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换热器金属表面行为对其析晶污垢生成特性的影响研究

作　者: 刘义达
导　师: 邹勇
学　校: 山东大学
专　业: 工程热物理
关键词: 表面粗糙度耐蚀性碳酸钙表面改性金属离子
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 97次
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内容摘要

污垢曾被称为“传热学中未被解决的主要问题”,污垢形成的复杂性和不确定性,特别是一些共性问题的认识上缺乏统一,严重阻碍了污垢研究的进度。因此,本文在前言中通过论述国内外污垢研究的现状,重点总结了近二十年来文献中较模糊的四个基础性问题,分别是析晶污垢晶核的成核方式问题、析晶污垢和颗粒污垢的争议问题、析晶污垢吸附作用的组成问题,以及材料表面能用于抗垢性能评价的局限性问题,从原始的科学问题出发展开论述。从污垢形成的全局特性出发,针对这四个基础性问题中被忽略的研究空白,即材料表面行为对污垢特性的影响作为本文研究的重点。通过生垢实验及进一步的分析,研究了表面粗糙度、表面改性、表面能和表面腐蚀等表面行为对碳酸钙析晶污垢形成和附着的影响。首先从表面粗糙度入手,研究了6种不同粗糙程度的304不锈钢材料表面生垢特性,发现污垢的附着量并不是和表面粗糙度成线性关系。污垢增重最快的试样对应于粗糙度居中的试样；而抛光处理的试样对抗垢能力的改善没有大的提高。表面粗糙度对污垢附着的影响是通过对由腐蚀或氧化形成的过渡界面来影响的,粗糙度不一样造成试样的抗蚀性也不一样,易于腐蚀的表面也容易生垢。而且这种影响只作用在污垢附着的诱导期内,且这种微小的差别对改善材料的抗垢能力没有本质的影响。进而在换热器常见金属材料表面行为方面,分别表征了碳钢、紫铜和304不锈钢的表面能和耐腐蚀性能,使用称重法绘制了它们在28小时内连续生垢的污垢增重图,并且观察了它们生垢前后的形貌变化,并用X射线衍射表征了生垢过程不同时间段析出物的组成,分别解明了这三种材料在污垢增重图中不同表现的原因。分析指出污垢的长期生长表现和光洁状态下金属材料的表面自由能没有必然的联系,而表面腐蚀行为对污垢形成和附着的影响包括两个方面,-是耐腐蚀性能,它决定了表面将形成多深的凹坑,决定了过渡界面的性能,同时决定了表面将释放多少相应的金属离子；二是这些相应金属离子将对污垢的晶型和力学性能等方面产生更微观层面的影响,并最终影响到污垢在表面的附着。结果表明,碳钢因为耐腐蚀性能太差,腐蚀失重过多,而难以准确得出污垢附着的重量,因此用增重来衡量材料抗垢效果的方法对于碳钢来说不适用；而对于紫铜和不锈钢来讲,在生垢实验的前半部分的时间点,不锈钢都比铜片增重多；而在后半部分的时间点,铜片上污垢的生长明显加快。这种现象和两种金属腐蚀释放的离子对污垢性能的作用不同有关。为了进一步探索表面腐蚀释放的金属离子对碳酸钙污垢晶体学特性方面的影响,采用直接向生垢液中添加一定量换热面金属相应离子的方法,研究了不同种类和浓度的离子对碳酸钙析晶污垢的微观形貌、晶相组成、晶粒尺寸和污垢强度的影响。分析指出,从晶型方面看,铜离子、镍离子、二价铁离子和三价铁离子等四种离子表现出了基本相同的规律,即随着离子浓度的增加,碳酸钙文石相的强度增加,方解石相的强度降低。从晶粒尺寸和强度方面看,在浓度相同的情况下,按照添加铁离子、镍离子和铜离子的顺序,平均晶粒尺寸逐渐减小,又可以产生两方面的效果,一是晶粒长大速率降低,表现为污垢在短时间内不易积聚；二是屈服应力和硬度逐渐增大,表现为污垢的剥蚀也越来越困难,如果长时间使用该种金属材料,污垢就有可能在后期增长加快。综合比较来看,镍离子对提高材料抗垢性能有着相对较为积极地作用,因此在碳钢基体上施镀镍基合金镀层进行防护。成功开发了高效长寿命的Ni-P镀层和Ni-Cu-P镀层的配方和工艺,并选择其中三种配方进行了研究,分别表征了三种镀层的表面能和耐腐蚀性能,使用称重法绘制了它们在28小时内连续生垢的污垢增重图,观察了它们生垢前后的形貌变化,进一步用X射线衍射解析了生垢过程不同时间段析出物的组成,结果表明污垢的长期生长表现和光洁状态下金属材料的表面自由能没有必然的联系,而三种镀层随着在生垢反应液中耐蚀性能的增强,其抗垢性能也在增强。综合以上的实验结果,材料表面行为对污垢形成特性的影响上不是一个孤立的问题。相对于表面能的影响,表面腐蚀特性的影响更为重要。材料表面的耐蚀性能以及腐蚀释放的离子种类和浓度将直接影响到过渡界面基体与污垢的结合状态,以及所生成污垢的晶体类型、强度和剥蚀性能等方面,而这些方面的因素都将最终影响到污垢在换热表面长期生长过程中的表现。

