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在油田地热水的热能利用过程中，常存在着换热设备和管件的腐蚀与结垢问题，尤其是结垢问题，使传热效率下降，能耗增加，是一个尚未很好解决的世界性难题，制约着该类能源的高效利用。微纳米涂层方法被认为是一种具有较大潜力的防腐防垢及强化传热的前沿新技术。本论文首先基于已有的研究工作基础，针对不同金属基底，研究制备了用于华北油田伴生地热水的防腐防垢微纳米涂层，探索了其防腐防垢机理；其次，考察了所研究制备的钛基防垢涂层在垂直加热面上的池沸腾传热及防垢性能；最后对垂直加热面上池沸腾传热过程中的气泡动力学行为进行了数值模拟和验证研究。本文的主要研究内容及结果具体如下：
(1)针对华北油田伴生地热水，采用液相沉积法，在不锈钢基底上，制备了二氧化钛和二氧化钛-氟硅烷两种材料涂层样片，与未进行涂层处理的抛光不锈钢样片一起，开展了三种样片在模拟华北油田地热水中的腐蚀和结垢行为研究。结果表明，二氧化钛-氟硅烷复合材料涂层表面因其疏水性等原因表现出较好的防腐和防污性能，是华北油田伴生地热水应用中的较为适宜的材料表面；对于含有一定比例(Voil∶Vwater=1∶15,1∶25,1∶35,1∶45和1∶55)原油的华北油田地热水，结晶垢和油污会竞争附着在涂层材料表面，且沉积到表面上的结晶垢会增加表面粗糙度，从而更易黏附油污以及沉积结晶垢。
(2)针对铜材在热能利用过程中的存在的结垢和腐蚀问题，研究了铜基超疏水微纳米涂层的制备工艺。在实验条件下获得的较优制备工艺条件为：乙醇溶液中十八烷酸的浓度为0.02mol/L，浸泡温度35℃，浸泡时间120h。在铜基表面形成的超疏水涂层的水静态接触角达157°，接触角滞后约为4.2°。超声辅助刻蚀可以显著缩短刻蚀时间，提高刻蚀均匀度。电化学分析表明，与抛光铜表面相比，铜基超疏水涂层具有更好的防腐防垢性能。
(3)针对钛材换热器在热能利用过程中存在的腐蚀与结垢问题，研究了钛基TiO2纳米管多孔阵列结构超疏水涂层的阳极氧化制备工艺。在实验条件下获得的较优制备工艺条件为：以0.14mol/LNaF和0.5mol/L的H3PO4混合液为电解液，电解电压25V，电解温度50℃，超声辅助阳极氧化时间为1h，然后500℃下煅烧2小时，最后，用氟硅烷疏水改性。制得的钛基超疏水涂层的水静态接触角达161.8°。与纯钛表面和未经疏水改性的钛基二氧化钛纳米管阵列表面相比，制备的钛基超疏水涂层具有较好的耐蚀性和抗垢性。
(4)利用池沸腾实验装置，研究了上述开发制备的防垢钛基超疏水涂层在垂直加热面上的池沸腾传热性能及池沸腾防垢效果，并与未疏水改性的钛基超亲水涂层和裸钛表面进行了比较研究。垂直加热面有利于消除颗粒重力沉降对实验结果造成的影响。结果表明，在低热通量范围内，超疏水TiO2纳米管阵列表面的池沸腾传热性能优于无涂层的裸钛表面和超亲水Ti-TiO2纳米管阵列表面。在CaCO3溶液池沸腾过程中，所制备的超疏水TiO2纳米管阵列表面的污垢热阻，显著低于裸钛样片和超亲水TiO2样片，显示出较好的池沸腾抗垢性能。
