研究表面多孔管強(qiáng)化傳熱機(jī)理

1、研究表面多孔管強(qiáng)化傳熱機(jī)理    摘  要： 介紹了換熱器理論，并從如何增加換熱面上的汽化核心及生成汽泡的頻率以提高換熱系數(shù)方面闡述了表面多孔管的傳熱機(jī)理。關(guān)鍵詞： 表面多孔管；管殼式換熱器是化工、石油、動(dòng)力、食品等工業(yè)使用最多的換熱設(shè)備，其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，維修方便，能在高溫、高壓條件下使用，在生產(chǎn)中占有重要地位。但傳統(tǒng)的管殼式換熱器與一些新型高效緊湊型換熱器相比，最大的缺陷是傳熱效率低。技術(shù)從60年代逐步興起，當(dāng)前國內(nèi)外研究的趨勢就是通過改變管子形狀或表面性質(zhì)來過程，以提高換熱器的效率。這樣做既可節(jié)約大量金屬管材、降低設(shè)備費(fèi)用，又可顯著地提高工廠的

2、熱能利用效率、降低能耗。換熱管的技術(shù)可分為無相變傳熱的強(qiáng)化和有相變傳熱的強(qiáng)化。應(yīng)用于無相變傳熱強(qiáng)化的管子有：螺旋槽紋管、橫槽紋管、縮放管等類型；應(yīng)用于有相變的管子有：單面縱槽管、低螺紋翅片管、表面多孔管等類型。l 理論 根據(jù)傳熱學(xué)的基本公式：Qk·F·T，可知增強(qiáng)傳熱有3條途徑：提高換熱器的傳熱系數(shù)k；加大換熱器的換熱面積F；加大對(duì)數(shù)平均溫差值T1。加大換熱器的換熱面積和提高對(duì)數(shù)平均溫差都不是最佳途徑，前者與換熱器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一味增大換熱面積勢必造成設(shè)備體積增大及成本的增加；而后者與流體的工況有關(guān)，選擇高對(duì)數(shù)溫差會(huì)使能耗增加。因而最理想的辦法就是提高傳熱系數(shù)k。 傳熱學(xué)表明

3、，當(dāng)換熱器管子壁厚不大時(shí)，穩(wěn)定傳熱工況下，潔凈換熱器的傳熱系數(shù)k 可以按下式近似確定：                                           

4、;        式中1熱流體與管子外壁之間的換熱系數(shù)（W/(m2·k)）；2冷流體與管子內(nèi)壁之間的換熱系數(shù)（W/(m2·k)）；管壁厚度（m）；管子材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m·k)）。由于管子金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)很大，管壁厚度又較薄，所以上式中/值可視作零，因而，要增大傳熱系數(shù)k可從管子兩側(cè)的換熱系數(shù)1、2入手。尤其要提高管子兩側(cè)中換熱較差一側(cè)的換熱系數(shù)，以取得較好的效果。增強(qiáng)換熱系數(shù)1和2的方法很多。原則上可采用提高工質(zhì)流速，使流體橫向沖刷管束，消除流體流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的漩渦死滯區(qū)，增加流體的擾動(dòng)和混合

5、、破壞流體邊界層或?qū)恿鞯讓拥陌l(fā)展、改變換熱面表面狀況等方法來提高換熱系數(shù)。對(duì)于無相變的單相流體的熱阻主要在層流底層，要過程應(yīng)著重設(shè)法減薄層流底層的厚度。對(duì)有相變的沸騰傳熱過程而言，提高換熱系數(shù)的主要方法是增加換熱面上的汽化核心及生成汽泡的頻率?，F(xiàn)有的高效表面多孔換熱表面可以將系數(shù)提高10倍左右。2 表面多孔管的機(jī)理表面多孔管是60年代末發(fā)展起來的高效的一種換熱管，對(duì)有高效強(qiáng)化作用，它不僅能在小溫差下保持核狀態(tài)沸騰，而且具有高的臨界熱流密度和良好的反堵塞能力等優(yōu)點(diǎn)2。2.1的基本理論工質(zhì)從靜止?fàn)顟B(tài)到沸騰時(shí)，其沸騰傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，沸騰特性曲線如圖1所示： 非沸騰區(qū)，又稱為單相自然對(duì)流區(qū)，