全文目录

目录  4-7
CONTENTS  7-10
图目录  10-12
表目录  12-13
公式目录  13-14
符号表  14-15
摘要  15-17
ABSTRACT  17-21
第一章前言  21-37
  1.1 课题背景及意义  21-22
  1.2 国内外研究现状  22-34
    1.2.1 对CaCO_3析晶污垢晶型及晶体特性的认识现状  22-23
    1.2.2 几个模糊的基础性问题及本文立场  23-27
    1.2.3 表面粗糙度对析晶污垢形成影响的研究现状  27-29
    1.2.4 离子对碳酸钙污垢形成影响的研究现状  29-32
    1.2.5 表面材料对CaCO_3析晶污垢附着影响的研究现状  32-34
  1.3 过去研究中存在的主要问题  34-35
  1.4 本研究的主要内容  35-37
    1.4.1 研究内容  35-36
    1.4.2 研究方法及章节安排  36-37
第二章表面粗糙度对析晶污垢附着的影响  37-49
  2.1 实验方法与手段  37-38
  2.2 表面粗糙度的表征  38-39
  2.3 实验前后试样的表面形貌  39-41
    2.3.1 生垢前基体的表面相貌  39
    2.3.2 生垢15分钟后试样的表面相貌  39-40
    2.3.3 生垢28小时后试样的表面相貌  40-41
  2.4 增重曲线  41-42
  2.5 污垢试样的X射线衍射分析  42-45
  2.6 实验讨论  45-46
  2.7 本章小结  46-49
第三章碳钢、紫铜和不锈钢抗垢性及耐蚀性的研究  49-65
  3.1 实验方法与手段  49-50
  3.2 接触角和表面自由能表征  50-51
  3.3 实验前后试样的表面形貌  51-57
    3.3.1 生垢前试样的表面形貌  51-52
    3.3.2 生垢15分钟后试样的表面形貌  52-53
    3.3.3 生垢28小时后试样的表面形貌  53-55
    3.3.4 稀醋酸洗垢后试样的表面形貌  55-57
  3.4 增重曲线  57-58
  3.5 污垢试样的X射线衍射分析  58-60
  3.6 电化学腐蚀分析  60-62
  3.7 本章小结  62-65
第四章换热面金属材料相应金属离子的影响  65-77
  4.1 实验方法与手段  66-67
  4.2 离子浓度对析晶污垢的表面形貌的影响  67-70
  4.3 离子浓度对析晶污垢晶型的影响  70-73
  4.4 离子浓度对析晶污垢晶粒尺寸的影响  73-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章 Ni-P镀层和Ni-Cu-P镀层抗垢性及耐蚀性的研究  77-95
  5.1 镀层的制备  77-78
  5.2 实验方法与手段  78
  5.3 接触角和表面自由能表征  78-79
  5.4 实验前后试样的表面形貌  79-85
    5.4.1 生垢前基体的表面相貌  79-80
    5.4.2 生垢15分钟后的表面相貌  80-81
    5.4.3 生垢28小时后的表面相貌  81-83
    5.4.4 稀醋酸洗垢后的表面相貌  83-85
  5.5 增重曲线  85-86
  5.6 X射线衍射分析  86-91
    5.6.1 镀层的物相分析  86-88
    5.6.2 不同时间段收集的垢样分析  88-91
  5.7 电化学腐蚀分析  91-93
  5.8 本章小结  93-95
第六章结论和展望  95-101
  6.1 结论  95-98
  6.2 创新点  98-99
  6.3 展望  99-101
参考文献  101-109
攻读硕士期间发表的论文、参与的课题及所获奖励  109-111
致谢  111-112
学位论文评阅及答辩情况表  112

换热器金属表面行为对其析晶污垢生成特性的影响研究

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