不銹鋼超疏水材料在污泥干化尾氣的換熱研究

＊朱世通 鄧考義

（東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201620）

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，人口不斷增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)以及日常的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了大量污水污泥。這些污泥必須進(jìn)行減量化和無害化，污泥焚燒是最常見的工藝。通常產(chǎn)生的污泥由于含水率高不易焚燒，因此，在焚燒之前必須對(duì)污泥進(jìn)行干化以降低含水率。然而，在污泥干化過程中會(huì)產(chǎn)生大量尾氣，尾氣中含有大量的潛熱，這部分能量如果不加以回收利用將造成大量能源浪費(fèi)。因此，設(shè)計(jì)了一套污泥干化尾氣余熱回收裝置，然而，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)污泥尾氣中含有高濕粉塵，它會(huì)黏附在換熱器表面影響換熱。于是，提出了制備超疏水不銹鋼表面來解決這個(gè)問題，超疏水表面由于具有自清潔性，粉塵不易黏附在換熱器表面，換熱效果更好。靜態(tài)水接觸角（CA）＞150°的材料被定義為超疏水材料，它在防冰[1]、防污[2]、減阻[3]、自清潔[4]、油水分離[5]及冷凝傳熱[6]等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，超疏水材料在換熱方面的研究主要集中在冷凝換熱方面。換熱器暴露于各種條件下會(huì)在表面形成污染物，影響其性能。到目前為止，雖然已經(jīng)有很多關(guān)于生產(chǎn)具有自清潔性的超疏水表面的報(bào)道，但很少有詳細(xì)的研究利用超疏水表面自清潔性除去表面污垢，增強(qiáng)換熱效果。本文利用溶液刻蝕法制備了超疏水不銹鋼表面，并將這種技術(shù)應(yīng)用于換熱管的設(shè)計(jì)，利用含塵的濕空氣模擬污泥干化產(chǎn)生的尾氣，對(duì)比普通不銹鋼管和超疏水不銹鋼管含粉塵工況下的換熱效果。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，超疏水材料的自清潔技術(shù)可以減少換熱器污垢的形成，從而減小換熱器的污垢熱阻，達(dá)到增強(qiáng)換熱的目的。這為各種換熱器減少污垢黏附，方便快速去除污垢，增強(qiáng)換熱研究方面提供了參考。

1.超疏水材料的制備及表征

(1)超疏水材料的制備過程

首先，將尺寸為30mm×10mm×1.5mm的304不銹鋼片分別用320#、1000#的砂紙將不銹鋼表面打磨光滑，然后將打磨好的不銹鋼依次放入丙酮、乙醇和去離子水中超聲清洗，清洗后的樣品放在烘箱中干燥。分別將不同體積的6mL鹽酸（37%）、2mL硝酸（65%）、4mL過氧化氫（30%）和10mL去離子水配置成刻蝕溶液。然后，在35℃下將干燥的不銹鋼片放入刻蝕溶液中刻蝕，刻蝕時(shí)間為30min，刻蝕完成后，將刻蝕不銹鋼表面用去離子水清洗，并且利用氮?dú)獯蹈?。接著，在溫度?0℃下，將刻蝕的不銹鋼浸入濃度為0.03mol/L的硬脂酸乙醇溶液中改性，浸泡時(shí)間為3h。最后，用乙醇沖洗并干燥，得到超疏水樣品。

(2)超疏水不銹鋼管的制備

類似的，如圖1所示，我們將上述方法應(yīng)用于不銹鋼管中，制備了效果良好的超疏水不銹鋼管。并將所制備的超疏水不銹鋼管應(yīng)用于換熱器的換熱管中。

圖1 超疏水不銹鋼換熱管和普通管的潤(rùn)濕性對(duì)比

2.表征

利用接觸角測(cè)量?jī)x（SL200KS，KINO，USA）在環(huán)境溫度下用7μL蒸餾水測(cè)量水接觸角（WCA）。隨機(jī)選擇樣品表面上5個(gè)不同位置，測(cè)量在5個(gè)位置的接觸角，取其算術(shù)平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。

將等量的污泥粉塵均勻散落在普通不銹鋼表面和超疏水不銹鋼表面，用吸管吸取等量的水分別滴于兩個(gè)表面，對(duì)比它們的自清潔性。

3.超疏水材料在增強(qiáng)換熱的研究

（1）換熱器的結(jié)構(gòu)及換熱實(shí)驗(yàn)流程。如圖2所示，水冷夾套換熱器主要由以下幾部分組成：1.超疏水不銹鋼管（或普通不銹鋼管），2.夾套外管（不銹鋼材質(zhì)），3.濕空氣進(jìn)氣口，4.出水口，5.濕空氣出口，6為進(jìn)水口，7、8為壓力表接口，其余未標(biāo)注的為K型熱電偶接口。分別以超疏水不銹鋼管和普通不銹鋼管為換熱內(nèi)管，進(jìn)行了逆流換熱實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，高溫高濕的濕空氣（含粉塵）由換熱器上方3引入，由5引出，換熱介質(zhì)水由6引入，由4引出，水自下而上流動(dòng)，高溫高粉塵的濕空氣自上而下流動(dòng)，在換熱器內(nèi)形成一個(gè)逆流換熱。

