強化沸騰傳熱的方法

1、沸騰傳熱強化技方法及比較摘要 針對強化沸騰傳熱方法，本文主要主要對粉末燒結法、噴涂法進行了介紹，分析了各種方法的優(yōu)缺點, 并對各種方法的強化傳熱效果進行了比較。關鍵詞 沸騰傳熱；強化傳熱；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下, 強化傳熱技術已經(jīng)成為傳熱研究領域的一個重

3、要課題. 強化傳熱研究, 特別是強化沸騰傳熱研究, 對提高能源的有效利用率, 新能源開發(fā)和高熱負荷下材料的熱保護等有重要意義. 目前強化沸騰傳熱的主要方法是改善傳熱表面結構。常用的表面結構有各種形狀的溝槽、肋片和多孔表面。其中自20 世紀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)應用前景廣泛的換熱裝置。本文主要進行噴涂多孔表面、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, 并對各種方法的強化傳熱效果進行了比較。2沸騰強化傳熱技術對汽泡的成因和運動規(guī)律的研究是掌握沸騰原理和探討沸騰傳熱強化方法的基礎, 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。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弱。試驗表明, 同一液體在拋光壁面上沸騰傳熱時, 其傳熱系數(shù)比在粗糙壁面上沸騰傳熱時低,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, 傳熱系數(shù)較高, 隨著運行時間增長, 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, 對傳熱

5、系數(shù)也有相當影響, 同樣條件下, 液體和材料特性組合得好, 濕潤程度大, 則傳熱系數(shù)高。( 3) 換熱面布置及形狀的影響當換熱面為水平平板且由上向下放熱時,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, 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, 對汽泡運動和沸騰傳熱均有影響。現(xiàn)有的池沸騰傳熱強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、擴展表面法、添加劑法、機械攪拌法、振動法、靜電場法和抽

6、壓法等。對于管道中的強制對流沸騰, 由于強制對流和沸騰現(xiàn)象一起發(fā)生, 使得其傳熱機理變得十分復雜。影響流動沸騰傳熱的主要因素有流速、熱流密度及熱力學干度, 此外, 換熱面形狀、幾何結構尺寸、工質流動方式等也對傳熱系數(shù)有一定的影響。因此, 其強化傳熱的處理與池沸騰的強化傳熱有不同的特點。3 多孔表面的制造方法及其強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凹穴, 加

7、工方法大致有機械加工法、電化學腐蝕法、激光加工法等各種方法加工出來的多孔表面形式不同, 強化傳熱性能不同, 且各有優(yōu)劣。3.1 粉末燒結法粉末燒結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, 當粘結劑溶液風干后, 將其放置于燒結爐內, 在氫氣保護下加熱至金屬粉末表面有熔化趨勢, 恒溫20min 左右,使粘結劑分解揮發(fā), 金屬粉末燒結成一體并燒結在基體上, 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在金屬管外壁面上, 也可燒結在金屬管內壁面上。多孔層厚度一般小于3mm, 孔隙率為40%

8、65%。粉末燒結法是國內外研究開發(fā)最早、較為成熟的一種多孔表面制造方法。圖1 金屬粉末燒結多孔表面示意( High Flux)美國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) , 強化效果非常顯著, 總傳熱系數(shù)為光滑管的3 8 倍。時沸騰溫可降低到1左右, 臨界熱流密度可以提高1 倍( 見圖3)圖2 HF 管池內沸騰曲線( 􀀁Ts= Tw - Ts)圖3 各種強化表面單管池沸騰實驗結果

9、比較示意( 工質: 對二甲苯)北京化工研究院于20 世紀70 年代后期也進行了表面多孔管的試制 2 : 其多孔層由260 300目的青銅粉燒結而成, 多孔層厚度為0. 25 0. 5mm, 孔隙率為50% 60%。以丙酮為工質進行了試驗, 結果表明在熱負荷為25 35kW/ m2 范圍內, 沸騰換熱系數(shù)可以達到普通管的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, 粉末燒結多孔表面高效傳熱管沸騰工質為水和低碳烴時有著很強的防結垢能力。高效傳熱管被廣泛應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, 粉末燒結法制造多孔表面管在

10、帶來高效強化效果的同時, 也產(chǎn)生了嚴重的沸騰滯后, 如圖5 所示。圖5 HF 管對R􀀁12 的熱滯后特性示意而對于水和R113 等其他工質, HF 管的滯后更嚴重。另外, 粉末燒結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高分子材料粉末或低熔點金屬粉末混合物高速地噴射到經(jīng)處理、預熱好的金屬管外表面基體上, 使之產(chǎn)生一定的化學冶金結合，然后再用火焰將多余的有機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驗結果.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荷沸騰換熱曲線. ，和 分別是降負荷沸騰換熱曲線. 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理與燒結粉末多孔表面相同 6 . 在噴涂多孔層內, 有大量的形狀不同的孔穴和槽道, 形成了一系列的進入型和再進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. 因為, 孔穴是相互連通的, 在沸騰爆發(fā)后,多孔層內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, 液膜強烈蒸發(fā)導致熱阻顯著降低, 因而, 沸騰傳熱得到了強化.實驗還表明, 噴涂多孔表面的沸騰傳熱性能沒有燒結多孔表面的性能好 6 . 這因為, 噴涂多孔層的空隙率比燒結多孔層低, 噴涂多孔層中孔穴相互連通性沒有燒結多孔層好,噴涂多孔層內薄液膜面積比燒結多孔層少, 所以, 噴涂多孔層內汽液兩相流動循環(huán)比燒結多孔層差. 因此, 需要改進噴涂技術, 以提高噴涂多孔層的空隙率和沸騰傳熱性能.4 結論（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、厚度、孔徑、孔隙率結構形狀等。一般來說, 多孔層的導熱性能越好, 強化效果越好; 而多孔層的厚度、孔徑、結構則對于不同的介質存在不同的最佳值。目前各個因素對強化傳熱的具體影響還不清楚, 對強化沸騰傳熱只能在特定情況( 如特定的工質種類、壓力等) 下給出經(jīng)驗關系式。今后應對多孔表面強化沸騰換熱的影響因素進行深入分析, 從而完善其強化沸騰傳熱機理的研究。（2）粉末燒結法具有優(yōu)良的換熱性能, 另外粉末燒結多孔表面高效傳熱管沸騰工質為水和低碳烴時有著很強的防結垢能力。(3) 噴涂多孔表面激發(fā)沸騰時壁面過熱度低, 沸騰傳熱系數(shù)高, 強化傳熱的熱流范圍大, 因此, 噴涂多孔表面是熱管和蒸發(fā)器表面多孔結構的一種有效形式.(4) 噴涂技術不僅具有設備簡單、操作方便和費用低