6、在過熱度較低時(shí)，換熱面上的液體輕微過熱，使液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對(duì)流。換熱面上的換熱是靠傳導(dǎo)和自然對(duì)流進(jìn)行的。核態(tài)沸騰區(qū)又稱為汽泡狀沸騰區(qū)，隨著過熱度的增高，換熱面上開始出現(xiàn)汽泡，但數(shù)量不多，由于液體的過熱度還不夠大，有些汽泡在脫離換熱面后還會(huì)被重新凝結(jié)。當(dāng)過熱度進(jìn)一步增大，換熱面上汽泡迅速增多，并浮升到液面，最后沖破液面進(jìn)入汽相空間。在核態(tài)沸騰區(qū)，汽泡的產(chǎn)生，脫離和浮升使液體受到劇烈的擾動(dòng)，從而使傳熱系數(shù)劇增。圖1 大容器沸騰時(shí)的沸騰曲線過渡沸騰區(qū)又稱為部分膜態(tài)沸騰區(qū)，是膜態(tài)沸騰的初期，由于表面張力和對(duì)流流動(dòng)的影響，汽膜不穩(wěn)定，忽兒破碎，忽兒生成，隨時(shí)可能被撕破形成大汽泡脫離壁面，但隨著換熱面壁溫

7、增高，汽膜增多，壁面受到液體潤濕區(qū)域減少，熱流密度和換熱系數(shù)迅速降低。膜態(tài)沸騰區(qū)又稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)，此時(shí)穩(wěn)定汽膜在換熱面上形成，汽膜周期性地釋放出蒸汽，熱量傳遞主要通過汽膜的傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射來進(jìn)行。在工程應(yīng)用中，主要關(guān)心的是核態(tài)沸騰區(qū)域。2.2汽泡理論圖2 汽泡生成和脫離示意圖的主要特征是液體內(nèi)部有汽泡產(chǎn)生。當(dāng)換熱面受到加熱時(shí)，換熱面的壁溫就逐漸上升。如換熱面壁溫已超過液體的飽和溫度，和壁面接觸的液體就具有一定的過熱度。此時(shí)，在換熱面稱為汽化核心的地方就會(huì)產(chǎn)生汽泡。汽泡在換熱面上的生長和自然脫離換熱面的過程示如圖2。圖中a）表示和壁面接觸的液體層（邊界層）已具有過熱度，汽泡開始在汽化核心上形

8、成；b）表示汽泡吸熱后迅速生長；c）表示汽泡長大到可以脫離壁面的尺寸（達(dá)到脫離直徑dd）；d）表示汽泡脫離換熱面并帶著一部分過熱液體向上浮升，與此同時(shí)汽泡及被其帶走過熱液體的原位置由四周較冷液體迅速填補(bǔ)。此后，液體層經(jīng)過短時(shí)期加熱后又成為過熱液體，于是在該汽化核心上再生成第二個(gè)新汽泡。在換熱面上就這樣不斷周期性地發(fā)生著汽泡的形成、長大和脫離以及較冷液體沖刷壁面的過程，使換熱面臨近的液體層處于劇烈的擾動(dòng)狀態(tài)下。由上可知，大容積沸騰時(shí)熱量的傳遞，主要依靠不斷自壁面脫離的汽泡及被其帶走的過熱液體而進(jìn)行。單位換熱面上被汽泡帶走的熱量可用下式計(jì)算：    

9、0;                                   式中dd汽泡脫離壁面時(shí)的汽泡直徑（m）；v汽泡密度（kg/m3）；Z單位換熱面上的汽化核心數(shù)目；f汽泡自換熱面的脫離頻率（Hz）；汽化潛熱（J/kg）；單位面積上隨汽泡逸走的過熱液體帶走

