復(fù)合粉末多孔表面管的沸騰傳熱

1、2005-07-04 收到初稿，2005 收到修改稿。 Received data: 2005-07-04聯(lián)系人：徐宏聯(lián)系人：徐宏. 第一作者：第一作者：劉阿龍 （1979-） ，男，博士研究生。 Corresponding author: Prof. XU Hong. E-mail: 復(fù)合粉末多孔表面管的沸騰傳熱復(fù)合粉末多孔表面管的沸騰傳熱劉阿龍，徐宏，王學(xué)生，周建新，侯峰，王辰（華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 上海 200237）摘要：摘要： 采用管內(nèi)去離子水加熱管外丙酮沸騰的方法對復(fù)合粉末多孔表面管的沸騰傳熱特性進行了實驗研究，獲得了沸騰傳熱系數(shù)和 K 值隨溫度和幾何參數(shù)的變化情況，并

2、與國內(nèi)幾種多孔表面管的試驗結(jié)果進行了比較，同時對多孔管的抗垢性能進行了分析。實驗結(jié)果表明，多孔層孔隙率對沸騰換熱系數(shù)的影響最大，多孔管的沸騰傳熱系數(shù)是同類型的光滑管的 14 倍，多孔管具有一定的抗垢性能。本文的研究結(jié)果為該種類型多孔管的工業(yè)化應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 燒結(jié)多孔涂層；多孔表面管；復(fù)合粉末；強化傳熱 中圖分類號：中圖分類號：TK124TK124 文獻標識碼：文獻標識碼：A A 文章編號：文章編號：2005050820050508Boiling Heat Transfer on Composite Powder Porous Surface TubesLiu Along,

3、 Xu Hong, Wang Xuesheng, Zhou Jianxin, Hou Feng, Wang Chen(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)Abstract: An experiment on enhanced boiling heat transfer with composite powder porous tubes was carried out, which employed

4、no-particle water in tube to heat the acetone of the external surface of tube and made it boil. The coefficient of boiling heat transfer, k and geometric parameters were measured and compared with the experimental results of a smooth tube and domestic others. The resistant to fouling about porous su

5、rface tubes was also studied. The results indicated that the porosity was the most important factor for the coefficient of boiling heat transfer of porous surface tubes. The coefficient of boiling heat transfer of porous surface tubes obtained in this paper could reach the 14 times of that of smooth

6、 tubes at the same condition and porous tubes had the capability of resistant to fouling, which offered scientific data for the industrialization of that type of porous surface tubes.Keywords: sintered porous coating; porous surface tubes; composite powder; heat transfer enhancement1引 言燒結(jié)型多孔表面管能成倍提高

7、沸騰傳熱膜系數(shù)，其優(yōu)良的傳熱性能已經(jīng)得到普遍肯定【1，2】。由于多孔管的傳熱機理復(fù)雜，雖然在國外已經(jīng)進行大規(guī)模的生產(chǎn)，但在國內(nèi)對此種強化傳熱換熱管的研究相對來說還比較滯后。而且大部分集中在銅管的表面燒結(jié)上【3】。我國是一個資源相對缺乏的國家，為了節(jié)約銅資源，更考慮到以后實現(xiàn)工業(yè)化，作者采用了在Q235（工業(yè)換熱器中普遍使用的一種換熱管材）鋼管表面燒結(jié)復(fù)合粉末（銅粉，錫青銅粉+R 粉）的新工藝，在不斷改進燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)上，燒結(jié)出綜合性能優(yōu)良的多孔表面管，此多孔層不但結(jié)合強度高，脆性小，而且不易被氧化腐蝕。本文通過傳熱實驗，研究了多孔表面管的傳熱性能，并對其機理進行了分析。1 實驗裝置與研究1.1

