开由含有以下物质的水溶液形成的涂层：粘合剂，例如铬酸盐和磷酸盐的混合物；和短效或瞬时(transient)成孔材料，例如聚酯；以及铝颗粒。可将所述涂层作为浆料施加到热交换表面的表面上。通过热或化学溶剂去除短效层形成所得多孔层。所得多孔涂层的孔隙率可在介于20％和90％的范围内。孔径大小可在介于20微米和60微米的范围内。浆料的铝颗粒的平均直径可小于4微米。
传热效率通常用来估定多孔涂层的性能。如此处和整篇说明书中所用，所述性能由温度差ΔT(等于T1-T2)定义，其中T1定义为工作流体的温度，并且T2定义为待加热到其预定温度(例如，沸点)的工艺流体的温度。具有相对较低的ΔT的涂层将被认为是性能更好的，这依靠其促进针对给定输入量的热源向工艺流体的更多的传热的能力(如位于壳管式热交换器设计的壳侧的气体，其具有比在壳管式热交换器的管内流动的工艺流体的温度高的温度)。涂层的改善的性能至少部分由ΔT的减小定义。如将在下文更详细解释的，传热效率被用于估定用于各种应用的多孔涂层的涂层性能，所述应用包括热量借以从热源传递到流体以使其沸腾的沸腾传热应用。
一般来说，美国专利第4,917,960号中公开的涂层是具有ΔT不可接受地高的缺点的常规涂层的代表。换句话说，需要将大量热能传递到沸腾表面以使工艺流体沸腾，这转换成具有过高动力消耗的低效过程。
当前可用的用于沿热交换器导管(例如，管)的内表面施加粉末和/或浆料组合物的方法可引起所得多孔涂层厚度的显著变化，从而导致不可接受的性能变化。例如，当前方法倾向于沿热交换器管的内表面产生涂层缺陷，例如图6a中的“气孔”和图6e中的“滑挂”，以及还如图6a-6f中所示的许多其它涂层缺陷(例如，图6b中的不良的粘合，图6c中的光秃点，图6f中的分层和图6d中的剥落)，任何一种缺陷最终都可降低和/或降级多孔涂布的沸腾表面的性能。
当今用于施加粉末和/或浆料组合物的方法不能可靠地生产一致的多孔涂层。例如，常规喷涂方法不能生产沿热交换器表面具有均匀厚度的多孔涂层。当多孔涂层是沿倾向于难以涂布的导管或管状结构的内径表面施加时，所述问题甚至更具挑战性。由于对于新兴应用热交换器导管的内径变得更小，沿其的涂层的一致性和厚度均匀性用当前可用的方法变得越来越难以实现，并且在许多情况下，可能无法实现。最终结果是低效并且需要增加的动力消耗来进行操作的传热应用。鉴于这些缺点，对于用于施加浆料和/或粉末组合物以便以受控和可再现的方式生产一致多孔涂层组合物的改善方法的需要仍然未得以满足。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供用于将涂层施加到导管的内径表面上的方法，所述方法包括：将浆料配制物给料到浆料储罐中，所述浆料储罐可操作地连接到注射喷嘴；将所述注射喷嘴以向前的方向引入导管中，所述导管至少部分由在第一端与第二端之间延伸的纵向长度限定；将所述注射喷嘴配置到所述导管内的第一位置，所述第一位置限定为所述注射喷嘴的第一端与所述导管的第一端基本上对齐；从所述浆料储罐泵送所述浆料并通过所述注射喷嘴以便从所述注射喷嘴的第一端朝向所述导管的内表面排放浆料；检测排放的浆料；并且旋转所述导管，从而使所述排放的浆料沿所述导管的内表面基本上均匀地铺展和分布；以及以预定给料速率回缩所述注射喷嘴，所述回缩以与所述向前的方向相反的反向发生。
在本发明的第二方面中，提供用于将涂层施加到导管的内径表面上的方法，所述方法包括：将浆料配制物给料到浆料储罐中；将注射喷嘴以向前的方向引入导管中；将所述注射喷嘴配置到所述导管内的第一位置；从所述浆料储罐泵送所述浆料并通过所述注射喷嘴以便朝向所述导管的内表面排放浆料；旋转所述导管，从而使所述排放的浆料沿所述导管的内表面基本上均匀地铺展和分布；以及在旋转所述导管的同时以预定给料速率回缩所述注射喷嘴，所述回缩以与所述向前的方向相反的反向发生。
本发明可包括待在本文中公开的各种组合和实施方案中的任何方面。
附图简述
本发明的目的和优点从其优选实施方案的以下详细描述结合附图将更好地得到理解，通篇相同的数字表示相同的特征，且其中：
图1示出了根据本发明的方法用于施加多孔涂层的方块流程图；
