專利名稱：強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦傳熱元件的制造技術(shù)，特別是涉及一種垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著能源的日趨緊張，對(duì)化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能、環(huán)保以及低碳等技術(shù)指標(biāo)的逐年提高，目前，為提 高傳熱元件的換熱能力，人們采用了諸多強(qiáng)化熱方法，如內(nèi)插強(qiáng)化元件法，異形結(jié)構(gòu)法，換熱表面處理法等，其中表面處理法能有效地增大傳熱元件的表面積，加強(qiáng)液體的擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱效果顯著。例如中國(guó)專利CN 90224727. I發(fā)明了一種內(nèi)波紋螺紋管傳熱元件；該方法在一定程度上有效地提高了換熱元件的換熱能力。通過(guò)浸潰、濺射及等離了體發(fā)射等方法，Takata Y等采用納米TiO2涂層換熱表面的降膜蒸發(fā)的傳熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果在低流率和低熱通量范圍內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果顯著。大連理工大學(xué)在電解液中利用品間和小孔腐蝕原理，在不銹鋼內(nèi)、外表面腐蝕出表面多孔層，以提高傳熱元件的沸騰換熱性能，收到了良好的效果，但該方法顯著降低了材料的機(jī)械強(qiáng)度。CN85102762公開(kāi)了一種多孔表面?zhèn)鳠嵩娀瘜W(xué)制造方法以鋼制傳熱元件為陽(yáng)極，三氯化鐵為電解液，利用小孔腐蝕的原理在傳熱元件表面生成微孔，以這些蝕孔為汽化核心，可以提高傳熱效率，降低沸騰溫差。雖然以上各種方法都在一定程度上提高了換熱元件的傳熱性能，但它們都存在制造成本高，且涂層易脫落或降低材料強(qiáng)度的缺陷，尤其是以上各種方法均不適用于鈦制換熱設(shè)備。鈦材具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐腐蝕，無(wú)毒的諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)藥、化工、食品等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是其耐腐蝕的特性，更是為海水淡化領(lǐng)域或含氯離了產(chǎn)品加工行業(yè)所青睞。因此加強(qiáng)對(duì)鈦換熱元件的研究開(kāi)發(fā)具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。本發(fā)明以含氟化銨的無(wú)機(jī)酸溶液為電解液，采用直流陽(yáng)極氧化工藝，在鈦或鈦合金傳熱兀件表面一步構(gòu)建出一種具有納米管陣列分布特征的強(qiáng)化傳熱表面，本發(fā)明提供了鈦強(qiáng)化換熱管內(nèi)、外表面的制備方法。本發(fā)明得到的該保護(hù)層具有較好的浸潤(rùn)性，尤其是處于納米級(jí)別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，適用于伴隨相變傳熱的蒸發(fā)器、再沸器以及冷凝器的需要。本發(fā)明提供的垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法是采用穩(wěn)壓直流陽(yáng)極氧化工藝，使鈦金屬表面直接生長(zhǎng)出強(qiáng)化傳熱表面，步驟包括I)首先，將鈦傳熱元件用有機(jī)溶劑(丙酮或酒精)洗滌以去除油污；2)將質(zhì)量濃度為O. 25%氟化銨和10%硫酸水溶液的電解液注入陽(yáng)極氧化裝置的電解池中；3)以鈦傳熱元件為陽(yáng)極，石墨(或其他惰性金屬，例如銅)為陰極，進(jìn)行恒壓陽(yáng)極氧化反應(yīng)；陽(yáng)極氧化工藝條件氧化電壓20-60伏特，時(shí)間45-75分鐘，氧化溫度20_40°C ；得到垂直導(dǎo)向三維 立體納米管陣列表面鈦強(qiáng)化傳熱元件。