8、1.1 實驗方法實驗方法實驗裝置如圖 1 所示，實驗采用管內(nèi)熱水加熱管外丙酮，通過收集冷凝后的丙酮的質(zhì)量確定多孔管的熱處理能力。熱水在管內(nèi)以一定流速和溫度流動，丙酮通過管壁獲得熱量而沸騰。去離子水首先在恒溫水箱中通過電熱棒加熱，其溫度通過 AI-808P 型人工智能調(diào)節(jié)器來控制。一定量的去離子水，循環(huán)經(jīng)泵進入多孔管。熱水流經(jīng)多孔管時，丙酮通過管壁吸收熱量，然后在沸騰室內(nèi)沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過冷凝器冷凝，然后，回收到計量筒中，通過計量可知道一定時間內(nèi)丙酮的蒸發(fā)量。 本實驗采用 220mm 長（Q235）的復(fù)合粉末多孔表面管。2多孔表面管沸騰傳熱效果評價的方法是測出多孔表面管的傳熱系數(shù)，這也是研究

9、強化傳熱常用的方法【49】，測量傳熱系數(shù)需要測量溫差（壁溫與沸騰介質(zhì)的溫差） ，采用管基體內(nèi)埋設(shè)熱電偶【10】的方法。熱通量的計算公式為： (1)LDtVqL 外188. 410606式中 q 為熱通量 kJm-2hr-1； V 為收集的丙酮體積 ml；t 為蒸出時間 min；L為丙酮密度 kgm-3 ；為丙酮汽化潛熱 kJkg-1； D外為管外徑 m； L 為換熱管長度 m；=q/（Tw-Tl） （2）1.2 實驗過程現(xiàn)象描述實驗過程現(xiàn)象描述光滑管：當(dāng)入口水溫達到 64.5時，光管表面開始有氣泡產(chǎn)生，汽泡集中在管壁表面有凹坑的部位，汽泡小而連續(xù)。幾分鐘后，汽泡消失，管壁凹坑老化。提高入口水溫

10、至66.5，管壁開始有汽泡產(chǎn)生并依附于管壁長大，但數(shù)量較少，在管壁表面游走，然后逸出，逸出較緩慢。繼續(xù)提高入口水溫至 68.5，壁面汽泡長大速度明顯加快，汽泡體積也增大很多，產(chǎn)生汽泡的面積有所增大。當(dāng)入口溫度至 70.5時，壁面產(chǎn)生大量的汽泡，沸騰較為劇烈，汽泡引起室內(nèi)丙酮劇烈攪動，此時量筒內(nèi)丙酮的收集量明顯增多。圖 1 沸騰傳熱裝置的示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of boiling heat transfer device3多孔表面管：在入口水溫 60時就產(chǎn)生大量細而密的汽泡，當(dāng)入口溫度升至 64.5時，多孔表面沸騰已經(jīng)非常劇烈，汽泡依舊不是很大，但發(fā)射頻率非常

11、高，管壁完全被汽泡包圍，幾乎無法看到管壁（如圖 2 所示）；當(dāng)入口水溫提高到 70.5時，汽液界面在大量汽泡的攪動下幾乎消失。1.31.3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析測定在不同加熱功率下，恒溫水箱的水溫，沸騰室的入口水的溫度，沸騰室的出口水的溫度，沸騰室中丙酮的沸騰溫度，壁溫和測量的時間，收集到的丙酮等物理量。通過公式（1） 、 （2）計算出熱通量 q 和 。圖 3 是三種作者自制的多孔管和光滑管的加熱溫度與熱通量的曲線關(guān)系。表 1 是三種多孔管的參數(shù)。 No.Thickness/mmPorosity/Equivalent radius/m10.1745.468.620.2362.7

12、64.430.2270.663.0Note：1） composite powder；2）Q235；3）220mm，23x1.5mm表 1 三種多孔管的參數(shù)Table 1 Factors of three porous surface tubes圖 3 不同多孔管和光滑管的熱通量對比Fig.3 Comparision of heat flux of different porous surface tubes and smooth tube00.511.522.533.560708090T/q/105kJm-2hr-1Q235 smooth tube1# porous surfacetube#

13、porous surfacetube# porous surfacetube圖 2 多孔管在 64.5時的換熱效果Fig.2 Result of heat transfer of porous tube at 64.54圖 3 描述了三種多孔管與光滑管的熱通量與入口溫度之間的關(guān)系曲線。由圖可以看出三種多孔表面管的換熱效果相差不大，但是都比光滑管高出很多。其中 3 號多孔表面管的熱通量在相同的入口溫度下最大（其中 3 號、2 號、1 號多孔管的孔隙率分別為70.6、62.7、45.4） ，可以看出孔隙率對多孔管的換熱性能影響很大，是多孔管的一個重要參數(shù)，因此多孔管一般都追求高的孔隙率。圖 4 表

