防腐表面特性对烟气凝结换热影响的实验研究样本

防腐表面特性对烟气凝结换热影响实验研究北京建筑工程学院穆连波王随林葛海霞严欢罗雪莹摘要天然气热能动力设备烟气热回收运用核心技术之一是设备防腐，不同防腐表面不但其耐腐蚀性能不同，且换热性能也不同，防腐表面上气-固-液接触角是影响凝结换热强弱重要因素。本文采用躺滴法借助Phoenix300接触角分析仪，测试出不同防腐表面接触角，分析了接触角滞后性对凝结换热影响。研究成果表白：所需镀层不但耐腐蚀性能相对最佳，且凝结换热性能最佳，变化材料表面特性不但增强了耐腐蚀性，同步可以强化传热。核心词天然气烟气冷凝防腐表面接触角强化传热0．引言天然气热能动力设备烟气热回收运用核心技术之一是设备防腐，不同防腐表面不但其耐腐蚀性能不同，且换热性能也不同，防腐表面上气-固-液接触角是影响凝结换热强弱重要因素。另一方面，在制冷机、锅炉、蒸汽加热器等设备换热中随着有凝结和沸腾换热，而在凝结和沸腾诸多子过程中，如蒸汽冷凝、非均相核化、气泡和液滴生长动力学、沸腾危机等，界面特性扮演非常重要角色。特别是固体表面湿润特性及固体壁面特性，如粗糙度，甚至起着核心性作用。接触角作为表征气-液-固界面特性宏观参数，不但可以反映固体壁面润湿性，同步也反映固体壁面粗糙和不均匀等性质，体现为接触角滞后现象。在光滑、化学均质、刚性、各向同性且无化学反映等互相作用抱负表面上，接触角满足Young方程。实际表面上接触角并非如Young方程所预示取值唯一，而是在相对稳定两个角度之间变化，这种现象被称为接触角滞后现象（contactanglehysteresis）。上限为迈进接触角θa，下限为后退接触角θr，两者之差Δθ=θa–θr定义为接触角滞后性[1]。大量研究表白滞后现象可归由于表面粗糙性，化学多相性和亚稳表面能量态，也成为热力学滞后性。研究还表白，滞后性随液相分子体积、固相分子移动性及液体分子渗入和表面膨胀有关，称为动力学滞后性[2]。实际表面非抱负性，导致用Young接触角表征表面湿润性老式做法不够完善，还必要考虑接触角滞后性，这样才干完整地表征，如表面超疏水性等特性。依照冷凝液与冷凝表面湿润限度，蒸汽冷凝可分为膜状凝结和珠状凝结两种方式。润湿（wetting）是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶流体（气体或另一液体）过程。衡量液体在某一固体表面润湿性好坏限度可通过接触角。可见，接触角是影响凝结换热非常重要因素。典型Nusselt膜状冷凝理论[3]假定冷凝壁面表面能远不不大于冷凝液表面自由能，忽视固液相界面互相作用，即不考虑接触角影响。当固液表面自由能差Δσ≥33.3MJ·m-2[4]，即液体完全不润湿固体表面时，蒸汽在表面上将呈现珠状冷凝，其传热系数是膜状冷凝几倍到几十倍；当固液表面自由能差0~33.3MJ·m-2时，差值越大换热效果越好。而在实际应用中，对于表面自由能较低工质（如有机介质或制冷剂等），实现珠状冷凝表面材料规定具备非常低表面自由能，而当前还没有可供选取此类材料[5]。因而，研究固液界面特性，特别是气-固-液接触角，对冷凝传热强化具备重要意义。本文采用Phoenix300接触角分析仪，进行不同镀层表面特性迈进和后退接触角实验观测，研究接触角滞后性和表面粗糙度关系，并结合本课题前期实验研究成果，分析接触角对凝结换热影响，为进一步研究不同防腐镀层换热器强化传热提供理论和实验根据。1．不同镀层表面接触角测量1.1实验系统测试原理及办法图1Phoenix300接触角分析仪图2接触角测量原理图图1为Phoenix300接触角分析仪。实验系统测试原理如图2所示，将测试样品放置在测试平台后调至水平。图像采集某些涉及CCD摄像头、高速图像采集卡和立体显微镜构成。CCD摄像头与立体显微镜相连，将显微镜放大后图像传播到图像采集卡，被计算机软件SurfaceElectroOpticsration2.02实时显示和采集。图3迈进接触角测试图4后退接触角测试采用躺滴法测量接触角，运用Phoenix300系统软件SurfaceElectroOpticsration2.02，采用间歇进液方式，每进完一次液滴时，运用CCD和显微镜拍摄一次液滴，然后隔五秒钟拍摄一次，如果接触角值变化范畴不大于0.5°，则以为接触角值不发生变化，继续进液，直到接触角达到最大值，即迈进接触角θa；后退接触角θr测量反之。实验采用CCD和显微镜，可使得测量精度达到±0.1°；测试时滴体积不大于12ul，从而避免了表面化学多相和线性张力效应影响。图3和图4分别为迈进接触角和后退接触角测试示意图。1.2实验样本实验测试样本选用三种不同防腐镀层，即在裸铜表面镀上不同防腐镀层，如图5所示，从左到右依次镀层1，镀层2，镀层3。图5实验测试样本2．