图2a示出了在体现本发明的原理的透视图中的示例性涂布设备；
图2b-2g示出了图2a的涂布设备的放大部分，具体地：
图2b示出了浆料注射喷嘴的放大图；
图2c示出了浆料泵的放大图；
图2d示出了浆料储罐和具有电动机的注射喷嘴的放大图；
图2e示出了延伸到待涂布的管中的浆料注射喷嘴；
图2f示出了浆料检测传感器和辊驱动器；
图2g示出了配置为干燥通过喷嘴施加的涂层的对流加热器；
图3a-3d示出了图2a的涂布设备的简化侧视图，意在展示注射喷嘴进入待涂布的管中的向前移动以及注射喷嘴从待涂布的管中出来的向后移动，由此注射喷嘴在其移动期间与管基本上同轴对齐，具体地：
图3a示出了在开始涂布过程之前在其起始位置的注射喷嘴；
图3b示出了注射喷嘴沿待涂布的管从图3a的位置进一步前进的移动；
图3c示出了位于管的末端或边缘的喷嘴的末端或尖端，从而将喷嘴置于准备开始涂布过程的定向；
图3d示出了在管旋转下在喷嘴将涂层施加到管上时注射喷嘴从管中出来的向后移动；
图3e示出了图2a的涂布设备的简化图，其中使用空气和对流热从沿内径表面含有的涂层蒸发溶剂；
图4示出了与通过常规喷涂方法施加的常规多孔涂层相比通过本发明的方法施加的多孔涂层的厚度变化；
图5示出了在各个热通量输入下本发明的滚动方法与常规喷涂方法之间性能数据的比较；
图6a、6b、6c、6d、6e和6f示出了常规多孔涂层中的典型涂层缺陷，包括气孔(图6a)；不良的粘合(图6b)；光秃点(图6c)；剥落(图6d)；滑挂(图6e)；和分层(图6f)；
图7示出了用于评价涂层性能的池沸腾装置布置；
图8示出了池沸腾性能试验的试验流程图；
图9a-9e示出了根据本发明的原理的备选滚动方法步骤，其中管的旋转在注射喷嘴前进到管中之前开始，具体地：
图9a示出了在管旋转下在开始涂布过程之前在其起始位置的注射喷嘴；
图9b示出了在管旋转下沿待涂布的管从图9a的位置进一步前进的注射喷嘴；
图9c示出了在管旋转下位于管的末端或边缘的喷嘴的末端或尖端，从而将喷嘴置于准备开始涂布过程的定向；
图9d示出了在管旋转下注射喷嘴从待涂布的管中出来的向后移动；
图9e示出了图2a的涂布设备的简化图，其中使用空气和对流热从沿内径表面含有的涂层蒸发溶剂；
图10a和10b示出了根据本发明的原理的示例性大量制造方法，和具体地：
图10a示出了用于大量生产的第一涂布台，其可具有图2a-2g中所示的结构和组件，以便如通过本发明的方法(例如，作为实例，图3a-3d或图9a-9d中的方法)所述地施加浆料；并且
图10b示出了专用于干燥涂层的第二涂布台；
图11a、11b和11c示出了根据本发明的原理的备选大量制造方法，其中
图11a示出了第一滚动台，其具有沿其而设的第一批管，所述管显示为通过泵涂布，所述泵配置为在图11a、11b和11c的滚动台之间移动；
图11b示出了从图11a的滚动台前进到图11b的另一滚动台的泵，其中沿图11b的滚动台而设的第二批管显示为正在被涂布；并且
图11c示出了第三滚动台，沿其具有第三批待在完成第二批管后涂布的未涂布管。
发明详述
本发明的优点结合其实施方案的以下详细描述将更好地得到理解。公开内容在本文中在各个实施方案中并参照本发明的各个方面和特征进行陈述。应当理解的是，体现本发明的特定涂布方法作为例示而不是作为对本发明的限制示出。本发明的原理和特征可以各种排列和组合在各个和众多实施方案中使用，而不背离本发明的范围。公开内容可以进一步指定为包含这些具体特征、方面和实施方案的此类组合和排列中的任一种或者其选定的一种或多种，由其组成或基本上由其组成。
所有百分比在本文中均表示为重量百分比，孔隙率除外，其基于体积表示。如此处和整篇说明书中所用，“预混合浆料”是指将金属、陶瓷或其它类型的粉末与粘合剂和载体或溶剂混合以产生适合于底材具有预定粘度的浆料配制物，所述浆料配制物沿所述底材涂布。如此处和整篇说明书中所用，“底材”是指可向其施加涂层的任何表面，包括(作为实例)传热表面，例如热交换器管的导管的内径表面和/或外径表面。“导管”是指任何类型的任何形状的管状结构，包括(作为实例)管、管道、通道、输送管(duct)或槽(trough)。