本發(fā)明所述的強(qiáng)化鈦傳熱元件為鈦換熱管或換熱板。本發(fā)明提供的所提供的用于制造垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件(換熱管)的陽(yáng)極氧化裝置主要包括穩(wěn)壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、圓環(huán)(或絕緣壓槽)，電解液儲(chǔ)槽，泵和閥門。其中穩(wěn)壓直流電源正極接鈦傳熱元件，換熱管)，負(fù)極接輔助電極，鈦傳熱元件置于電解池中，并通過(guò)定位托盤與定位圓環(huán)，鈦換熱管外表面陽(yáng)極氧化處理)或絕緣壓槽(鈦換熱管內(nèi)表面陽(yáng)極氧化處理)加以定位，電解池上電解液溢流口和電解液進(jìn)口分別通過(guò)泵和閥門與電解液儲(chǔ)槽連按。本發(fā)明通過(guò)陽(yáng)極氧化工藝，使傳統(tǒng)鈦傳熱表面(致密的二氧化鈦平面膜)在電場(chǎng)作用下變形為具有立體結(jié)構(gòu)特征的納米管陣列強(qiáng)化傳熱表面。該強(qiáng)化傳熱表面具有如下特征傳熱表面組成物質(zhì)為二氧化鈦，其結(jié)構(gòu)由兩部分組成底部致密阻擋層和上部疏松的納米管陣列，管壁通過(guò)致密阻擋層與鈦金屬相連；納米管為中空管狀結(jié)構(gòu)，各納米管之間存在管間隙，如圖I所示。所有納米管結(jié)構(gòu)尺寸大體相同h (長(zhǎng)度)為500-1000納米，s (阻擋層厚度)約為20-50納米；D (納米管外徑)為50-300納米，t (壁厚)為10-30納米。本發(fā)明采用含氟化銨的溶液為電解液,其中氟化銨為活性物質(zhì),是破壞鈦金屬表面天然存在的平面型致密二氧化鈦保護(hù)膜的必須元素；而外加高電壓為二氧化鈦納米管的形成提供了動(dòng)力支持。通過(guò)該工藝，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦制的管式、板式以及其他任意形狀的鈦制換熱強(qiáng)化傳熱元件的制備。與傳統(tǒng)機(jī)加工或電化學(xué)處理制備的多孔表面不同，本發(fā)明的納米管直接生長(zhǎng)于基底金屬材料之上，因而不損害材料強(qiáng)度(傳統(tǒng)的孔洞存在于基體材料內(nèi)部)。不僅如此，由于尺寸效應(yīng)的影響，該傳熱表面還具有對(duì)水完全浸潤(rùn)的特性，同時(shí)也極大增加了汽、液、固的接觸傳熱面積。更為重要的是其數(shù)以億計(jì)的納米管管孔可流當(dāng)汽化核心，從而達(dá)到在降低傳熱溫差(10-15%)的同時(shí)還能提高鈦換熱元件傳熱系數(shù)50%以上的目的。故本發(fā)明不僅可以適應(yīng)與液-液介質(zhì)之間的換熱，更適用于有相變產(chǎn)生的再沸器、冷凝器以及蒸發(fā)器的需要。


圖I為三維納米管陣列傳熱強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為制備鈦傳熱元件(管)外傳熱強(qiáng)化表面的電化學(xué)陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)裝置。圖3為制備鈦傳熱元件(管)內(nèi)傳熱強(qiáng)化表面的電化學(xué)陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)裝置。圖4為絕緣壓槽16和13的結(jié)構(gòu)圖(分別見(jiàn)a和b)。圖5為具有納米管陣列強(qiáng)化表面的鈦管示意圖(a為外表面強(qiáng)化，b為內(nèi)表面強(qiáng)化)其中301為鈦金屬管壁；302為傳熱表面上部疏松多孔納米管陣列結(jié)構(gòu)；303為與金屬基底緊密相連的致密阻擋層。圖6為傳熱強(qiáng)化表面的電鏡掃描照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例及附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但它不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