实验成果及分析2.1实验成果表1不同镀层表面粗糙度和滞后性镀层表面防腐镀层1防腐镀层2防腐镀层3粗糙度-平均算术偏差值Ra(μm)0.76231.25161.7287迈进接触角θa（°）75.7280.3588.59后退接触角θr（°）31.4325.0725.74滞后θa-θr（°）44.2955.2862.852.2拟定Young角依照王和彭滞后张力模型[6-7]，表面粗糙效应可等价为滞后张力f，迈进接触角和后退接触角分别满足：，（1）式中——最大滞后张力——最小滞后张力在纯势垒效应下，即在表面凹槽内没有集气非复合表面（2）由（1）（2）得（3）迈进接触角、后退接触角与表面粗糙度（表达为滞后性Δθ）之间存在线性经验式[2]，（4）求解成果见表2。表2实验数据线性拟合与不同镀层表面Young角镀层表面防腐镀层1防腐镀层2防腐镀层3Aa0.430.410.42Ar-0.57-0.59-0.58Young角θY（°）56.6457.5462.442.3实验成果分析图6接触角滞后性变化由图6可以看出，对同一种镀层，随表面粗糙度增长，迈进接触角逐渐增大，后退接触角逐渐减小，滞后性Δθ增大，且后退接触角减小幅度比迈进接触角增大幅度大；而对不同镀层，随表面粗糙度变化，接触角滞后性变化幅度是不同，这是由于它不但与表面粗糙度关于，还受液体表面张力等因素影响，滞后性会随着液体表面张力减小而减小，但两者之间定量关系有待进一步研究。研究表白[8]，对同种材料，随着粗糙度不同，迈进接触角和后退接触角在θY=90°先后变化幅度是不同。当θY<90°时，迈进接触角增幅不大于后退接触角减幅；当θY>90°时，迈进接触角增幅不不大于后退接触角减幅；当且仅当θY=90°时，两者相等。本实验成果与之吻合。3．气-液-固接触角对凝结换热影响通过实验测试知，不同镀层接触角大小依次：防腐镀层表面3>防腐镀层表面2>防腐镀层表面1。马学虎[5]等从液膜流动角度出发，建立Donic沟流模型，考察接触角对膜状冷凝传热影响，对典型Nusselt膜状冷凝计算式做了修正，理论分析表白，膜状冷凝传热系数随着接触角增大而增大。吴媛媛[9]也通过该模型对烟气受迫对流凝结换热进行了理论分析，得出类似成果，即接触角越大，液膜越薄，受迫对流凝结换热能力越强。刘瑾[10]，吴媛媛[11]等都对烟气在不同镀层表面上受迫对流凝结换热进行了大量实验研究，证明了换热效果依次为防腐镀层3换热器最优，防腐镀层2换热器次之，防腐镀层1换热器最差。事实上，烟气凝结换热与凝结液膜厚度、液膜物性、表面能、固体表面特性、液膜过冷度及壁面尺寸均有密切关系，而作为界面特性宏观参数接触角对凝结换热影响尤为突出。因而，研究固液界面特性，特别是气-固-液接触角，对冷凝传热强化具备重要意义。4．结论本文采用躺滴法，借助高精密Phoenix300接触角分析仪，测试出不同镀层表面接触角，并对接触角滞后性及其对凝结换热影响进行了探讨，得出如下结论：（1）对同种材料，随表面粗糙度增大，迈进接触角增大，后退接触角减小，且在θY=90°先后迈进接触角和后退接触角增长或减小幅度不同；对不同材料，接触角滞后性还受到液体表面张力等因素影响。（2）由于接触角越大，液膜越薄，凝结换热越强，不同镀层表面发生凝结换热时形成接触角不同，其换热能力也存在差别，因而可以通过变化材料表面特性等办法来强化传热。（3）所需镀层不但耐腐蚀性能相对最佳，且凝结换热性能最佳，变化材料表面特性不但增强了耐腐蚀性，同步可以强化传热。参照文献KwokDY，NeumannAW.Contactanglemeasurementandcontactangleinterpretation[J]AdvancesinColloidandInterfaceScience，1999,81:167-249王晓东，彭晓峰，陆建峰，等.接触角测试技术及粗糙表面上接触角滞后性Ⅱ:粗糙不锈钢表面接触角滞后性[J].应用基本与工程科学学报，，11(3):296-303施明恒，甘永平，马重芳.沸腾和凝结[M].北京：高等教诲出版社，1995马学虎，陈嘉宾，徐敦颀，林纪方[J].化工学报.，53(5)：457-460马学虎，陈晓峰.固液界面接触角对膜状冷凝传热强化初步分析[J].化工学报，,54(6)：850-853WangXD，PengXF，MinJC，etal.Hysteresisofcontactangleatliquid2solidsurface[J].JournalofBasicScienceandEngineering，,9(4):343-353王晓东，彭晓峰，闵敬春，等.接触角滞后现象理论分析[J].工程热物理学报，,23(1):67-70MorraM，OcchielloE，GarbassiF.Knowledge’saboutpolymersurfacesfromcontactanglemeasurements[J].AdvancesinColloidandInterfaceScience,1990,32:79-116YuanyuanWu，SuilinWang，HongbingChen.EffectofGas-liquid-solidContact