可使用本发明的方法沿底材的内径表面施加任何涂层。在一个实施方案中，底材是导管。涂布方法被描述为可用于将任何合适的涂层施加到导管的内表面上的滚动方法。在一个优选实施方案中且如将要描述的那样，导管是冷凝器管或热交换器管，并且涂层是通过滚动设备被施加到管的内径表面上的多孔涂层。
图1示出了根据本发明的原理的涂布方法100的一个方面。示例性滚动设备示于图2中。滚动设备200以其整体示于图2a中，并且包括注射喷嘴201；蠕动式泵202；给料器电动机203；辊204；加热元件205；空气流装置206；以及浆料储罐207。图2b-2g示出了设备200的各个这些组件的放大图。现将参照图1的方块流程图；图2a-2g；以及图3a-3e来描述执行涂布方法100的步骤顺序。应当指出的是，图3a-3e出于更清楚地描述根据本发明的原理通过其执行涂布步骤的方法的目的有意地省略了图2a-2g中所示的涂布设备200的结构细节。
一般来说，将各种组件组装在一起并放置到支撑结构209上以产生如图2中所示的设备200。将预混合浆料的成分装载到浆料储罐207中。图3a示出了在开始涂布过程100之前在其起始位置的注射喷嘴201。注射喷嘴201定位于管208的外部。优选地，注射喷嘴201与待涂布的管208具有基本上相同的纵向长度。注射喷嘴201可以向前的方向(如由图2a的箭头所示)和与所述向前的方向相反的反方向移动。注射喷嘴201的外径小于管208的内径，以允许注射喷嘴201在其中移动。注射喷嘴的前进到管208中就可以开始。将给料器电动机203的给料器速度设置为预定水平，以允许注射喷嘴201从图3a的位置受控移动到图3b的位置，并且最终图3c的定向。优选将注射喷嘴201引入管208中，以使其与管208优选同轴对齐；并且使喷嘴201与待涂布的管208的表面之间存在相等横向间距。当注射喷嘴201已经前进到图3c中所示的位置(其中喷嘴201的末端或尖端位于管208的末端或边缘)时，可以开始涂布。具体地，将泵202激活到预定泵送速率(体积/分钟)，以从浆料储罐207泵送浆料。当浆料开始从注射喷嘴203的尖端流动时，嵌入在辊末端(由空气流量计定位)的运动传感器210(图2f)就能检测到。响应于检测到离开喷嘴排放的浆料(图3c)，辊204以预定的rpm被激活，以开始管208的旋转。管208的旋转允许从注射喷嘴201的尖端排放的浆料沿管208的内径表面基本上均匀地铺展和分布。在管208的旋转下，使注射喷嘴203以受控的给料速率(英寸/秒)反方向回缩，以确保涂层沿管208的整个纵向长度基本上均匀地施加到管208上。如图3d中所示，在管208的继续旋转下，浆料继续从浆料储罐207泵送通过喷嘴203。浆料从喷嘴203继续排放到管208的内径表面上，直到注射喷嘴201已经回缩到管208的末端，所述末端与图3c中的开始泵送浆料时最初涂布的管的末端相对。当管208的内径的整个表面已被涂布(图3e)上涂层211时，关闭泵和给料器。涂层211通过经由管208引入空气流并激活用对流加热元件205(图2g)的外部对流加热进行干燥，所述对流加热元件205在管208的外部周围沿其外径配置以蒸发涂层211中的溶剂，从而开始固化和烧结涂层的过程。加热和空气流可以同时或以逐步方式发生。在一个实施方案中，开启空气流，并随后接着进行对流加热。为确保所得涂层211中的溶剂或载体的蒸发，加热可进行范围为约10-约60分钟，并且更优选约30-约60分钟的总持续时间；并且空气流可以约10-约50标准立方英尺每小时(SCFH)，并且更优选约10-约20SCFH的流速发生。
在蒸发溶剂后，可对涂布管208进行烧结。可使用本领域中认可的涂布管208的合适的烧结条件以达到最终定型(finalized)的涂层形态。作为实例，可在烘箱中使用两步烧结法，其中将涂布管28加热到第一中间温度持续规定的时间，接着在较高的温度下进行最后的加热步骤持续规定的时间，作为达到所得涂层208的最终定型状态的方法。这种两步烧结法的一个代表性实例包括在空气中在约450℃下加热约1小时，接着在氮中在约580℃-约620℃下加热约1小时。
