周述璋，侯亭波，潘敏強，韓堯，陳妍

(1.華南理工大學(xué)設(shè)計學(xué)院，廣州510006; 2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

我國人口眾多，能源緊缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此如何節(jié)約能源，提高能源利用率，保護環(huán)境，是保證我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展最為有利的措施。在諸多資源消費中，能源消費是不可或缺的，而且其人均消費量在不斷上升。由于環(huán)境污染大部分來自能源生產(chǎn)和消費過程中排放的廢棄物，因此，節(jié)能不僅具有節(jié)約資源的意義，而且具有保護環(huán)境的作用。實踐表明，不只是直接節(jié)能可以保護環(huán)境，盡可能地減少產(chǎn)品消耗也同樣有利于保護環(huán)境，因為所有產(chǎn)品的生產(chǎn)都要消耗能源。因此，在生產(chǎn)和生活的每一個環(huán)節(jié)，我們都應(yīng)該大力推廣節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

當(dāng)今世界普遍重視能源的節(jié)約和利用，因而如何降低能耗和提高傳熱效率，保護環(huán)境，已經(jīng)成為一個非常重要的研究課題。管殼式換熱器大量應(yīng)用于各種換熱裝置，其主要的換熱元件就是各種規(guī)格的換熱管，因此，研究高性能的換熱管是當(dāng)前強化傳熱的一個主要研究方向。多孔層表面管就是一種高性能換熱管，與光滑管相比，能成10倍的提高換熱系數(shù)，臨界熱負(fù)荷提高近2倍。它適用于沸騰傳熱，尤其適用于小溫差、多效蒸發(fā)的過程，對水、氟利昂、液氮、烯烴類、苯、石油、乙醇等多種工質(zhì)的沸騰傳熱均有顯著的強化作用。多孔層表面管有多種制作方法，如燒結(jié)法、機械加工法、火焰噴涂法、化學(xué)腐蝕法等。燒結(jié)型表面強化管是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種高效強化沸騰傳熱管，它是在金屬表面燒結(jié)多孔層金屬，形成多孔層，對多種工質(zhì)具有顯著的強化作用［1—10］。

本文采用燒結(jié)爐在高溫下快速地在銅管表面燒結(jié)金屬銅粉層，由于多孔層材料與基體管采用同一種材料，提高了其粘結(jié)性，保證了其燒結(jié)質(zhì)量，并且通過傳熱實驗，研究了多孔層燒結(jié)管的傳熱性能。

1 燒結(jié)工藝方法

1.1 燒結(jié)模具的選用

燒結(jié)模具應(yīng)選用耐高溫、易于機械加工且容易脫模的材料制作。因此本文的燒結(jié)模具采用石墨制造，石墨作為燒結(jié)模具具有以下優(yōu)點:首先，石墨硬度低，易于機械加工;其次，石墨易于脫膜，有很高的熔點，在燒結(jié)溫度內(nèi)有很好的穩(wěn)定性，在加工石墨的時候表面會殘留石墨的微小粉末，有一定的潤滑作用，從而使燒結(jié)之后的結(jié)構(gòu)更容易脫模;再次，石墨模具有很高的耐用性和重復(fù)性，加工一次模具可進行多次燒結(jié)，且能夠保證燒結(jié)出的樣品的一致性。

1.2 燒結(jié)方法的選用

實驗前對燒結(jié)溫度為850，900℃，燒結(jié)保溫時間為0.5，1 h的燒結(jié)樣品經(jīng)多次對比實驗得出如下結(jié)論。

1)燒結(jié)溫度為850℃時，無論是保溫30 min或60 min，都不能滿足燒結(jié)之后結(jié)合強度的要求，即燒結(jié)后結(jié)構(gòu)強度差，銅粉不容易結(jié)合在一起。

2)燒結(jié)溫度為900℃時，保溫30 min的銅粉結(jié)合強度有了一定的提高，具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，這種良好的孔隙有利于沸騰效果的提高，但經(jīng)驗證，結(jié)合強度依然不能滿足要求。

3)燒結(jié)溫度為900℃，保溫60 min時能滿足實驗結(jié)合強度的要求，具有較好的強度并且仍能保證其孔隙結(jié)構(gòu)。

故本實驗的燒結(jié)方法為:燒結(jié)到900℃并保溫1 h。

1.3 燒結(jié)的具體步驟

多孔燒結(jié)管的制備裝置如圖1所示。

圖1 多孔燒結(jié)管的制備裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the preparation device of porous sintered tube

