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CN104117833A - 一种多孔亲水不锈钢换热管及其表面处理方法 - Google Patents

一种多孔亲水不锈钢换热管及其表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多孔亲水不锈钢换热管的表面处理方法，包括下列步骤：对不锈钢管进行液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理，实现表面粗化；对粗化的钢管表面进行化学电解或溶胶改性电镀处理；以及一种由此得到的不锈钢换热管和使用这种管材的换热器。根据本发明的方法可以在各种不锈钢管表面得到多孔和凹穴的微观结构，对强化蒸发和沸腾换热有极大的提高；可以在各种不锈钢管表面得到持续的强亲水性能，加速水膜铺展并降低水膜厚度，进而提高换热效率；可以在各种不锈钢管表面得到更耐点蚀、氯离子应力腐蚀和浓差微电池腐蚀的金属表面，提高换热机组整体稳定性和使用寿命。

Description

一种多孔亲水不锈钢换热管及其表面处理方法
技术领域
本发明涉及传热设备技术领域，特别是涉及一种强化管外蒸发传热的多孔亲水不锈钢换热管及其表面处理方法。
背景技术
目前，在吸收式冷冻机和热泵的蒸发器、吸收器中广泛采用降膜式换热器，其壳体在真空条件下运行，用一定的方式使制冷剂喷淋到水平排列的传热管上，管内载制冷剂进行冷却或加热，利用管外的制冷剂和管内的制冷剂进行热交换。为了提高换热效率，强化管外蒸发和降低换热设备体积，可通过改变换热管形状或表面形貌的办法来实现。前者采用机加工在管外表面形成翅、齿、滚花等结构，以增大表面积、促进冷凝液成膜流动，通过间隙排液；后者主要采用浸涂法形成具有亲水基团的有机涂层，或者焙烧法形成多孔结构的金属涂层。机加工方式存在的主要问题包括：(1)管材的延展性、弹性模量、硬度等使得铁素体不锈钢、双相钢、马氏体不锈钢管等管材无法通过机加工实现表面多孔化；(2)内外齿、内外螺纹等结构对壁厚要求更高，增加了管材的重量；(3)翅形和间隙容易形成制冷剂滞留区域，增加冷凝液成膜阻力，对粘度大的制冷剂更容易形成不“润湿”的死区，降低换热效率；(4)利用机加工生产的高效碳钢管和不锈钢管，由于没有经过表面处理在服役过程中容易发生点蚀，沟槽中的残留物亦会加速腐蚀的发展，降低换热管的使用寿命。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服传统机加工技术的不足而提供一种能使降膜式换热器用不锈钢换热管外表面制冷剂蒸发、冷凝换热系数明显提高，使换热面积增大，可根据冷却剂类型、换热效率和设备使用寿命设计的要求选用更广泛的金属材料及更薄壁厚的高效换热管，并提供相应的表面处理方法。
本发明的目的可以通过如下措施来达到。
步骤一：对不锈钢管表面进行液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理，以实现表面粗化；
步骤二：对粗化后的不锈钢管表面进行化学电解或溶胶改性电镀处理，以实现多孔化和凹穴的扩展，并强化润湿性能。
优选地，所述步骤一中液相等离子体电解电流密度为4～5A/dm2，电压为280～300V，占空比为50～65％，电解液为Na2SO4-Na3BO3体系，处理温度为45～50℃；
优选地，所述步骤一中激光打磨的激光功率为3.5KW、激光束直径为2.5mm，扫描速率为30cm/s，进管速率为1.5m/min；
优选地，所述步骤一中的喷砂处理采用平均粒径为16目的棕刚玉，喷砂压力为0.8MPa，喷嘴距管表面距离为15～20cm，实现不锈钢光管表面粗化；
优选地，所述步骤二中的化学电解，电流密度为20A/dm2，电压为30～40V，电解液为H2SO4-NazSO4-EDTA-2Na体系，处理温度为30～50℃；
优选地，所述步骤二中的溶胶改性电镀中电流密度为30～45A/dm2，电镀液体系为Cr2(SO4)3-H3BO4-AlOOH，其摩尔比为30∶17∶5。
此外，本发明还提供一种由上述表面处理方法加工得到的不锈钢换热管及使用所述不锈钢换热管的换热器。
本发明与已有技术相比较具有如下有益效果：可以在各种不锈钢管表面得到多孔和凹穴的微观结构，对强化蒸发和沸腾换热有极大的提高；可以在各种不锈钢管表面得到持续的强亲水性能，加速水膜铺展并降低水膜厚度，进而提高换热效率；可以在各种不锈钢管表面得到更耐点蚀、氯离子应力腐蚀和浓差微电池腐蚀的金属表面，提高换热机组整体稳定性和使用寿命。
附图说明
图1是液相等离子体电解加工的不锈钢管表面的扫描电镜照片；
图2是激光打磨加工的不锈钢管表面的扫描电镜照片；
图3是喷砂加工的不锈钢管表面的光学显微镜照片；
图4是激光打磨+化学电解加工的不锈钢管表面的扫描电镜照片；
图5a、5b分别是激光打磨+溶胶改性电镀加工后的不锈钢管的表面、截面扫描电镜照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的多孔亲水不锈钢换热管的表面处理方法，包括下列步骤：
步骤一：对不锈钢管表面进行液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理，实现表面粗化；
步骤二：对粗化后的不锈钢管表面进行化学电解或溶胶改性电镀处理，实现多孔化和凹穴的扩展，并强化润湿性能。