以这种方式，如参照图1、图2a-2g和图3a-3e所述，本发明的方法100与例如喷涂方法、喷涂和浸涂的常规涂布方法相比允许实现涂层211沿管208的内径表面的改善的均匀性、均质性和分布。
应当理解的是，图1中所示的步骤顺序是出于大体显示过程100的目的而示出，不一定限于方块流程图中所示的特定顺序。作为实例，如图3c中所示，管208的旋转可以在注射喷嘴203前进到管208的末端之前开始。在这方面，图9a-9e示出了其中管208的旋转在将喷嘴203引入管208中之前开始的备选实施方案。具体地，图9a示出了在管旋转下在开始涂布过程之前在其起始位置的注射喷嘴；图9b示出了在管旋转下沿待涂布的管从图9a的位置进一步前进的注射喷嘴；图9c示出了在管旋转下位于管的末端或边缘的喷嘴的末端或尖端，从而将喷嘴置于准备开始涂布过程的定向；图9d示出了在管旋转下注射喷嘴从待涂布的管中出来的向后移动；并且图9e示出了图2a的涂布设备的简化图，其中使用空气和对流热从沿内径表面含有的涂层蒸发溶剂。
此类步骤重排包括在本发明内，并不背离本发明的范围。
应当理解的是，滚动设备200是通过其可进行本发明的涂布方法的一个实例。预期其它设备和其变型也可考虑用于实施本发明。作为实例，蠕动式泵202可用适合用于加压和泵送不同粘度的浆料的另一种常规泵代替。另外，可使用其它合适的加热元件来蒸发涂层211中的溶剂或载体。
申请人已经确定用于执行滚动涂布方法100的若干个涂布参数，包括涂布时间；给料器速度；以及浆料泵送速率。在一个实施方案中，方法100以如下参数执行：在涂布(即，喷嘴回缩)期间范围为约0.6-约0.9英寸/秒的喷嘴移动的给料器速度；范围为约47-约67ml/min的浆料泵送速率；并且56-88g的所得重量增加量，且范围为约12-约16密耳的对应的涂层厚度。管28可以选定的rpm旋转，所述rpm选择为减少或阻止颗粒偏析并阻止由产生过低或过高的离心力的rpm值造成的多孔结构和形态的任何显著变化，从而保持涂层的结构完整性和涂层对底材表面的粘附。在这方面，发明人发现，管28可以范围为约100-约1000rpm，优选约200-约400rpm，并且更优选约250-约350rpm旋转。
涂布参数的确切组合至少部分取决于浆料组合物及其性质，包括粘度，以及所需的生产量(production throughout)(即，每给定单位时间待需要涂布的管208的数量)。
可使用本发明的滚动方法施加各种浆料。在一个优选实施方案中，本发明的方法使用具有如共同待审的美国专利申请案卷号13943(所述申请的公开内容通过参考以其整体并入本文中)中所述的组成的浆料材料，以产生其中所述的多孔涂层。在一个实施方案中，使用根据本发明的滚动方法以在冷凝器管的内径表面上产生具有由以下参数限定的涂层规格的涂层：约40μm的平均直径粒度；范围为约12-约16密耳的涂层厚度；约8-约12μm的中值孔径；并且以涂层的总体积计占涂层的约40％-约60％的总孔隙率。
申请人发现，使用本发明的滚动方法100用其中描述的浆料和涂层可导致优于常规多孔涂层的性能。然而，应当理解的是，本发明也可使用其它涂层并达成以下有益结果：在优良形态和沿涂布导管减小的厚度梯度方面改善的涂层一致性；以及各涂层间涂布导管的再现性。
图4表明本发明的滚动方法相对于常规喷涂方法沿管的内径表面产生较小的涂层厚度变化。结果表明，与通过常规喷涂方法产生的那些涂层相比，通过本发明产生的涂层的厚度变化彼此偏差基本上更小。在这方面，本发明的标准差测定为0.67密耳，而喷涂方法的标准差测定为4.46密耳。这表示变化减小大约85％。
发明人发现，本发明一致地生产具有极小变化的涂层厚度的能力用以产生较小的性能上的变化。在这方面，图5显示，矩形形状的点代表本发明，而较小的矩形形状的点代表常规喷涂方法。称为“喷涂的平均ΔT性能”的线代表对于各热通量输入常规喷涂方法的平均ΔT。与常规喷涂方法相比，对于约2000-约5000Btu/hr-ft2范围内的各热通量输入，本发明产生显著更小的ΔT变化。沿管的内径表面的ΔT的减小转换成确保一致涂层性能的能力。结果表明，在各热通量下，本发明在涂布的底材内表现出显著降低的性能变化(即，沿管的整个纵向长度ΔT变化的减小)。当沿单个管的内径表面施加任何多孔涂层时均表现出有益结果，并且沿使用本发明的方法的管的顶部、中间部分和底部均表现出极小的厚度变化。本发明的性能上(如通过对于给定的热通量输入源较低的ΔT所指示)的更严格的控制可以归因于沿管的纵向长度的内表面的厚度上的更好控制。