10、的熱量，可用下式計(jì)算： 式中C比熱(J/(kg·k)；L液體密度（kg/m3）；TW換熱面壁面溫度（k）；TS液體飽和溫度（k）；（TW+TS）/2過熱液體的平均溫度（k）；由式（2-1）和式（2-2）可見，汽化核心數(shù)目愈多，汽泡脫離頻率愈高，則沸騰時(shí)自壁溫帶走的熱量愈多。因此，增多汽化核心和加強(qiáng)汽泡脫離頻率就可以強(qiáng)化大容積汽泡狀沸騰傳熱過程。在一定沸騰壓力和沸騰工質(zhì)條件下，換熱面上可以生成的汽泡的最小半徑Rmin可按下式計(jì)算：   式中  表面張力（N/m）。由式（2-3）可見，當(dāng)液體過熱度增加時(shí)，換熱器上可以生成汽泡的最小半徑Rm

11、in減小，這表明原來不能生存的小尺寸汽泡也能在此新條件下形成，因此可使沸騰過程的汽化核心數(shù)目增加。另外，提高沸騰壓力，可以使表面張力降低和汽體密度增加，由式（2-3）可知，也可降低Rmin值，從而也能使汽化核心數(shù)目增多。換熱面壁面總是凹凸不平的，汽泡最易在換熱面的圓錐形凹穴中產(chǎn)生（如圖2）。因?yàn)榘佳ㄒ子谖綒怏w使成為形成汽泡的胚胎，此外凹穴側(cè)壁能托住汽泡，因此為形成具有一定汽液分界面的汽泡所需消耗的功最小。所以換熱面上尺寸大于Rmin的凹穴都是良好的汽化核心。圖3 換熱面壁面汽泡形狀示意圖由上分析可知，汽化核心數(shù)目的多少與換熱面的壁面加工狀況有關(guān)。因此改變換熱面的壁面狀況，可以增強(qiáng)過程。半徑大

12、于Rmin的汽泡在汽化核心處形成后，隨著進(jìn)一步加熱，汽泡體積逐漸增大。此時(shí)汽泡可以從兩方面得到加熱：一方面是由汽泡四周的過熱液體通過汽液分界面將熱量傳給汽泡；另一方面可由汽泡和加熱壁面的接觸界面?zhèn)魅霟崃?。這些熱量以導(dǎo)熱方式傳給汽泡，使汽液界面上的液體繼續(xù)蒸發(fā)，并克服表面張力形成更大直徑汽泡。隨著汽泡直徑的增大，作用在汽泡上的浮力也在增大，當(dāng)汽泡長大到一定直徑時(shí)，作用在汽泡上的浮力超過壁面對(duì)汽泡的吸附力，于是汽泡便脫離換熱面壁面而向上浮升。這一能使汽泡脫離換熱面壁面的汽泡直徑稱為脫離直徑。脫離直徑的大小與液體和換熱面的潤濕情況有關(guān)，當(dāng)液體能潤濕壁面時(shí)，汽泡呈球形，與壁面連接少，較易脫離。如液體不

13、潤濕壁面，汽泡附著在壁面上的面積較大，不易脫離。圖3表示有液體潤濕壁面與液體不潤濕壁面的汽泡形狀。脫離直徑的理論計(jì)算式如下：  式中  接觸角；表面張力（N/m）。由式（2-4）可見，液體潤濕壁面的性能愈好，則脫離直徑愈小，汽泡的脫離頻率愈高。此外，壓力愈高，脫離直徑也愈小，因而汽泡脫離頻率也愈高。汽泡脫離頻率愈高，意味著換熱愈強(qiáng)烈，因此也可以從液體潤濕換熱面狀況方面強(qiáng)化汽泡狀過程。圖4 較為理想的內(nèi)凹穴汽化核心2.3理想的汽化核心形狀其實(shí)，普通換熱面表面上的圓錐形凹穴并非理想的穩(wěn)定汽化核心。圖4所示的內(nèi)凹穴是較為理想的穩(wěn)定汽化核心。在內(nèi)凹穴中，當(dāng)液體汽化時(shí)，在內(nèi)