圖2 水冷夾套換熱器結(jié)構(gòu)

（2）實(shí)驗(yàn)條件。本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)濕度維持在80%，濕空氣溫度為60℃，粉塵質(zhì)量濃度為5g/m3，混合氣體流速分別為3.75m/s、4.25m/s、4.75m/s、5.25m/s、5.75m/s，冷卻水為自來水，進(jìn)口溫度為19℃；環(huán)境溫度為30℃，所有參數(shù)都是在一個(gè)大氣壓下測(cè)得的。本實(shí)驗(yàn)所用的一些氣體和水的物理性質(zhì)，如表1所示。

表1 干空氣、水蒸氣及水的主要物理性質(zhì)

（3）換熱分析。假設(shè)冷卻水的密度是恒定的，將體積流率轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流率（如圖2所示）。傳熱性能的計(jì)算和分析是基于Leu等人[7]對(duì)改性技術(shù)在增強(qiáng)換熱方面的研究結(jié)果。氣體側(cè)散失的熱量近似等于水側(cè)獲得的熱量，則復(fù)合傳熱系數(shù)h（W/(m2·K)）計(jì)算如式（1）：

其中，A為有效換熱面積（3.14×0.025×1）m2；T2和T1分別為冷卻水的出口溫度和進(jìn)口溫度；m和Cp分別為冷卻水的質(zhì)量流量和定壓比熱，Cp=4.18（J/g℃）。

其中，Ta、Tb、T1和T2分別是逆流傳熱實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的進(jìn)口空氣、出口空氣、進(jìn)口水和出口水的溫度（℃）。

4.結(jié)果與討論

(1)接觸角測(cè)量結(jié)果

如圖3所示，原樣表面的水接觸角為76.5°，呈半球狀，表明其具有親水性；而經(jīng)HCl+HNO3+H2O2刻蝕處理和硬脂酸改性處理的樣品，接觸角由原樣的76.5°增加到了158.3°，實(shí)現(xiàn)了由親水表面向超疏水表面的轉(zhuǎn)變，水滴在其表面呈現(xiàn)完美的球狀。

圖3 樣品接觸角對(duì)比

(2)自清潔測(cè)試

如圖4(a)所示，左邊的為超疏水不銹鋼板，右邊的為原始不銹鋼板分別將等量的污泥粉塵均勻分散在原始不銹鋼表面和超疏水不銹鋼表面，然后用管吸取去離子水，每次在兩個(gè)不銹鋼板表面滴30μL的去離子水，重復(fù)10次，最后觀察不同表面上粉塵的殘留量。圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)左邊的超疏水不銹鋼板具有良好的疏水性和自清潔性，水滴通過滾動(dòng)帶走了污泥粉塵，表面變得非常干凈。而右邊的原樣不銹鋼板具有極強(qiáng)的親水性，水滴在其表面馬上擴(kuò)散，將污泥粉塵潤(rùn)濕，將污泥粉塵牢牢地黏附在不銹鋼表面上，自清潔性差。此實(shí)驗(yàn)表明，超疏水材料具有優(yōu)異的防垢防污性能，在各種換熱器的去污除垢中具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。

圖4 自清潔測(cè)試

(3)不同氣體流速工況下的換熱研究

如圖5所示，在不同氣體流速的工況下，普通不銹鋼管和超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)都隨著氣體流速的增大而增大，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)始終大于普通管。但是在流速相對(duì)較小時(shí)，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)增大較小，在3.75m/s和4.25m/s時(shí)，分別提高了20.1%和12.4%。在相對(duì)較大的流速下，換熱系數(shù)大大提高，并且在空氣流速為4.75m/s時(shí)，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)比普通管高約31.1%，換熱效果大大增強(qiáng)。在氣體流速為3.75～5.75m/s，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)平均比普通管提高了23.9%。原因可能是由于超疏水表面具有自清潔性，冷凝形成的液滴能夠迅速滾落帶走表面黏附的濕污泥粉塵，從而減小了污垢熱阻，換熱性能顯著提高。

圖5 濕空氣流速與換熱系數(shù)的關(guān)系

5.結(jié)論

本文采用溶液刻蝕法使原樣不銹鋼的接觸角由76.5°增加到了158.3°，實(shí)現(xiàn)了由親水表面向超疏水表面轉(zhuǎn)變。自清潔測(cè)試表明所制備超疏水表面具有良好的自清潔性。利用這種方法制備了超疏水不銹鋼管，并將它應(yīng)用于換熱器。利用含粉塵濕空氣模擬污泥干化的尾氣，在粉塵濃度為5g/m3工況下，未處理的普通不銹鋼管和超疏水不銹鋼管都有可能黏附粉塵，從而增加換熱熱阻，但是，超疏水不銹鋼表面可以利用自身的自清潔性減少粉塵黏附，從而減小污垢熱阻，增強(qiáng)了換熱效果，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)比普通管最高提高了約31.1%，在氣體流速為3.75～5.75m/s時(shí)，超疏水不銹鋼管的換熱系數(shù)平均比普通管提高了23.9%。