14、示在不同熱通量時，多孔表面和光滑表面的沸騰傳熱系數(shù)?？梢钥闯鲭S著熱通量的增長，多孔表面管的沸騰傳熱系數(shù)迅速增加，多孔管的沸騰傳熱系數(shù)約為光滑管的 14倍。為了比較客觀的反應(yīng)本文所研究的燒結(jié)型多孔表面管的換熱性能，我們將所燒結(jié)的 302468101260657075808590T/Kporous tube ofZhejiangporous tube ofBeijing3# porous tube圖 6 不同多孔管 K 值的對比Fig.6 Comparision of K of different porous tubes0123456700.511.522.533.5q/105kJm-2hr-1

15、/105kJm-2hr-1-1porous tube ofZhejiangporous tube ofBeijing3# porous tube圖 7 不同多孔管的沸騰換熱系數(shù)的對比Fig.7 Comparision of boiling coefficient of heat transfer of different porous tubes012345600.511.522.53q/105 kJm-2Hr-1/105kJM-2hr-1.-13# porous surface tubeQ235smooth tube圖 4 多孔管和光滑管的沸騰換熱系數(shù)的對比Fig.4 Comparision

16、 of boiling coefficient of heat transfer of porous surface tube and smooth tube圖 5 不同多孔管的熱通量的對比Fig.5 Comparision of heat flux of different porous surface tubes 00.511.522.533.546065707580859095T/q/105kJm-2hr-1Q235 smooth tube3# porous tubeporous tube ofBeijingporous tube ofZhejiang5號多孔表面管與國內(nèi)其他研究人員所燒

17、結(jié)出的多孔表面管的傳熱性能進行了比較，結(jié)果如圖 5、圖 6 和圖 7 所示。由圖 5 和圖 7 可以看出，在相同的條件下的熱通量和沸騰傳熱系數(shù)基本上與浙江省冶金研究院的多孔管（孔隙率 4060）【11】的熱通量相當(dāng)，很明顯本文的多孔管的換熱能力比北京化工研究院的多孔管（孔隙率 5060）【3】強。為了更直觀地反應(yīng)多孔表面管強化沸騰傳熱的效果，我們采用了多孔管換熱能力提高倍數(shù) K(在相同溫度下多孔管與光滑管的熱通量的比值)進行分析。圖 6 表示了我們所燒結(jié)的多孔管和浙江省冶金研究院燒結(jié)的多孔管以及北京化工研究院燒結(jié)的多孔表面管的換熱能力的對比?？梢钥闯鑫覀儫Y(jié)的多孔表面管的換熱能力明顯的高于另外

18、兩種燒結(jié)型多孔表面管，在 70時本文多孔管的換熱能力幾乎是北京化工研究院的多孔管的 5 倍，是浙江省冶金研究院燒結(jié)的多孔管的 1.4 倍。由圖 3 可以看出，多孔管在相同溫度下的熱通量與光滑管相比提高非常明顯，在70.35時 3 號多孔管的熱通量達到光滑管的 12.6 倍，隨著溫度的升高，在相同溫度下多孔管的熱通量與光滑管的熱通量的比值有所下降，但是在 83.28時 2 號多孔管的熱通量也達到光滑管的 4.07 倍；另一方面，多孔管在 60左右就開始產(chǎn)生大量氣泡，而光滑管在70左右的時候才在壁面上產(chǎn)生大量的汽泡；而且，氣泡較大，也不如多孔管的氣泡密集；氣泡發(fā)射的頻率也沒有多孔管高。由表 1 和

19、圖 3 中可以看出孔隙率對多孔管的傳熱效果影響最大。下面的圖 8 反映出了多孔管的微觀形貌。其中暗的地方是孔穴，亮的地方是金屬。 .1.4 強化傳熱機理分析強化傳熱機理分析要徹底了解多孔管沸騰強化傳熱的機理，必須從氣泡動力學(xué)的角度來研究氣泡的行為。圖 8 1# 多孔管 SEM（x90）Fig.8 1# Porous tube SEM（x90）6單個氣泡的成長過程可分為以下五個階段【12,13】:氣泡生成，初期長大，中期長大，中止長大，可能的萎縮。即使在光滑管表面上，氣泡也是在加熱表面上，某些微小的凹坑和細微裂縫處成核的，而多孔管的表面由上面的三張顯微照片上可以看出，屬于一種內(nèi)凹型的，內(nèi)部連通的