优选地，相对于图5，本发明的涂布参数可进行优化，以将涂层厚度进一步降低到在申请人的共同待审的申请案卷号13943中所述的那些值，从而进一步降低ΔT，并且因此最大化传热效率，并且与常规涂布方法(包括用于施加常规涂层的喷涂方法)相比，这样做会实现更高的再现性(在涂布底材内变化更小)和一致性(各涂层之间变化更小)。由本发明提供的各管之间和在管内的涂层再现性和一致性的更好控制使得涂层缺陷(例如，气孔和滑挂)更少。
在另一个实施方案中且如图10a和10b中所示，本发明的原理可以结合到大量生产方法1000中，以沿其各自内径涂布多个管208。参考图10a，涂布台1001可具有图2a-2g中所示的结构和组件，以便如通过本发明的方法(例如，作为实例，图3a-3d或图9a-9d中的方法)所述地施加浆料。出于清楚起见，如图1的方法100中所示的步骤顺序已被有意地省略，以例示可使用本发明来涂布生产多个管208的方式。在这方面，为以高生产量涂布一批管208，可使用多个辊204，并且可使用单个驱动器(例如，曲柄和齿轮)机构(mechanism)以旋转所有辊204，以使在涂布台1001上涂布的所有管208同时旋转。其它变型可以考虑用于如图10a中所示的多个管208的涂布。
在图10a中的涂布多个管208之后，将管208转移到第二滚动台1002。沿各管208的涂层208不完全干燥。相反，第二滚动台1002可以专门用于干燥施加的涂层211，以便如图3e和9e中所执行的蒸发溶剂。在这方面，滚动台1002专用于将空气注入涂布管208中并加热管208，例如通过显示为在第二滚动台1002外部的加热组合件通过如图10b中所示的对流加热。备选地，空气流动通过管208和加热可在单独的步骤中；沿单独的滚动台；和/或单个滚动台的单独部分发生。在此类干燥期间，第二滚动台1002优选继续滚动管208，以确保涂层均匀性和沿管208的长度的分布。所有管208的滚动可以与图10a中所示类似的方式发生。干燥后，可将管208运送到可在其中发生烧结的炉中。以这种方式，可实现涂布管208的连续生产。
图11a、11b和11c示出了用于涂布多个管208的备选的大量生产1100实施方案。出于清楚起见，如图1的方法100中所示的步骤顺序已被有意地省略，以例示可使用本发明来大量生产涂布管208的方式。示出了多个滚动台1101(图11a)、1102(图11b)和1103(图11c)。各滚动台1101、1102和1103并入图2a-2g的结构元件和特征。泵被配置为在滚动台1101、1102和1103之间移动(如由向下箭头所示)，由此涂布多个管进行大量生产。涂布如图3a-3e中所述地发生。可使用任何合适的泵，包括如图2a-2a中所示的。在装载于滚动台1101(图11a)上的“批次1”组管由泵涂布后，泵前进到滚动台1102(图11b)以沿“批次2”管涂布“批次2”管，然后前进到装载于滚动台1103(图11c)上的“批次3”组管。如各滚动台1101、1102和1103的旋转箭头所示，用于各滚动台1101(图11a)、1102(图11b)和1103(图11c)的辊204在涂布之后且在涂层干燥期间可继续旋转其各自的管。优选地，各批次1、2和3在涂布和涂层干燥期间可由其各自的辊204连续滚动。辊台的数量可根据需要变化(例如，10个、20个或更多)，以满足生产量的要求。以这种方式，根据本发明的原理提供示例性滚动方法以提高生产量。
本发明的益处有很多。例如，与常规涂布方法相比，当沿单个管的内径表面施加涂层时，可以在涂布底材的整个纵向长度范围内实现涂层厚度均匀性的更大程度的可控性，并且沿管的纵向长度表现出极小的厚度变化。本发明可使用内径(例如，1英寸或更小)和纵向长度不同的各种尺寸的管以实现此类益处。此外，相对于常规方法，就实现申请人的共同待审的申请案卷号13943中公开的最佳涂层性质而言，本发明提供各涂布底材之间更高的一致性。仍进一步，与常规涂布方法相比，本发明可涂布小内径(例如，1英寸或更小)的管，并且与常规涂布方法相比，这样做会减少缺陷。
