王新亮 ，楊文剛 ，史曉平 ，陶金亮，邢曉康

（1 河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100007）

作為最常見的熱量傳遞設(shè)備，列管式蒸發(fā)器或再沸器的傳熱性能直接影響到能源利用效率和設(shè)備投資費(fèi)用，因此圍繞其核心傳熱元件——換熱管的傳熱強(qiáng)化技術(shù)一直受到眾多學(xué)者的重視，先后開發(fā)出了多種換熱管的沸騰傳熱強(qiáng)化工藝，如為增大傳熱面積，可通過特殊機(jī)械加工方法，直接在金屬管內(nèi)或外表面加工出各種形狀的翅片和螺旋形溝槽；為提高汽化核心數(shù)量，可利用粉末燒結(jié)、火焰噴涂、電鍍、覆蓋金屬絲網(wǎng)等工藝在換熱表面額外增加一層多孔覆蓋層。然而隨著科學(xué)和技術(shù)的逐漸進(jìn)步，高集成、大熱流、微系統(tǒng)又對沸騰傳熱提出了新的要求。與此相適應(yīng)，納米表面的強(qiáng)化傳熱技術(shù)逐漸成為世界各國的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)已經(jīng)證實(shí)其具有優(yōu)異的沸騰傳熱強(qiáng)化效果，主要集中在納米管[2-9]和納米涂層[10]領(lǐng)域。所謂納米表面，就是以傳統(tǒng)表面技術(shù)為基礎(chǔ)，通過引入納米技術(shù)，在基質(zhì)材料表面制備出含納米顆粒的復(fù)合涂層或具有納米結(jié)構(gòu)的表層，達(dá)到提升表面性能的目的[1]。TiO2納米管陣列表面作為新型的納米表面具有與金屬結(jié)合緊密，納米孔垂直金屬基底，呈陣列分布等諸多特點(diǎn)。其強(qiáng)化傳熱效果自然也受到廣泛關(guān)注，如Chen[2]、陶金亮[3-4]、Xu[6]等以該結(jié)構(gòu)為池沸騰換熱表面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)相對于鈦金屬表面，TiO2納米管陣列表面的沸騰傳熱效果明顯較好。呂樹申等[7]在不同孔徑的TiO2納米管陣列表面的池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著TiO2納米管孔徑的增大，TiO2納米管陣列表面的沸騰傳熱強(qiáng)化效果逐漸增強(qiáng)。然而到目前為止，有關(guān)其流動(dòng)沸騰的研究還不多見。為進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，本文作者在鈦換熱管內(nèi)表面上制備出TiO2納米管陣列薄膜，研究了該處理表面在強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱方面的特性與效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1(a)所示，其中測試換熱管內(nèi)表面覆蓋一層納米管陣列薄膜（參照文獻(xiàn)[6]中的方法制備，為對比傳熱強(qiáng)化效果，用同一換熱管進(jìn)行光滑表面管傳熱實(shí)驗(yàn)后制備納米管陣列薄膜）。換熱管采用電阻絲管外纏繞的加熱方式，加熱功率可通過穩(wěn)壓直流變壓器加以調(diào)節(jié)，換熱管外壁面溫度采用四線制Pt100 貼片熱電阻測量，熱電阻由錫焊分別焊接在換熱管外壁溫度測量點(diǎn)[鈦換熱管尺寸和貼片位置見圖1(b)]。管內(nèi)壁溫度則通過一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算得到（管外設(shè)置保溫，可近似忽略熱損失）。換熱管進(jìn)、出口工質(zhì)溫度采用四線制Pt100 型鎧裝熱電阻進(jìn)行測量。所有熱電阻均與XSLE 高精度溫度巡檢儀連接，通過計(jì)算機(jī)上的M400 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄。通過對比單相流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Dittus-Boelter 關(guān)系式，最大誤差不超過10%，表明實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)是可靠的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水箱中的蒸餾水由循環(huán)泵打入到氣液分離器至預(yù)定值，分離器內(nèi)的蒸餾水由循環(huán)管路上的離心泵送出，經(jīng)調(diào)節(jié)閥控制流量在設(shè)定值，再經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)標(biāo)定后進(jìn)入測試換熱管，換熱段壓降由U 形壓差計(jì)測量。離開換熱段的兩相流經(jīng)沸騰段循環(huán)至氣液分離器，液相再次循環(huán)，氣相則向上流入冷凝器。由于氣液分離器具有較大熱量蓄積和工質(zhì)蓄積能力，能夠緩沖工質(zhì)氣化時(shí)造成的流量和壓力的大幅波動(dòng)，以確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安全和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。冷凝液由燒瓶收集稱重測量，可以得到相應(yīng)功率下的氣化量，稱量過的冷凝液需注入分離器中進(jìn)行再循環(huán)，保證實(shí)驗(yàn)工質(zhì)量的恒定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 納米管陣列表面管流動(dòng)沸騰傳熱性能