其中，所述的步骤一中的液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理可以采用公知的条件和参数，只要能增强钢管表面粗糙度，改善其亲水性能。
其中，所述的步骤二中的化学电解或溶胶改性电镀处理可以采用公知的条件和参数，只要能实现多孔化和凹穴的扩展，强化润湿性能。
更优选的，为了实现最佳效果，发明人对工艺条件作了进一步优选，下面结合具体实施例来进一步说明。
下文中的实施例1-3是仅仅采用步骤一中的工艺对不锈钢管进行处理的实施例，实施例4、5是同时采用步骤一和步骤二中的工艺对不锈钢管进行处理的实施例。
实施例1
SUS445J2不锈钢管表面的液相等离子体电解在45～50℃恒温条件下，利用智能脉冲电源对输出电压、电流控制，电压为280V，占空比为55％，电流为15A，电解液为15wt.％Na2SO4-10wt.％Na3BO3体系，处理10min后水洗烘干，实现表面粗化，其表面形貌如图1所示；
实施例2
SUS304不锈钢管表面的激光打磨的激光功率为3.5KW、激光束直径为2.5mm，扫描速率为30cm/s，进管速率为1.5m/min，实现表面粗化，处理后的表面形貌如图2所示；
实施例3
SUS316不锈钢管表面喷砂处理采用平均粒径为46目的棕刚玉，喷砂压力为0.8Mpa，喷嘴距表面距离为18cm，采用双头纵向喷砂，钢管行进速度为3m/min，实现表面粗化，处理后的表面形貌如图3所示；
实施例4
SUS445J2不锈钢管表面经过实施例2中的工艺处理后，进行化学电解加工，电流密度为20A/dm2，电压为30V，电解液为10wt.％H2SO4-10wt.％Na2SO4-0.5wt.％-EDTA-2Na，处理温度为30℃，处理时间为15min，实现多孔化和凹穴的扩展，并强化润湿性能，得到的表面新貌如图4所示；
实施例5
SUS316不锈钢管表面经过实施例2中的工艺处理后，进行溶胶改性电镀加工，电流密度为30A/dm2，电镀液体系为12wt.％Cr2(SO4)3-4.5wt.％H3BO4-2wt.％AlOOH，用硫酸调节pH值到1左右，常温处理10分钟后实现了多孔化和凹穴的扩展，并强化了润湿性能，得到的表面、截面形貌如图5a、5b所示。
对上述五个实施例得到的不锈钢管进行表面粗糙度和润湿角的测量，结果如下：
由此可见，经过液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理后换热管的表面粗糙度Ra为30～40μm左右，Rz为45～55μm左右。在其基础上再经过化学电解或溶胶改性电镀处理后的不锈钢管多孔表面表现出持续的强亲水性，润湿角≤30°。
通过上述实施例可知，本发明的技术方案可以在各种不锈钢管表面得到多孔和凹穴的微观结构，对强化蒸发和沸腾换热有极大的提高，并可以在各种不锈钢管表面得到持续的强亲水性能，加速水膜铺展并降低水膜厚度，进而提高换热效率，从而得到强化管外蒸发传热的多孔亲水高效不锈钢换热管。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多孔亲水不锈钢换热管的表面处理方法，其特征在于包括下列步骤： 
1.1对不锈钢管进行液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理，实现表面粗化； 
1.2对粗化的钢管表面进行化学电解或溶胶改性电镀处理，实现多孔化和凹穴的扩展，并强化润湿性能。 
2.根据权利要求1所述的不锈钢换热管的表面处理方法，其中步骤1.1中所述液相等离子体电解处理的条件为：电流密度为4～5A/dm2，电压为280～300V，占空比为65％，电解液为Na2SO4-Na3BO3体系，处理温度为45～50℃；所述激光打磨处理的条件为：激光功率为2.5～3.5KW，激光束直径为2～4mm，扫描速率为30～40cm/s，进管速率为1.5m/min；所述喷砂处理的条件为：采用平均粒径为16～46目的棕刚玉，喷砂压力为0.8Mpa。 
3.根据权利要求2所述的不锈钢换热管的表面处理方法，其中经过液相等离子体电解、激光打磨或喷砂处理后换热管的表面粗糙度Ra为30～40μm，Rz为45～55μm。 
4.根据权利要求1所述的不锈钢换热管的表面处理方法，其中在步骤1.2中所述的化学电解处理的条件为：电流密度为20A/dm2，电压为30～40V，电解液为H2SO4-Na2SO4-EDTA-2Na体系，处理温度为30～50℃；所述溶胶改性电镀处理的条件为：电流密度为30～45A/dm2，电镀液体系为Cr2(SO4)3-H3BO4-AlOOH，其摩尔比为30∶17∶5～30∶17∶10。 
5.根据权利要求4所述的不锈钢换热管的表面处理方法，其中经过化学电解处理或溶胶改性电镀处理后的多孔表面形成凹穴或内凹穴，凹穴孔隙率≥80％，孔穴的表观直径为10～30μm。 
6.根据权利要求5所述的不锈钢换热管的表面处理方法，其中经过化学电解处理或溶胶改性电镀处理后的不锈钢管多孔表面为持续的强亲水性，润湿角≤30°。 
7.根据权利要求1-6任一所述的不锈钢换热管的表面处理方法制备得到的不锈钢换热管。 
8.采用如权利要求7所述的不锈钢换热管的换热器。 
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