鈦換熱管(外徑32mm,壁厚2mm,)內(nèi)外傳熱表面的制備圖2是一種鈦換熱管外表面陽(yáng)極氧化制被納米管陣傳熱表面裝置圖。其中I為穩(wěn)壓直流電源，其正極接鈦換熱管3，負(fù)極接第一輔助電極4(石墨陰極)；11為電解池，電解時(shí)內(nèi)充電解液9 ;電解池底部設(shè)一聚乙烯材料制成、中心和周邊開(kāi)孔的定位托盤5 (中心孔直徑稍大于鈦換熱管外徑，為鈦換熱管定位，周圍開(kāi)孔為電解液流通孔，數(shù)量可任意)；鈦換熱管3底端和頂端分別由定位托盤5和定位圓環(huán)2 (由聚乙烯制成，同5 —樣,開(kāi)中心孔和電解液流通孔)定位。第一輔助電極(石墨陰極)4放置于定位托盤5上，具頂端由定位圓環(huán)2配合固定，以確保陰陽(yáng)兩極同心。鈦換熱管3的兩端用橡皮塞12塞緊，以防止電解液進(jìn)入鈦換熱管內(nèi)部。電解池11頂端開(kāi)溢流孔，其高度要高于鈦換熱管的高度，溢流液引入電解液儲(chǔ)槽8，電解池11底部開(kāi)電解液進(jìn)液口，與泵6和進(jìn)液第一閥門7相連電解開(kāi)始前，打開(kāi)進(jìn)液第一閥門7，關(guān)閉出液第二閥門10，向電解池注入電解液，直到有電解液溢流后關(guān)閉泵與第二閥門10。陽(yáng)極氧化結(jié)束后，打開(kāi)出液第二閥門10，將電解液由電解池11排入電 解液儲(chǔ)槽8。圖3是一種鈦換熱管內(nèi)表面陽(yáng)極氧化制備納米管陣列傳熱表面裝置圖。其中I為穩(wěn)壓直流電源，其正極接鈦換熱管3，負(fù)極接第二輔助電極(銅陰極)15;16，13分別為上、下絕緣壓槽，(其結(jié)構(gòu)分別見(jiàn)圖4a和b)。絕緣壓槽與絕緣壓蓋14連接部位開(kāi)外螺紋(螺紋1601和1301)。通過(guò)擰緊壓蓋14，可保證鈦換熱管3兩端面的密封。絕緣壓槽開(kāi)孔1602和1302與鈦換熱管配合，其內(nèi)徑略大于鈦換熱管外徑。絕緣壓槽開(kāi)孔1603和1303(分別與電解液溢流口 1604和電解液進(jìn)出口 1304相通)，為電解液流通通道；絕緣壓槽開(kāi)孔1605和1305與銅陰極15配合，其內(nèi)徑稍大于銅電極外徑，起固定支撐陰極作用。電解液溢流口1604接電解液儲(chǔ)槽8相連；電解液進(jìn)/出口 1304與泵6相連。電解開(kāi)始前，打開(kāi)進(jìn)液第一閥門7，關(guān)閉出液第二閥門10，向電解池注入電解液，直到有電解液溢流后關(guān)閉泵與第二閥門10。陽(yáng)極氧化結(jié)束后，打開(kāi)出液第二閥門10，將電解液由電解池11排入電解液儲(chǔ)槽8。本發(fā)明提供的垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面鈦傳熱元件制造方法包括的步驟首先將鈦換熱管在丙酮或酒精中洗滌以去除油污，然后在蒸餾水中清洗。將配置好的電解液(含O. 25%氟化銨的10%硫酸水溶液，質(zhì)量濃度)注入電解液儲(chǔ)槽；按實(shí)驗(yàn)裝置圖正確連接陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)中的電路部分，調(diào)節(jié)電壓初始值為O關(guān)閉進(jìn)口第二閥門10，打開(kāi)進(jìn)口第一閥門7，啟動(dòng)泵6，直至有電解液溢流回電解液儲(chǔ)槽8時(shí)，關(guān)閉電機(jī)與進(jìn)口第一閥門7。打開(kāi)穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)，緩慢調(diào)節(jié)陽(yáng)極氧化電壓至30伏特，穩(wěn)壓60分鐘，直至陽(yáng)極氧化過(guò)程結(jié)束。關(guān)閉電源，打開(kāi)出口第二閥門10，將電解液排入電解液儲(chǔ)槽8。取下鈦管3，在蒸餾水中清洗，去除殘留電解液后，室溫干燥。沖洗實(shí)驗(yàn)裝置，完成制備。