强化沸腾传热的方法

1、沸腾传热强化技方法及比较摘要 针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。关键词 沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；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 前言在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重

3、要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。2沸腾强化传热技术对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础, 已有的研究表

4、明, 影响汽泡状沸腾传热的主要因素有：( 1) 流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多, 汽泡脱离频率增大, 因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小, 则汽泡脱离频率增高, 因而能增强沸腾传热。( 2) 换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明, 同一液体在抛光壁面上沸腾传热时, 其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低,这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热

5、系数也有相当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组合得好, 湿润程度大, 则传热系数高。( 3) 换热面布置及形状的影响当换热面为水平平板且由上向下放热时,由于汽泡不易从换热面上散出, 因而传热系数低于换热面由下向上放热的情况。对水平放置的管束, 由于上升的蒸汽在上部流速较大, 引起了附加扰动, 因而位于其上部管子的传热系数比下部管子的传热系数高。此外, 换热面和容器的几何形状, 对汽泡运动和沸腾传热均有影响。现有的池沸腾传热强化方法主要从增加汽化核心数和提高汽泡脱离频率两方面来强化沸腾传热过程。研究的方法主要有表面粗糙法、表面特殊处理法、扩展表面法、添加剂法、机械搅拌法、振动法、静电场法和抽

6、压法等。对于管道中的强制对流沸腾, 由于强制对流和沸腾现象一起发生, 使得其传热机理变得十分复杂。影响流动沸腾传热的主要因素有流速、热流密度及热力学干度, 此外, 换热面形状、几何结构尺寸、工质流动方式等也对传热系数有一定的影响。因此, 其强化传热的处理与池沸腾的强化传热有不同的特点。3 多孔表面的制造方法及其强化效果多孔表面的制造方法主要可分为两类: 多孔覆盖表面和开孔多孔表面。多孔覆盖表面即在换热表面上加一层多孔覆盖物, 作为覆盖层的材料可以是铜、铝、不锈钢和其它合金, 制造方法大致有烧结金属粉末法、火焰喷涂法、电镀法、覆盖金属丝网法等; 开孔多孔表面即在换热表面上加工出所需的内凹穴, 加

7、工方法大致有机械加工法、电化学腐蚀法、激光加工法等各种方法加工出来的多孔表面形式不同, 强化传热性能不同, 且各有优劣。3.1 粉末烧结法粉末烧结多孔表面的制造方法: 先将基体金属表面去除锈和油垢, 然后涂上一层粘剂溶液,将金属粉末均匀地粘在基体表面上, 当粘结剂溶液风干后, 将其放置于烧结炉内, 在氢气保护下加热至金属粉末表面有熔化趋势, 恒温20min 左右,使粘结剂分解挥发, 金属粉末烧结成一体并烧结在基体上, 这样就在金属基体表面形成一层多孔金属覆盖层 1 ( 见图1) 。多孔金属覆盖层不仅可烧结在金属管外壁面上, 也可烧结在金属管内壁面上。多孔层厚度一般小于3mm, 孔隙率为40%

8、65%。粉末烧结法是国内外研究开发最早、较为成熟的一种多孔表面制造方法。图1 金属粉末烧结多孔表面示意( High Flux)美国Union Carbide 公司的High Flux(HF) 管表面多孔层颗粒直径为0. 01 0. 1mm, 厚度为0. 25mm 左右, 孔隙率为50% 65% 1 。与光滑管相比,HF 管的沸腾换热系数可提高10 倍左右( 见图2) , 强化效果非常显著, 总传热系数为光滑管的3 8 倍。时沸腾温可降低到1左右, 临界热流密度可以提高1 倍( 见图3)图2 HF 管池内沸腾曲线( 􀀁Ts= Tw - Ts)图3 各种强化表面单管池沸腾实验结果