14、凹穴頸的力平衡式為：   此時(shí)，液相壓力高于氣相壓力。液相壓力只有在克服汽相壓力和表面張力后才能進(jìn)入內(nèi)凹穴。要滿足此條件就必須使液體過冷度劇增以增大液體壓力PL。但在飽和沸騰時(shí)，換熱面壁溫，亦即蒸汽溫度總高于液體飽和溫度的，相應(yīng)的汽相壓力PV總大于液相壓力PL，所以液體難以充滿內(nèi)凹穴。此外，內(nèi)凹穴截留的蒸汽較多，因而，由于碰撞增高的液相壓力造成的汽相凝結(jié)作用，不易將內(nèi)凹穴中的汽相全部凝結(jié)。所以這種內(nèi)凹穴汽化核心是一種較為理想的穩(wěn)定汽化核心。內(nèi)凹穴汽化核心的過熱度和內(nèi)凹穴頸口半徑R的關(guān)系式：  由式（2-6）可見，內(nèi)凹穴的頸口半徑愈大，所需的過熱

15、度愈小，因而凹穴的頸口半徑?jīng)Q定了開始沸騰的過熱度，而凹穴的形狀決定了沸騰的穩(wěn)定性。2.4多孔表面的機(jī)理3由于內(nèi)凹穴是一種較為理想的穩(wěn)定汽化核心。對(duì)如何采用各種表面特殊處理法來造成換熱表面具有內(nèi)凹穴汽化核心問題，先進(jìn)的工業(yè)化國家進(jìn)行了廣泛深入的研究，并制成了一系列效應(yīng)極好的表面多孔換熱面。圖5 多孔覆蓋層中的沸騰過程示意圖表面多孔換熱面具有大量尺寸較大的穩(wěn)定汽化核心，因而可以使工質(zhì)在過熱度很小的工況下產(chǎn)生大量汽泡，強(qiáng)化過程。表面多孔管的剖面結(jié)構(gòu)如圖5，金屬覆蓋層中存在許多由金屬顆粒構(gòu)成的凹穴和隧道，隧道隨機(jī)地將凹穴連接起來。如果液體對(duì)金屬材料是非潤濕的，則在低于飽和溫度時(shí)，不凝氣體和蒸汽將積聚在

16、凹穴中；如果液體對(duì)金屬材料的作用是潤濕的，則只有內(nèi)凹穴才是穩(wěn)定的汽化核心，因?yàn)檫^冷液體較難充滿內(nèi)凹穴。但不論那種情況，由于多孔覆蓋層增多了穩(wěn)定的汽化核心，所以可以使汽化強(qiáng)度大為增加。此外，凹穴的開口半徑也比普通換熱面表面上的大，所以可以在很低的過熱度下沸騰。圖示的多孔層中的兩個(gè)汽泡就是在內(nèi)凹穴中生成的。汽泡生成后便在多孔層中吸熱長大并自阻力較小的孔穴中逸出，而液體則如圖中箭頭所示自排汽孔穴的周圍通過隧道流入多孔層進(jìn)行補(bǔ)充。液體流入多孔層時(shí)被多孔層的換熱面加熱，因而達(dá)到汽化核心時(shí)便開始蒸發(fā)。由于多孔層中穩(wěn)定汽化核心很多，汽化核心的開口半徑以及多孔層中換熱面積很大，所以金屬覆蓋層的表面多孔管能起到顯著的作用。3 結(jié)束語從多孔表面強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理的分析來看，表面多孔管具有以下特點(diǎn)：（1）能顯著地強(qiáng)化沸騰傳熱過程，減少所需換熱面積；（2）可以在很小的溫差下維持沸騰。多孔層可以在幾分之一度的溫差下維持沸騰，從而大大減少傳熱的不可逆損失、避免熱敏物料分解；（3）良好的阻垢性能。試驗(yàn)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。表面多孔換熱管可以應(yīng)用于各種相變的換熱過程，其優(yōu)異的傳熱性能在石油、化工以及冶金等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因此，表面多孔管換熱器的開發(fā)研究具有廣泛的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn)：1 張木全等換熱器的J廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005