強(qiáng)化沸騰傳熱的方法

1、沸騰傳熱強(qiáng)化技方法及比較摘要 針對(duì)強(qiáng)化沸騰傳熱方法，本文主要主要對(duì)粉末燒結(jié)法、噴涂法進(jìn)行了介紹，分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn), 并對(duì)各種方法的強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞 沸騰傳熱；強(qiáng)化傳熱；噴涂多孔表面；粉末多孔表面Boiling heat transfer enhancement techniques and comparisonAbstract: To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray me

2、thod .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect.Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface1 前言在常規(guī)能源不斷減少, 節(jié)約和有效使用能源的要求不斷提高的形勢(shì)下, 強(qiáng)化傳熱技術(shù)已經(jīng)成為傳熱研究領(lǐng)域的一個(gè)重

3、要課題. 強(qiáng)化傳熱研究, 特別是強(qiáng)化沸騰傳熱研究, 對(duì)提高能源的有效利用率, 新能源開發(fā)和高熱負(fù)荷下材料的熱保護(hù)等有重要意義. 目前強(qiáng)化沸騰傳熱的主要方法是改善傳熱表面結(jié)構(gòu)。常用的表面結(jié)構(gòu)有各種形狀的溝槽、肋片和多孔表面。其中自20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的多孔表面換熱器以其高效沸騰換熱、低溫差沸騰、高臨界熱流密度和良好的反堵塞能力, 已成為一種工業(yè)應(yīng)用前景廣泛的換熱裝置。本文主要進(jìn)行噴涂多孔表面、粉末多孔表面等沸騰傳熱研究, 分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn), 并對(duì)各種方法的強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行了比較。2沸騰強(qiáng)化傳熱技術(shù)對(duì)汽泡的成因和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究是掌握沸騰原理和探討沸騰傳熱強(qiáng)化方法的基礎(chǔ), 已有的研究表

4、明, 影響汽泡狀沸騰傳熱的主要因素有：( 1) 流體特性參數(shù)的影響汽體壓力增高能使汽化核心增多, 汽泡脫離頻率增大, 因而能使沸騰傳熱增強(qiáng)。流體與換熱表面的接觸角小, 則汽泡脫離頻率增高, 因而能增強(qiáng)沸騰傳熱。( 2) 換熱面特性的影響換熱面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新舊程度都能影響沸騰傳熱的強(qiáng)弱。試驗(yàn)表明, 同一液體在拋光壁面上沸騰傳熱時(shí), 其傳熱系數(shù)比在粗糙壁面上沸騰傳熱時(shí)低,這主要是由于光潔表面上汽化核心較少的緣故。液體在新的換熱面上沸騰時(shí), 傳熱系數(shù)較高, 隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng), 一部分汽化核心喪失了汽化能力, 于是傳熱系數(shù)逐漸下降到某一穩(wěn)定值。傳熱面材料能否被液體濕潤(rùn), 對(duì)傳熱

5、系數(shù)也有相當(dāng)影響, 同樣條件下, 液體和材料特性組合得好, 濕潤(rùn)程度大, 則傳熱系數(shù)高。( 3) 換熱面布置及形狀的影響當(dāng)換熱面為水平平板且由上向下放熱時(shí),由于汽泡不易從換熱面上散出, 因而傳熱系數(shù)低于換熱面由下向上放熱的情況。對(duì)水平放置的管束, 由于上升的蒸汽在上部流速較大, 引起了附加擾動(dòng), 因而位于其上部管子的傳熱系數(shù)比下部管子的傳熱系數(shù)高。此外, 換熱面和容器的幾何形狀, 對(duì)汽泡運(yùn)動(dòng)和沸騰傳熱均有影響。現(xiàn)有的池沸騰傳熱強(qiáng)化方法主要從增加汽化核心數(shù)和提高汽泡脫離頻率兩方面來強(qiáng)化沸騰傳熱過程。研究的方法主要有表面粗糙法、表面特殊處理法、擴(kuò)展表面法、添加劑法、機(jī)械攪拌法、振動(dòng)法、靜電場(chǎng)法和抽