本发明可生产具有增加的目标性质一致性的改善的多孔涂层。需要将更少的热能传递到沸腾表面以使工艺流体沸腾，这转换成需要更少动力消耗的更有效过程。在一个优选实施方案中，本发明的方法被用来产生多孔涂层，所述多孔涂层作为空气分离单元的一部分在沸腾应用中用于改善传热效率。作为实例，可将氧给料通过壳管式热交换器，并且氮气可在管的外部沿壳侧流动并且作为热输入。本发明的方法被用来沿管的内径表面产生多孔涂层，以在泡核沸腾(nucleate boiling)方案中提高穿过管向氧的沸腾传热效率。需要较少的能量来使氧沸腾，因为与通过常规涂布方法施加到管的内径表面的多孔涂层相比，氮与氧之间的温度差(即，ΔT)更低。ΔT的减小转换成在冷凝器中需要的氮的压力更低，这意味着用于ASU的热交换系统的下塔中的压力更低。下塔中的更低的压力转换成ASU的主空气压缩机系统的更低的机头压力(head pressure)。
具体地，通过本发明的涂布方法的空气分离单元(ASU)的动力节省可以是相当大的。通过降低用于ASU的主冷凝器的最高(top)ΔT，可改善ASU中的动力效率。例如，主冷凝器的最高ΔT降低0.3K相当于大约为总压缩动力的0.5％的动力节省(即，约$7-$8MM资本化价值)。
考虑除用于ASU的沸腾传热应用以外的其它涂层应用。例如，可使用本发明的方法将用于防污/耐腐蚀应用的各种常规环氧树脂涂层施加到底材上。
下文描述的以下试验由本发明人执行，以用常规方法估定本发明的性能。涂层性能通过池沸腾性能试验进行估定，所述试验在工业中已知用以估定涂层的传热效率。用于执行此类池沸腾性能试验的方法众所周知并且记载于公开发表的文献中，包括A.Priarone,Effect of surface orientation on nucleate boiling and criticalheat flux of dielectric fluids,International Journal of Thermal Sciences,44,2005,第822-831页；以及Jung等人，Observations of the Critical Heat Flux ProcessDuring Pool Boiling of FC-72,Journal of Heat Transfer,135(4),041501,2014年1月。用于池沸腾性能试验的两个试件的示意图示于下表1中。试件由加热器组合件组成。用于池沸腾试验的加热器组合件的示意图示于表1中。
其中一个加热器组合件由平面方形铝块(“块”)组成。另一加热器组合件由圆柱管状铝块(“管”)组成。随后将管安装到圆形基座块上(见表1)。两个加热器组合件均包括加热元件、G10底材、环氧树脂和导线。
两个加热器组合件的制造如下。在一个表面上用待评价的多孔涂层涂布块和管二者。块在顶表面上进行涂布。管沿其内径进行涂布。在块和管的另一表面镀上镍，在其之上通过焊接连接方形加热电阻器(10Ω)。随后将块和电阻器组合件置于G10底材上，其中使块的涂布面朝上，如下表1中所示。类似地，将管和电阻器组合件置于G10底材上，如下表1中所示。随后围绕块组合件和管组合件的周边小心地分布低温环氧树脂，以仅暴露顶(1”x 1”)表面。通过防止经由侧面和底部的热量损失并确保来自电阻器的热导向多孔涂层，环氧树脂和底材还起绝缘体的作用。使用嵌入块和管中的T-型热电偶获得温度测量值。嵌入三个T-型热电偶，并使之位于与表面间隔1/8”的加热器表面下方，如表1中所示。还使用RTD型热电偶来测量本体温度(bulk temperature)，用于温度测量值的校准。
显示试件的总结。
表1平面方形样品和圆形样品的试验加热器组合件
使用不锈钢和玻璃杜瓦瓶作为试验池。根据需要，使用玻璃杜瓦瓶以使试验期间的液氮沸腾可视化。需要注意的是性能结果仅对于相对比较有效，这归因于以下事实：沸腾性能取决于热通量，而热通量取决于试验加热器的几何形状(如平面对圆形)。
