热交换器非晶防垢镀层及防垢机理研究

本项目以换热表面广泛存在的污垢为研究背景，以采用表面改性处理换热表面使其具备抗垢性能以及强化传热性能为研究目标，采用化学镀的方法，在Ni-P镀层中引入过渡元素X(如Cu, Mo, W, Co, Sn, Cr等)制备2-3种含不同X元素的三元Ni-P-X镀层，揭示不同X元素加入对镀层非晶形成能力以及热稳定性的影响规律，以期获得更为稳定的镀层。同时，搭建典型污垢沉积试验装置，测定污垢的沉积量，建立三元Ni-P-X改性换热表面污垢沉积量的模型；结合三元Ni-P-X镀层表面自由能及污垢与基体界面的研究，分析三元Ni-P-X镀层表面污垢的形成及粘附机理。最后，测定三元Ni-P-X镀层换热元件的传热特性，探明三元Ni-P-X镀层表面强化传热的机理。本项目旨在揭示三元Ni-P-X镀层在抗垢性能、热稳定性能以及强化传热性能方面的规律，为三元Ni-P-X镀层在热交换器防垢以及强化传热方面的应用奠定理论基础。

本项目研究了三元Ni-Cu-P镀层、三元Ni-W-P镀层，Ni-Cu-P-PTFE镀层的抗垢性能，分别得到下面的研究结论。.三元Ni-Cu-P镀层中铜元素的含量随硫酸铜浓度的增加而依次增加，同时，三元Ni-Cu-P镀层的沉积速度依次增加，镀层热稳定性呈现出近似线性的提高，而三元Ni-Cu-P镀层的晶态结构呈现为非晶态的馒头状衍射峰，随三元Ni-Cu-P镀层中铜元素的含量随之增加，镀层的X射线衍射图谱中扫描强度峰的高度依次有所增加，呈现出晶体化的趋势。过多的铜元素不但不能继续细化三元Ni-Cu-P镀层的结构组织，反而会使镀层的结构组织变得粗大，从而造成三元Ni-Cu-P镀层的显微硬度下降。与未经表面处理的不锈钢换热表面相比，不锈钢表面的污垢沉积速度远高于经过三元Ni-Cu-P镀层表面改性后污垢的沉积速度。在耐蚀性方面，三元Ni-Cu-P镀层合金在5%硫酸溶液中，三元Ni-Cu-P镀层在硫酸溶液中的耐腐蚀性能决定于镀层中磷的含量，而对于三元Ni-Cu-P镀层在3.5%氯化钠水溶液中的腐蚀速度与镀层的铜含量呈相反的趋势。三元Ni-W-P镀层随着镀液中钨酸钠浓度的增加，镀层表面更加平整致密；钨元素含量增加，磷元素含量减少，镀层沉积速度呈减小的趋势。.三元Ni-W-P镀层中钨元素具有细化晶粒的作用，提高钨元素含量，能够改善镀层的粗糙度及摩擦磨损性能，并提高了镀层的硬度及结合强度，但并非钨元素含量越高，镀层弹性模量就越高。随着三元Ni-W-P镀层中钨元素含量的增加，三元Ni-W-P镀层中纳米晶相含量增加，其热稳定也得到显著改善，同时，镀层晶粒转变的激活能随着钨元素含量的增加而呈增大趋势。三元Ni-W-P镀层中钨元素含量越低，其表面自由能值越低，抗垢能力也越强。同时，钨元素含量不同三元Ni-W-P镀层的抗垢性能均优于低碳钢。.PTFE粒子的加入几乎没有改变Ni-Cu-P-PTFE镀层的组织，随着镀层中PTFE粒子含量的增加，Ni-Cu-P-PTFE镀层的硬度降低，表面自由能降低。在抗垢性能方面，与换热器低碳钢表面相比，Ni-Cu-P-PTFE镀层表面抑制了污垢的黏附，污垢的增加速度随着PTFE含量的增大而降低，理论上，更光滑的换热表面不能提高镀层的抗垢效果。