圖2為不同表面換熱管流動(dòng)沸騰傳熱溫差Δt（Δt=tw-tf）與熱通量之間的關(guān)系。由圖可知，在整個(gè)沸騰過程中與光滑表面管相比，TiO2納米管陣列表面管的傳熱溫差降低了30%～55%。TiO2納米管陣列表面管之所以會(huì)具有這種特性，可能是由于納米管陣列表面眾多的納米微孔能吸附一定量的氣體。這些氣體的存在可作為氣泡生長的種子或氣核，使其在較低的壁面溫度下就能夠被活化，從而將核態(tài)沸騰區(qū)域延伸到較小的溫差內(nèi)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程及測溫點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

圖2 沸騰傳熱溫差與熱通量的關(guān)系

圖3 流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)與熱通量的關(guān)系

圖3為不同表面換熱管的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)和熱通量的關(guān)系。由圖可以看出，在相同熱通量的情況下，TiO2納米管陣列表面管的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑表面管，為光滑表面管的1.5～2.2倍，強(qiáng)化傳熱效果十分明顯。

2.2 納米管陣列表面管壓降

圖4為不同表面換熱管的壓降與熱通量的關(guān)系。由圖可以看出，在整個(gè)沸騰過程中，無論光滑表面管還是TiO2納米管陣列表面管的壓降都隨著熱通量的逐漸增大而增大。這主要是由于熱通量的增大有效促進(jìn)了核態(tài)沸騰，使液相中氣相含率相對增加，從而增大了氣液兩相界面切應(yīng)力。然而相對于光管而言，相同熱通量下，TiO2納米管陣列表面管的壓降略有提高。這可能有以下兩個(gè)原因：一是壁面粗糙度造成的壓力損失；二是質(zhì)量含氣率的提高。為了探明這一機(jī)理，考察了壓降與質(zhì)量含氣率的關(guān)系，如圖5所示。由圖5 可知，當(dāng)質(zhì)量含氣率相同時(shí)，TiO2納米管陣列表面管的壓降與光滑表面管相差無幾，兩條壓降曲線幾乎重合。這說明由TiO2納米管陣列表面薄膜粗糙度引起的壓降很小。如在工程實(shí)際中，這一壓力損失可忽略不計(jì)。

圖4 壓降與熱通量的關(guān)系

圖5 壓降與質(zhì)量含氣率的關(guān)系

2.3 納米管陣列表面管流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

利用最小二乘法，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出：a=1.1105，b=-0.1878。

圖6 給出了傳熱系數(shù)測量值與本研究傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的比較。從圖6 可以看出，計(jì)算值與測量值的相對誤差在±20%以內(nèi)，表明文中提出的TiO2納米管陣列結(jié)構(gòu)表面管抑制因子系數(shù)修正計(jì)算方法能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)論

（1）TiO2納米管陣列表面管在降低沸騰傳熱溫差的同時(shí)還可以有效提高換熱管的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)。

（2）隨著熱通量的增加，換熱管的整管壓降逐漸增大。造成TiO2納米管陣列表面管壓降損失的主要因素與質(zhì)量含率有關(guān)，其表面粗糙度對壓力損失的影響很小。

圖6 傳熱系數(shù)測量值與模型計(jì)算值的比較

（3）通過最小二乘法，對Gungor 模型抑制因子系數(shù)進(jìn)行修正，得出了適合TiO2納米管陣列表面管的傳熱系數(shù)公式，該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，誤差在20%以內(nèi)。

符號說明

Di——換熱管內(nèi)徑，m

E——對流強(qiáng)化因子

G——質(zhì)量流速，kg/(m2?s)

h——管內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)，W/(m2?℃)

M——相對分子質(zhì)量

Prl——液相Prandtl 數(shù)

p——操作壓力，Pa

Pc——臨界壓力，Pa

q——熱通量，W/m

Rel——液相Reynolds 數(shù)

S——抑制因子

tf——工質(zhì)溫度，℃

tw——換熱管內(nèi)壁面溫度，℃

Xtt——Martinelli 參數(shù)

x——質(zhì)量含氣率

γ——汽化潛熱，J/kg

λl——液相導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃)

μg——?dú)庀鄤?dòng)力黏度，Pa?s

μl——液相動(dòng)力黏度，Pa?s

ρg——?dú)庀嗝芏龋琸g/m

ρl——液相密度，kg/m

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