9、比较示意( 工质: 对二甲苯)北京化工研究院于20 世纪70 年代后期也进行了表面多孔管的试制 2 : 其多孔层由260 300目的青铜粉烧结而成, 多孔层厚度为0. 25 0. 5mm, 孔隙率为50% 60%。以丙酮为工质进行了试验, 结果表明在热负荷为25 35kW/ m2 范围内, 沸腾换热系数可以达到普通管的7 8 倍( 见图4) 。图4 多孔管与光滑管沸腾效果比较示意除了优良的换热性能外, 粉末烧结多孔表面高效传热管沸腾工质为水和低碳烃时有着很强的防结垢能力。高效传热管被广泛应用在乙烯工厂中的低碳烃的分离、液化以及浓缩水溶液分段多效蒸发器及热管中。但是, 粉末烧结法制造多孔表面管在

10、带来高效强化效果的同时, 也产生了严重的沸腾滞后, 如图5 所示。图5 HF 管对R􀀁12 的热滞后特性示意而对于水和R113 等其他工质, HF 管的滞后更严重。另外, 粉末烧结多孔表面的加工能耗大,3. 2 火焰喷涂法采用特殊的火焰喷涂枪将不同粒度的金属粉末( 如铝粉等) 和作辅助造孔剂的有机高分子材料粉末或低熔点金属粉末混合物高速地喷射到经处理、预热好的金属管外表面基体上, 使之产生一定的化学冶金结合，然后再用火焰将多余的有机高分子材料粉末烧掉。图6 和图7 分别是乙醇和R􀀁113 在三种不同厚度喷涂多孔表面上的沸腾换热实验结果.图中, ， 和

11、48577; 分别是没有经过浸泡和老化处理的新多孔表面上得到的升负荷沸腾换热曲线. ，和 分别是降负荷沸腾换热曲线. 光滑表面上的沸腾换热曲线也表示在图中, 以便于比较. 图中可见, 喷涂多孔表面在比较低的温差下就激发并维持沸腾, 具有比光滑表面高2 5倍的沸腾换热系数. 喷涂多孔表面沸腾换热机理与烧结粉末多孔表面相同 6 . 在喷涂多孔层内, 有大量的形状不同的孔穴和槽道, 形成了一系列的进入型和再进入型具有良好聚集气( 汽)体能力的孔穴. 这些孔穴能够聚集蒸汽或不凝结气体, 成为稳定的沸腾活化中心.图6 喷涂多孔表面乙醇沸腾曲线图图7 喷涂多孔表面R􀀁113 沸腾曲线因此

12、, 喷涂多孔表面可以使沸腾起始温差减小. 因为, 孔穴是相互连通的, 在沸腾爆发后,多孔层内形成了许多大大小小的蒸汽区, 在这些蒸汽区周围的颗粒表面上形成了大面积薄液膜, 液膜强烈蒸发导致热阻显著降低, 因而, 沸腾传热得到了强化.实验还表明, 喷涂多孔表面的沸腾传热性能没有烧结多孔表面的性能好 6 . 这因为, 喷涂多孔层的空隙率比烧结多孔层低, 喷涂多孔层中孔穴相互连通性没有烧结多孔层好,喷涂多孔层内薄液膜面积比烧结多孔层少, 所以, 喷涂多孔层内汽液两相流动循环比烧结多孔层差. 因此, 需要改进喷涂技术, 以提高喷涂多孔层的空隙率和沸腾传热性能.4 结论（1）影响多孔表面沸腾换热的因素有

13、很多,如丝网覆盖多孔层的材质、厚度、孔径、孔隙率结构形状等。一般来说, 多孔层的导热性能越好, 强化效果越好; 而多孔层的厚度、孔径、结构则对于不同的介质存在不同的最佳值。目前各个因素对强化传热的具体影响还不清楚, 对强化沸腾传热只能在特定情况( 如特定的工质种类、压力等) 下给出经验关系式。今后应对多孔表面强化沸腾换热的影响因素进行深入分析, 从而完善其强化沸腾传热机理的研究。（2）粉末烧结法具有优良的换热性能, 另外粉末烧结多孔表面高效传热管沸腾工质为水和低碳烃时有着很强的防结垢能力。(3) 喷涂多孔表面激发沸腾时壁面过热度低, 沸腾传热系数高, 强化传热的热流范围大, 因此, 喷涂多孔表面是热管和蒸发器表面多孔结构的一种有效形式.(4) 喷涂技术不仅具有设备简单、操作方便和费用低