20、多孔結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，正好成為了氣泡的理想胚胎。這種成核模型也可以用捕捉機理予以解釋。多孔管的表面有大量內(nèi)凹型的空穴，可以產(chǎn)生大量的氣泡核心，因此多孔管的氣泡的發(fā)射頻率非常高，而且，比較連續(xù)，因為，在大的氣泡脫離多孔層表面后，新的氣泡核心被截留在孔穴中，這樣可以周而復(fù)始的產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的發(fā)射頻率越高，帶走的熱量越多，換熱效率就越高；另一方面，氣泡脫離壁面后，大量的氣柱在管子表面上形成了類似自然對流引起的蜂窩狀的流型。這種流動會減小液體與管道表面之間的層流層，從而明顯的強化傳熱；而且，由于多孔層的特殊結(jié)構(gòu)，在表面張力的作用下，首先，液體中小的氣泡核心被截留在多孔層內(nèi)，然后由于氣泡頂部核和底部

21、的溫差使表面張力產(chǎn)生了微小的變化，從而促使熱流體離開壁面，并產(chǎn)生向上噴射流動。因此多孔表面管可以在氣泡成長的各個階段，促進氣泡的生長，提高傳熱效率【14】。1.5 阻垢性能分析阻垢性能分析多孔覆蓋層表面強化沸騰傳熱，這是大多數(shù)人容易理解和接受的，但對其工業(yè)應(yīng)用不少人持懷疑態(tài)度。因為工業(yè)上蒸發(fā)器多多少少會結(jié)垢，而為了避免結(jié)垢，常將表面做成光滑的。對此，美國聯(lián)合碳化物公司的 Gottzmann 和日本日立公司的 Watarn 等人用多孔覆蓋層表面管進行了結(jié)垢試驗，結(jié)果表明多孔表面管具有抗垢性能，其結(jié)垢速率明顯低于光滑表面管。ONeill 等曾用 HIGH FLUX 管（美國聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)的表面

22、多孔管商標）組裝的換熱器做實驗【15】，使用的工質(zhì)是含油 9%的丙稀，經(jīng)過長達兩年半的運行，換熱器的性能沒有顯著變化，仍然比常規(guī)換熱器的總傳熱系數(shù)高 6 倍。2 結(jié)論(1)多孔表面管可以比光滑管提前 10左右，就進入劇烈沸騰狀態(tài)。(2)在 70.35時 3 號多孔管的熱通量達到光滑管的 12.6 倍，換熱效果非常明顯，因為多孔層能產(chǎn)生大量的汽化核心，并且增加了換熱面積，因此換熱能力極大的提高，同時具有優(yōu)良的抗垢性能，所以燒結(jié)型多孔表面管有良好的應(yīng)用前景。(3)在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，多孔管的熱通量的提高能力隨著加熱流體溫度的升高而減小。 (4）在多孔管的三個參數(shù)（厚度，當(dāng)量孔徑，孔隙率）中，孔隙率對

23、換熱效率的貢獻最大，因為多孔管能強化傳熱主要依賴于汽化核心的數(shù)量和氣泡脫離的頻率，孔隙率增大，能夠增加汽化核心的數(shù)量。7(5）本文采用了合適的粉末并且優(yōu)化了燒結(jié)工藝，所以燒結(jié)的復(fù)合粉末多孔管在國內(nèi)同行中處于領(lǐng)先地位。參考文獻：參考文獻：1 楊冬, 李永星, 陳聽寬, 李斌. 多孔表面管內(nèi)高沸點工質(zhì)的強化流動沸騰換熱與阻力特性J. 化工學(xué)報, 2004,55 (10): 1631-16372 Goto M, Inoue N, Ishiwatari N. Condensation and Evaporation Heat Transfer of R410A inside Internally Gr

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