将每个所制作的加热器组合件加载于各杜瓦瓶内。图7示出了加载于杜瓦瓶内的块加热器试验组合件的代表性设置。
随后用液氮填充杜瓦瓶至杜瓦瓶高度的70％(即12英寸)。当试验加热器组合件和散装液氮二者的温度达到饱和状态(即-320F下的稳态)时，开始池沸腾实验。使用在LabVIEW中创建的程序来控制并监测实验。所述程序控制National Instruments CompactDAQ数据收集系统(cDAQ-917)和Agilent N5749A电源(最大功率750W)，以生成热通量受控的沸腾曲线。这通过递增地升高热通量并随后在继续下一热通量增量之前允许试验加热器温度达到平衡来实现。重复所述过程直到所谓的“临界热通量”(“CHF”)。通过在升高的热通量下的突然且大幅的温度上升来确定CHF的出现。达到CHF后，程序关闭试验加热器的动力，并将所有数据保存至文件。所有试验均在1个大气压下进行。试验流程图显示在图8中，通过其对ΔT进行评价。使用玻璃杜瓦瓶用高速相机来捕捉沸腾行为(如局部沸腾)。
以下实施例旨在为本发明与常规方法的比较提供依据，但它们并不应理解为限制本发明。
实施例1
使用本发明的滚动方法产生如在申请人的共同待审的申请(指定为案卷号13943)中所述的多孔涂层。组装如图2a-2g中所示和所述的滚动设备200，然后操作以将浆料泵送和注射到具有60英寸的纵向长度和0.7英寸的内径的管28的内径表面上。浆料配制物为约1.1重量％的Mg；0.55重量％的Sn；2重量％聚乙烯醇缩丁醛(PVB)；43重量％的异丙醇(IPA)和53.35重量％的基于铝的粉末(作为611可从Ampal,Inc.商购)，其中百分比是基于总涂层重量。将每种这些浆料成分预混合，然后给料到沿注射喷嘴201而设的浆料储罐207中。
在将浆料装载到浆料储罐207中之后，使注射喷嘴203前进到管28中，以如图3c中所示使喷嘴23完全同轴定向于管28内并且使喷嘴23的尖端与管28的边缘对齐。以这种配置，开始涂布过程。使用以下涂布参数进行涂布。辊速度为至300rpm用于管28的旋转。给料器电动机203的给料器速度保持在0.70-0.75英寸/秒，以控制注射喷嘴203的移动(即，在浆料注射期间喷嘴从管内回缩的速率)。泵202的泵送速率设定在大约50mL/min的浆料。待注射的总浆料体积是100-106mL，以便在管28的内径上沿其整个长度产生12-16密耳的涂层厚度。
平均涂层厚度为约15密耳。各样品之间的涂层厚度变化测量为小于约1密耳。单个管内涂层的厚度变化测量为平均小于约1密耳。结果图示说明于图4中。
试验结果还表明，对于1000-5000Btu/hr-ft2的各热通量输入，通过本发明的滚动方法生产的涂层在涂布底材内表现出显著减小的性能变化。将得到的涂布管通过扫描电子显微镜进行观察，并且未表现出涂层缺陷。
实施例2
对实施例1中生产的多孔涂层的性能进行评价。使用实施例1中生产的多孔涂层进行液氮装置试验以测定ΔT，并且由此估定涂层性能。池沸腾试验如所述进行。
结果示于图5中。图5中的试验结果表明，对于给定的热通量输入源，与常规多孔涂层的常规喷涂方法相比，观察到更小的ΔT变化。
如可以看到的，相对于常规方法，本发明的改进方法可控制涂层厚度具有更小的变化。涂层厚度的更小变化导致相对于常规方法的更好的性能一致性。
虽然已经显示和描述了被认为是本发明的某些实施方案的内容，但是当然应理解，可以在不背离本发明的精神和范围下容易地对形式或细节作出各种修改和变化。因此，本发明并不意欲限于本文所示和描述的准确形式和细节，也不限于少于本文公开和下文要求保护的整个本发明的任何内容。

Claims (20)

1.一种用于将涂层施加到导管的内径表面上的方法，所述方法包括：
将浆料配制物给料到浆料储罐中，所述浆料储罐可操作地连接到注射喷嘴；
将所述注射喷嘴以向前的方向引入所述导管中，所述导管至少部分由在第一端与第二端之间延伸的纵向长度限定；
将所述注射喷嘴配置到所述导管内的第一位置，所述第一位置限定为所述注射喷嘴的第一端与所述导管的所述第一端基本上对齐；