6、壓法等。對(duì)于管道中的強(qiáng)制對(duì)流沸騰, 由于強(qiáng)制對(duì)流和沸騰現(xiàn)象一起發(fā)生, 使得其傳熱機(jī)理變得十分復(fù)雜。影響流動(dòng)沸騰傳熱的主要因素有流速、熱流密度及熱力學(xué)干度, 此外, 換熱面形狀、幾何結(jié)構(gòu)尺寸、工質(zhì)流動(dòng)方式等也對(duì)傳熱系數(shù)有一定的影響。因此, 其強(qiáng)化傳熱的處理與池沸騰的強(qiáng)化傳熱有不同的特點(diǎn)。3 多孔表面的制造方法及其強(qiáng)化效果多孔表面的制造方法主要可分為兩類: 多孔覆蓋表面和開孔多孔表面。多孔覆蓋表面即在換熱表面上加一層多孔覆蓋物, 作為覆蓋層的材料可以是銅、鋁、不銹鋼和其它合金, 制造方法大致有燒結(jié)金屬粉末法、火焰噴涂法、電鍍法、覆蓋金屬絲網(wǎng)法等; 開孔多孔表面即在換熱表面上加工出所需的內(nèi)凹穴, 加

7、工方法大致有機(jī)械加工法、電化學(xué)腐蝕法、激光加工法等各種方法加工出來的多孔表面形式不同, 強(qiáng)化傳熱性能不同, 且各有優(yōu)劣。3.1 粉末燒結(jié)法粉末燒結(jié)多孔表面的制造方法: 先將基體金屬表面去除銹和油垢, 然后涂上一層粘劑溶液,將金屬粉末均勻地粘在基體表面上, 當(dāng)粘結(jié)劑溶液風(fēng)干后, 將其放置于燒結(jié)爐內(nèi), 在氫氣保護(hù)下加熱至金屬粉末表面有熔化趨勢(shì), 恒溫20min 左右,使粘結(jié)劑分解揮發(fā), 金屬粉末燒結(jié)成一體并燒結(jié)在基體上, 這樣就在金屬基體表面形成一層多孔金屬覆蓋層 1 ( 見圖1) 。多孔金屬覆蓋層不僅可燒結(jié)在金屬管外壁面上, 也可燒結(jié)在金屬管內(nèi)壁面上。多孔層厚度一般小于3mm, 孔隙率為40%

8、65%。粉末燒結(jié)法是國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)最早、較為成熟的一種多孔表面制造方法。圖1 金屬粉末燒結(jié)多孔表面示意( High Flux)美國(guó)Union Carbide 公司的High Flux(HF) 管表面多孔層顆粒直徑為0. 01 0. 1mm, 厚度為0. 25mm 左右, 孔隙率為50% 65% 1 。與光滑管相比,HF 管的沸騰換熱系數(shù)可提高10 倍左右( 見圖2) , 強(qiáng)化效果非常顯著, 總傳熱系數(shù)為光滑管的3 8 倍。時(shí)沸騰溫可降低到1左右, 臨界熱流密度可以提高1 倍( 見圖3)圖2 HF 管池內(nèi)沸騰曲線( 􀀁Ts= Tw - Ts)圖3 各種強(qiáng)化表面單管池沸騰實(shí)驗(yàn)結(jié)果

9、比較示意( 工質(zhì): 對(duì)二甲苯)北京化工研究院于20 世紀(jì)70 年代后期也進(jìn)行了表面多孔管的試制 2 : 其多孔層由260 300目的青銅粉燒結(jié)而成, 多孔層厚度為0. 25 0. 5mm, 孔隙率為50% 60%。以丙酮為工質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn), 結(jié)果表明在熱負(fù)荷為25 35kW/ m2 范圍內(nèi), 沸騰換熱系數(shù)可以達(dá)到普通管的7 8 倍( 見圖4) 。圖4 多孔管與光滑管沸騰效果比較示意除了優(yōu)良的換熱性能外, 粉末燒結(jié)多孔表面高效傳熱管沸騰工質(zhì)為水和低碳烴時(shí)有著很強(qiáng)的防結(jié)垢能力。高效傳熱管被廣泛應(yīng)用在乙烯工廠中的低碳烴的分離、液化以及濃縮水溶液分段多效蒸發(fā)器及熱管中。但是, 粉末燒結(jié)法制造多孔表面管在

