王宏智,劉京雷,戴玉林,徐 宏,孫 巖,顧春輝

(華東理工大學機械與動力工程學院,上海 200237)

0 引 言

管殼式換熱器廣泛應用于各種換熱裝置,在石油、化工、冶金等行業(yè)的大型工業(yè)化裝置中占有非常重要的地位。它廣泛地用于各種物料的蒸發(fā)、冷凝、加熱及冷卻、冷凍等過程[1],它的用量可達全部換熱器的70%[2]。管殼式換熱器主要的換熱元件就是各種規(guī)格的換熱管。目前管殼式換熱器中普通換熱管的傳熱性能較差,為了提高換熱器的傳熱效率,國內(nèi)外開始采用改變管子形狀或?qū)茏舆M行表面處理的方法來強化傳熱,已經(jīng)取得了顯著效果。

多孔管有多種加工方法,如電鍍法、化學腐蝕法、噴涂法、機械加工法和燒結(jié)法[3～8]等。燒結(jié)型表面多孔強化管是20世紀70年代起發(fā)展起來的高效強化沸騰傳熱的一種換熱管。它是通過燒結(jié)的方法在金屬管表面燒結(jié)上一層金屬粉末形成多孔管。多孔管對水、乙醇、烯烴類、苯、氟利昂等多種工質(zhì)的沸騰換熱均有顯著的強化作用,可用于乙烯分離裝置的塔頂冷凝器和重沸器、空分裝置的主換熱器用燒結(jié)型復合粉末多孔管研究冷凝-蒸發(fā)器以及天然氣液化、冷凍、空氣調(diào)節(jié)、乙二醇蒸發(fā)、海水淡化等裝置[8,9]。

本文采用燒結(jié)法在碳鋼管表面燒結(jié)鐵基復合粉末形成多孔管,通過池沸騰傳熱試驗,研究了多孔管的傳熱性能,并對其機理進行了分析。

1 物理性能測定

采用SEM對燒結(jié)的多孔管的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析,測試了多孔層的厚度,估算了多孔層的孔隙率。

圖1 多孔涂層表面形貌圖Fig.1 SEM image of the surface morphology ofthe sintered porouscoating

圖1為多孔層表面形貌圖,圖1示出一個“陷入式”孔穴,該孔穴具有向內(nèi)凹陷的特點,且內(nèi)部是相互連通的。試驗中采用顯微照片準確測出多孔層厚度為0.15 mm。表面多孔層能夠強化沸騰傳熱,是由于其內(nèi)部有大量的毛細孔提供高密度的汽化核心。因此,多孔層的孔隙率對強化傳熱效果有直接的影響。采用金相分析法測得多孔管的孔隙率在50%～60%之間。

2 傳熱性能測試

2.1 傳熱實驗結(jié)果與分析

實驗中采用如圖2所示的池沸騰裝置進行實驗測定其傳熱性能。實驗中分別采用水和酒精作為傳熱介質(zhì),各個電壓值下的熱流量 Q可以通過冷凝水量M和汽化潛熱γ的乘積并除以時間t獲得,即 Q=(m.γ)/t。熱流密度即為 q=Q/A。傳熱系數(shù)即為 ho=q/ΔT。根據(jù)實驗測出的傳熱溫差 (過熱度)ΔT=Tw-Tsat(其中Tw為管外壁溫度,Tsat為介質(zhì)溫度),即可算出換熱管沸騰傳熱系數(shù) ho。(其中Q為加熱功率,q為熱流密度,ho為沸騰傳熱系數(shù),A為換熱面積,d為外徑,L為有效換熱長度)。

實驗中沸騰室中管內(nèi)采用電加熱方式進行加熱,其加熱電源采用穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓,同時用調(diào)壓器進行電壓調(diào)節(jié),管外為加熱介質(zhì)。實驗采用T型熱電偶,即銅-銅鎳合金 (康銅)熱電偶,均勻分布在管壁的3個測點上,其平均值作為計算時的管壁溫度;介質(zhì)的主體溫度采用T型 (銅-康銅)熱電偶和溫度計同時測量。所有的熱電偶在實驗前都進行標定,其數(shù)據(jù)用巡檢儀進行記錄。通過實驗得到如圖3和圖4所示的結(jié)果圖。圖3和圖4分別給出了在介質(zhì)水和酒精中的過熱度與熱流密度之間的關(guān)系。