将所述浆料从所述浆料储罐泵送并通过所述注射喷嘴以便从所述注射喷嘴的所述第一端朝向所述导管的内表面排放浆料；
检测排放浆料；以及
旋转所述导管，从而使排放的浆料沿所述导管的内表面基本上均匀地铺展和分布；以及
以预定给料速率回缩所述注射喷嘴，所述回缩以与所述向前的方向相反的反方向发生。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
将所述注射喷嘴回缩到相对于所述导管的第二位置，所述第二位置限定为所述注射喷嘴的所述第一端与所述导管的所述第二端基本上对齐。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：
停用泵送所述浆料的步骤；
引入空气通过所述导管；
加热所述导管；以及
从施加到所述导管的内表面上的所述涂层蒸发溶剂。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述旋转以约100-400 rpm发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一位置进一步限定为所述注射喷嘴的第二端与所述导管的所述第二端基本上对齐。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定给料速率是以所述反方向的约0.6-约0.9英寸/秒的喷嘴移动。
7. 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括以约47-67 ml/min的速率泵送所述浆料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述导管是内径为约1英寸或更小的管。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述预定给料速率是以所述反方向的约0.6-约0.9英寸/秒的喷嘴移动，所述浆料以约47-约67 ml/min的速率泵送，并且所述预定给料速率是以所述反方向的约0.6-约0.9英寸/秒的喷嘴移动。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述回缩和旋转步骤同时发生。
11.一种多孔涂层，其作为空气分离单元的一部分用于沸腾传热应用，其通过权利要求1的方法制备。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述注射喷嘴与所述导管基本上同轴对齐。
13.根据权利要求2所述的方法，其中所述空气以约10-50标准立方英尺/小时(SCFH)引入。
14.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括烧结所述涂层。
15.根据权利要求1所述的方法，其中排放所述浆料以便产生约12-约16密耳的涂层厚度。
16.一种用于将涂层施加到导管的内径表面上的方法，所述方法包括：
将浆料配制物给料到浆料储罐中；
将注射喷嘴以向前的方向引入所述导管中；
将所述注射喷嘴配置到所述导管内的第一位置；
将所述浆料从所述浆料储罐泵送并且通过所述注射喷嘴以便朝向所述导管的内表面排放浆料；
旋转所述导管，从而使排放的浆料沿所述导管的内表面基本上均匀地铺展和分布；以及
在旋转所述导管的同时以预定给料速率回缩所述注射喷嘴，所述回缩以与所述向前的方向相反的反方向发生。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在旋转所述导管之前检测所述排放的浆料的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，所述导管和所述喷嘴具有基本上相同的纵向长度。
19. 根据权利要求16-18中任一项所述的方法，其中将约60-约84 g的涂层施加到内径表面上，以便沿所述导管达到不大于约2.0密耳的最大厚度变化。
20.一种配置成执行权利要求1的方法的涂布设备。
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