10、帶來高效強(qiáng)化效果的同時(shí), 也產(chǎn)生了嚴(yán)重的沸騰滯后, 如圖5 所示。圖5 HF 管對(duì)R􀀁12 的熱滯后特性示意而對(duì)于水和R113 等其他工質(zhì), HF 管的滯后更嚴(yán)重。另外, 粉末燒結(jié)多孔表面的加工能耗大,3. 2 火焰噴涂法采用特殊的火焰噴涂槍將不同粒度的金屬粉末( 如鋁粉等) 和作輔助造孔劑的有機(jī)高分子材料粉末或低熔點(diǎn)金屬粉末混合物高速地噴射到經(jīng)處理、預(yù)熱好的金屬管外表面基體上, 使之產(chǎn)生一定的化學(xué)冶金結(jié)合，然后再用火焰將多余的有機(jī)高分子材料粉末燒掉。圖6 和圖7 分別是乙醇和R􀀁113 在三種不同厚度噴涂多孔表面上的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖中, ， 和

11、48577; 分別是沒有經(jīng)過浸泡和老化處理的新多孔表面上得到的升負(fù)荷沸騰換熱曲線. ，和 分別是降負(fù)荷沸騰換熱曲線. 光滑表面上的沸騰換熱曲線也表示在圖中, 以便于比較. 圖中可見, 噴涂多孔表面在比較低的溫差下就激發(fā)并維持沸騰, 具有比光滑表面高2 5倍的沸騰換熱系數(shù). 噴涂多孔表面沸騰換熱機(jī)理與燒結(jié)粉末多孔表面相同 6 . 在噴涂多孔層內(nèi), 有大量的形狀不同的孔穴和槽道, 形成了一系列的進(jìn)入型和再進(jìn)入型具有良好聚集氣( 汽)體能力的孔穴. 這些孔穴能夠聚集蒸汽或不凝結(jié)氣體, 成為穩(wěn)定的沸騰活化中心.圖6 噴涂多孔表面乙醇沸騰曲線圖圖7 噴涂多孔表面R􀀁113 沸騰曲線因此

12、, 噴涂多孔表面可以使沸騰起始溫差減小. 因?yàn)? 孔穴是相互連通的, 在沸騰爆發(fā)后,多孔層內(nèi)形成了許多大大小小的蒸汽區(qū), 在這些蒸汽區(qū)周圍的顆粒表面上形成了大面積薄液膜, 液膜強(qiáng)烈蒸發(fā)導(dǎo)致熱阻顯著降低, 因而, 沸騰傳熱得到了強(qiáng)化.實(shí)驗(yàn)還表明, 噴涂多孔表面的沸騰傳熱性能沒有燒結(jié)多孔表面的性能好 6 . 這因?yàn)? 噴涂多孔層的空隙率比燒結(jié)多孔層低, 噴涂多孔層中孔穴相互連通性沒有燒結(jié)多孔層好,噴涂多孔層內(nèi)薄液膜面積比燒結(jié)多孔層少, 所以, 噴涂多孔層內(nèi)汽液兩相流動(dòng)循環(huán)比燒結(jié)多孔層差. 因此, 需要改進(jìn)噴涂技術(shù), 以提高噴涂多孔層的空隙率和沸騰傳熱性能.4 結(jié)論（1）影響多孔表面沸騰換熱的因素有

13、很多,如絲網(wǎng)覆蓋多孔層的材質(zhì)、厚度、孔徑、孔隙率結(jié)構(gòu)形狀等。一般來說, 多孔層的導(dǎo)熱性能越好, 強(qiáng)化效果越好; 而多孔層的厚度、孔徑、結(jié)構(gòu)則對(duì)于不同的介質(zhì)存在不同的最佳值。目前各個(gè)因素對(duì)強(qiáng)化傳熱的具體影響還不清楚, 對(duì)強(qiáng)化沸騰傳熱只能在特定情況( 如特定的工質(zhì)種類、壓力等) 下給出經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。今后應(yīng)對(duì)多孔表面強(qiáng)化沸騰換熱的影響因素進(jìn)行深入分析, 從而完善其強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理的研究。（2）粉末燒結(jié)法具有優(yōu)良的換熱性能, 另外粉末燒結(jié)多孔表面高效傳熱管沸騰工質(zhì)為水和低碳烴時(shí)有著很強(qiáng)的防結(jié)垢能力。(3) 噴涂多孔表面激發(fā)沸騰時(shí)壁面過熱度低, 沸騰傳熱系數(shù)高, 強(qiáng)化傳熱的熱流范圍大, 因此, 噴涂多孔表面是熱管和蒸發(fā)器表面多孔結(jié)構(gòu)的一種有效形式.(4) 噴涂技術(shù)不僅具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和費(fèi)用低