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微纳米TiO_2和TiO_2-FPS疏水涂层上的池沸腾传热和结垢腐蚀行为

蔡永伟  
【摘要】:为了应用微纳表面工程方法抑制换热表面上的污垢沉积,本文在AISI304不锈钢基底上制备和表征了微纳米TiO_2和TiO_2-FPS疏水涂层,并在自行研制的、带有污垢数据在线自动采集系统的、传热表面垂直放置的池沸腾装置中开展了CaCO_3和CaSO_4水溶液池沸腾传热和结垢研究,另外进行了TiO_2涂层的腐蚀实验研究,取得了如下研究结果: 1.微纳米TiO_2和TiO_2-FPS疏水涂层去离子水饱和池沸腾研究表明,相比TiO_2涂层,TiO_2-FPS复合疏水涂层因具有较低的表面能,较大的汽化核心密度,较小的汽泡酝酿时间和较高的汽泡脱离频率而增强传热10%以上。 2.不同涂层表面上饱和CaCO_3溶液池沸腾污垢沉积规律研究表明,与不锈钢相比,TiO_2涂层的渐近污垢热阻下降约30%,TiO_2-FPS复合疏水涂层的渐近污垢热阻下降约50%。应用渐近污垢热阻曲线方程可以较好地拟合饱和CaCO_3溶液在不同表面上的池沸腾污垢沉积数据。不同涂层表面上饱和CaSO_4溶液池沸腾污垢沉积规律研究表明,TiO_2涂层表面污垢热阻略低于不锈钢表面,而TiO_2-FPS复合涂层的污垢热阻约为不锈钢基底的0.5倍,说明TiO_2-FPS复合涂层可以显著抑制污垢沉积。不同表面上CaCO_3与CaSO_4的微观形貌研究表明,TiO_2涂层上为方解石型垢,TiO_2-FPS涂层上为霰石型垢,在TiO_2和TiO_2-FPS涂层上的CaCO_3污垢均较为蓬松,易于去除。表面上的CaSO_4垢致密,较难去除。 3.基于XDLVO和DLVO理论的CaSO_4颗粒与换热表面间的胶体相互作用分析表明,应用XDLVO理论预测不同表面的结垢趋势更为准确;欲抑制换热表面结垢,可以在换热表面涂覆低表面能非极性F-C化学键材料,以减小污垢颗粒和换热表面间的Lewis酸碱作用分量。 4.应用Tafel极化曲线、循环伏安法和电化学阻抗等电化学方法,在3.5%NaCl和0.05M NaOH混合溶液中研究了TiO_2涂层的耐腐蚀性能,结果表明,相比不锈钢,厚度为288.9±0.8nm的致密TiO_2涂层的腐蚀电势提高约0.12V,腐蚀电流约下降为0.1倍,极化电阻增大约17倍,耐腐蚀性能提高;TiO_2涂层在腐蚀介质中为多级腐蚀过程。


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