圖2 實驗裝置簡圖Fig.2 Schematic of the experimental system

圖3 水中熱流密度與過熱度關(guān)系圖Fig.3 Pool boiling curves of the smooth and porous tubes in water

圖4 酒精中熱流密度與過熱度關(guān)系圖Fig.4 Pool boiling curves of the smooth and porous tubes in alcohol

在水和酒精中,多孔管與光管的熱流密度q都隨過熱度ΔT=(ΔTw-Tsat)的增大而增大。由圖3可知,在水中,多孔管的沸騰傳熱溫差一般在1.74℃左右,而光管的沸騰溫差一般在2.70℃左右,其沸騰傳熱溫差比光管的沸騰傳熱溫差低35.5%。在相同的溫差下,多孔管的熱流密度明顯高于光管的熱流密度。由圖4可知,在酒精中,多孔管的沸騰傳熱溫差一般在3.52℃左右,而光管的沸騰溫差一般在 6.78℃左右,其沸騰傳熱溫差比光管的沸騰傳熱溫差低48%。在相同的溫差下,多孔管的熱流量同樣明顯高于光管的熱流密度。

為了對多孔管的強化傳熱效果與光管的傳熱效果進行對比,我們定義一個提高因子ω,即相同溫差下多孔管的沸騰傳熱系數(shù)與光管的沸騰傳熱系數(shù)之比,該值反映了多孔管強化傳熱的能力,其值越高說明多孔管強化傳熱能力越強。

通過origin曲線擬合分別求得光管和多孔管在水中和酒精中的沸騰曲線,并在具有共同的溫差區(qū)間內(nèi)求得同一溫差下對應的熱流密度,得到溫差和提高因子之間的關(guān)系,通過對提高因子ω的計算可知,在實驗范圍內(nèi)測得的數(shù)據(jù),如圖5和圖6分別說明多孔管在水中的傳熱效果是光管的2.4～3.7倍,在酒精中的傳熱效果是光管的8.7～12.1倍,這說明在水中和酒精中多孔管的強化傳熱效果都非常明顯。

圖5 多孔管在水中提高因子與過熱度的關(guān)系Fig.5 Superheat ΔT v.s.enhancing factorεfor the us tube in water

圖6 多孔管在酒精中提高因子與過熱度的關(guān)系Fig.6 Superheat ΔT v.s.enhancing factorεfor the porous tube in alcohol

3 結(jié) 論

燒結(jié)型多孔管是通過高溫燒結(jié)的方法在光管的表面形成一層相互連通、形狀各異的孔隙。這種多孔表面存在很多凹穴和隧道,而隧道又隨機地將凹穴連接起來。因此燒結(jié)型表面多孔管可以較易截留住氣體或蒸汽,同時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,強化沸騰換熱過程。所以,只要有一定的過熱度,水(酒精)等介質(zhì)在多孔換熱表面比在光滑表面更容易沸騰。

多孔層在不同的傳熱介質(zhì)下,均可大幅度提高其傳熱性能,在水中可以強化2.4～3.7倍,在酒精中可以強化8.7～12.1倍。從實驗結(jié)果可知,本實驗中燒結(jié)出來的多孔管對于酒精有著更佳的傳熱性能。

[1]林宗虎.強化傳熱及其工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社.1987.1-5.

[2]馬曉馳.國內(nèi)外新型高效換熱器[J].化工進展,2001,20(1):49-51.

[3]G.N.Danilava,et al.Enhancement of Heat Transfer during Boiling of Liquid Refrigerants at low Heat Flux[J].Heat Transfer,Soviet Research,1987,104.

[4]Chyu M.C.,Bergles A.E..Characteristics of Nucleate Pool Boiling from Porous Metallic Coatings[A].Proc.7th Int.Heat Transfer Conf.[C].1982,(6):275.

[5]Dahl,et al.Liquid Heat Exchanger Interface and Method[P].US:3990862.November 9,1976.

[6]Robert M.Mihon,Bufalo,N.Y.Heat exchange system[P].US:3384154.May 21,1968.

[7]陳振興.氧化鋁廠原液蒸發(fā)工序的強化途徑[J].輕金屬,1993,20(1):49-51.

[8]C.F.Gottzman,P.S.0'Neill,P.E.Minton.High Efficiency Heat Exchangers[J].Chemical Engineering Progress,1973,69(7):69-75.

[9]C.W.wolf.High Flux Tubing Conserves Energy[J].Chem.Eng.Progr.,1976,72(7):53-55.