-
沸腾传热强化技方法及比较
摘要
<
/p>
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 comparison
Abstract:
To the
enhanced boiling heat transfer method, this paper
mainly focuses
on introducing the
powder sintering method, spray method .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
surface
1
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
, <
/p>
于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。
传热面材
< br>料能否被液体湿润
,
对传热系数也有相当影响
,
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
,
加工方法
大致有机械加工法、
电化学腐蚀法、<
/p>
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
< br>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%~ 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)
。