制備后，鈦換熱管3內(nèi)/外表面即可獲得納米管陣列傳熱強(qiáng)化表面，見(jiàn)圖5所示，其中301為鈦金屬管壁，302為具三維立體導(dǎo)向納米管陣列結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化傳熱表面層將該傳熱表面取樣，通過(guò)SEM，TEM掃描，其形貌如圖6所示。電鏡照片顯示該傳熱表面中納米管垂直金屬基底且呈陣列分布，納米管的外徑約為lOOnm，內(nèi)徑為60-70nm，阻擋層(管壁)厚度為15-20nm，高度為650nm左右。在鈦金屬表面成功制備出三維立體納米管陣列強(qiáng)化傳熱表面。該保護(hù)層具有較好的層潤(rùn)性，尤其是處于納米級(jí)別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，降低換熱溫差的效果，尤其適用于低溫差鈦制沸騰傳熱設(shè)備中
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法，采用穩(wěn)壓直流陽(yáng)極氧化工藝，使鈦金屬表面直接生長(zhǎng)出強(qiáng)化傳熱表面，其特征在于包括的步驟 1)將鈦傳熱元件用有機(jī)溶劑洗滌以去除油污； 2)將含有質(zhì)量濃度為O.25%氟化銨和10%硫酸水溶液的電解液注入陽(yáng)極氧化裝置的電解池中； 3)以鈦傳熱元件為陽(yáng)極，石墨或其他惰性金屬為陰極，進(jìn)行恒壓陽(yáng)極氧化反應(yīng)；陽(yáng)極氧化工藝條件氧化電壓20-60伏特，時(shí)間45-75分鐘，氧化溫度20_40°C;得到垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的有機(jī)溶劑為丙酮或酒精。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的鈦傳熱元件為鈦換熱管或換熱板。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的垂直導(dǎo)向三維立體納米管長(zhǎng)度為500-1000納米，阻擋層厚度約為20-50納米；納米管外徑為50-300納米，壁厚為10-30納米。
5.一種用于制造垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件的陽(yáng)極氧化裝置，其特征在于它主要包括穩(wěn)壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、定位圓環(huán)或絕緣壓槽，電解液儲(chǔ)槽，泵和閥門；其中，穩(wěn)壓直流電源正極接鈦傳熱元件，負(fù)極接輔助電極，鈦傳熱元件置于電解池中，并通過(guò)定位托盤與定位圓環(huán)或絕緣壓槽加以定位，電解池上電解液溢流口和電解液進(jìn)口分別通過(guò)泵和閥門與電解液儲(chǔ)槽連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述的定位托盤的中心和周邊開(kāi)孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述的絕緣壓槽有開(kāi)孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列表面強(qiáng)化鈦傳熱元件的制造方法和裝置。由穩(wěn)壓直流電源，輔助電極，電解池，定位托盤、圓環(huán)(或絕緣壓槽)，電解液槽，泵和閥門構(gòu)成陽(yáng)極氧化裝置。通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化，以含氟化銨的酸性溶液為電解液，采用恒壓陽(yáng)極氧化工藝，在鈦金屬表面成功制備出三維立體納米管陣列強(qiáng)化傳熱表面。該保護(hù)層具有較好的浸潤(rùn)性，尤其是處于納米級(jí)別的管孔可作為汽化核心，起到提高傳熱效果，降低換熱溫差的效果，適用于低溫差鈦制沸騰傳熱設(shè)備中。
文檔編號(hào)C25D11/26GK102618905SQ20121007736
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者史曉平, 王新亮, 胡柏松, 陶金亮, 魏峰 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)