(5)针对加热面垂直放置的池核沸腾传热装置系统，建立了垂直加热面上单个气泡产生、生长和脱离的传热模型，并采用MATLAB编写的程序求解和分析了该数学模型。结果表明，增大输入的热通量，可以显著提高气泡的脱离频率；高热通量比低热通量具有更大的传热系数。模拟结果与实验结果对比，一致性较好；与Duan等学者的实验结果相对比，在曲线形态上吻合较好。
上述研究结果对于实现油田伴生地热能的高效经济利用具有重要的指导意义，对于同样面临污垢问题的其他工业也有一定的参考价值。
(1)针对华北油田伴生地热水，采用液相沉积法，在不锈钢基底上，制备了二氧化钛和二氧化钛-氟硅烷两种材料涂层样片，与未进行涂层处理的抛光不锈钢样片一起，开展了三种样片在模拟华北油田地热水中的腐蚀和结垢行为研究。结果表明，二氧化钛-氟硅烷复合材料涂层表面因其疏水性等原因表现出较好的防腐和防污性能，是华北油田伴生地热水应用中的较为适宜的材料表面；对于含有一定比例(Voil∶Vwater=1∶15,1∶25,1∶35,1∶45和1∶55)原油的华北油田地热水，结晶垢和油污会竞争附着在涂层材料表面，且沉积到表面上的结晶垢会增加表面粗糙度，从而更易黏附油污以及沉积结晶垢。
(2)针对铜材在热能利用过程中的存在的结垢和腐蚀问题，研究了铜基超疏水微纳米涂层的制备工艺。在实验条件下获得的较优制备工艺条件为：乙醇溶液中十八烷酸的浓度为0.02mol/L，浸泡温度35℃，浸泡时间120h。在铜基表面形成的超疏水涂层的水静态接触角达157°，接触角滞后约为4.2°。超声辅助刻蚀可以显著缩短刻蚀时间，提高刻蚀均匀度。电化学分析表明，与抛光铜表面相比，铜基超疏水涂层具有更好的防腐防垢性能。
(3)针对钛材换热器在热能利用过程中存在的腐蚀与结垢问题，研究了钛基TiO2纳米管多孔阵列结构超疏水涂层的阳极氧化制备工艺。在实验条件下获得的较优制备工艺条件为：以0.14mol/LNaF和0.5mol/L的H3PO4混合液为电解液，电解电压25V，电解温度50℃，超声辅助阳极氧化时间为1h，然后500℃下煅烧2小时，最后，用氟硅烷疏水改性。制得的钛基超疏水涂层的水静态接触角达161.8°。与纯钛表面和未经疏水改性的钛基二氧化钛纳米管阵列表面相比，制备的钛基超疏水涂层具有较好的耐蚀性和抗垢性。
(4)利用池沸腾实验装置，研究了上述开发制备的防垢钛基超疏水涂层在垂直加热面上的池沸腾传热性能及池沸腾防垢效果，并与未疏水改性的钛基超亲水涂层和裸钛表面进行了比较研究。垂直加热面有利于消除颗粒重力沉降对实验结果造成的影响。结果表明，在低热通量范围内，超疏水TiO2纳米管阵列表面的池沸腾传热性能优于无涂层的裸钛表面和超亲水Ti-TiO2纳米管阵列表面。在CaCO3溶液池沸腾过程中，所制备的超疏水TiO2纳米管阵列表面的污垢热阻，显著低于裸钛样片和超亲水TiO2样片，显示出较好的池沸腾抗垢性能。
(5)针对加热面垂直放置的池核沸腾传热装置系统，建立了垂直加热面上单个气泡产生、生长和脱离的传热模型，并采用MATLAB编写的程序求解和分析了该数学模型。结果表明，增大输入的热通量，可以显著提高气泡的脱离频率；高热通量比低热通量具有更大的传热系数。模拟结果与实验结果对比，一致性较好；与Duan等学者的实验结果相对比，在曲线形态上吻合较好。
上述研究结果对于实现油田伴生地热能的高效经济利用具有重要的指导意义，对于同样面临污垢问题的其他工业也有一定的参考价值。