采用階段式的加熱方式，以保證整根銅管的加熱均勻，其燒結(jié)工藝如圖2所示。

首先，對紫銅管表面進行清洗除油，以保證銅粉與其外表面的良好接觸，也將有利于燒結(jié)過程銅粉與表面的結(jié)合。在紫銅管兩側(cè)套入不銹鋼堵頭，堵頭的內(nèi)徑和管殼外徑間隙配合，外徑和燒結(jié)模間隙配合。然后將套有堵頭的紫銅管放入燒結(jié)模具中，燒結(jié)模具是由易脫模、耐高溫的石墨材料制成。之后在紫銅管與燒結(jié)模具所形成的環(huán)形空間中均勻填入紫銅粉末，填充過程中要不停地震動整個裝置，以保證所填充的金屬粉末均勻、充分，燒結(jié)模內(nèi)半徑與金屬圓管外半徑之差為銅粉層厚度。

圖2 燒結(jié)工藝Fig.2 Sintering process

填充好銅粉后即可放入燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900℃，并保溫1 h，1min內(nèi)燒結(jié)溫度最多升高5℃。在燒結(jié)過程中，需通入還原氣體以防止銅粉在高溫下氧化。

通入氣體和燒結(jié)的過程如下:首先加熱至430℃，保溫30 min，再以5℃/s的速度加熱至850℃。在850℃時保溫30 min，再以5℃/s的速度升到900℃，在900℃時保溫1 h，此時加熱停止，待爐內(nèi)冷卻至一定溫度即可取出燒結(jié)工件。打開燒結(jié)模具，去除兩端堵頭，得到強化沸騰傳熱管。

在剛開始加熱時，同時向爐內(nèi)沖入氮氣，由于氮氣密度高，因而可以排除爐內(nèi)空氣。在爐內(nèi)溫度到達400℃時，松開氮氣減壓閥，關(guān)閉電磁閥，同時打開氫氣電磁閥，擰緊減壓閥至0.3 MPa，向爐內(nèi)沖入氫氣保持高溫?zé)Y(jié)中氫氣還原氣氛。同時在爐內(nèi)空冷至室溫的降溫過程中，當(dāng)溫度降至400℃時以相同的方法沖入氮氣排除氫氣，以免開爐時發(fā)生爆炸。

在整個燒結(jié)過程中，始終保持填充氣體壓力為0.3 MPa，開爐時打開排氣閥給爐內(nèi)氣體泄壓。

2 傳熱性能實驗

2.1 實驗過程

實驗過程中采用恒溫?zé)崴诠軆?nèi)加熱，管外是實驗用無水乙醇液體。熱水在管內(nèi)以一定的流速和溫度流動，無水乙醇液體從銅管管壁獲得熱量而沸騰。

熱水通過高溫循環(huán)水箱加熱，其溫度可直接由高溫循環(huán)水箱設(shè)定。熱水經(jīng)高溫循環(huán)水箱所自帶的水泵循環(huán)流經(jīng)多孔燒結(jié)管內(nèi)時，無水乙醇液體通過管壁吸收熱量而沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽通過冷凝管回收在計量筒中。

通過計算計量筒中的冷凝液體量就可知道一定時間內(nèi)無水乙醇液體的蒸發(fā)量。用熱電偶可測得管壁及沸騰液體的溫度，并進一步可計算出溫差(多孔燒結(jié)管管壁的溫度與管外液體的溫度差)，最后可計算出強化沸騰換熱系數(shù)。這是評價多孔表面管沸騰傳熱效果的常用方法［11—14］。

實驗裝置如圖3所示。

圖3 測試裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test device

熱通量的計算公式為:

式中:q為熱通量，kJ/(m2·h);V為收集的無水乙醇體積，mL;t為蒸出時間，min;ρL為無水乙醇密度，kg/m3;γ為無水乙醇汽化潛熱，kJ/kg;D為管外徑，m;L為換熱管長度，m。

沸騰傳熱系數(shù)α的計算公式為:

式中:α為沸騰傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃);θw為管外壁溫度，℃;θL為管外沸騰液體的溫度，℃。

2.2 實驗結(jié)果

多孔燒結(jié)管的幾何參數(shù)見表1，分4個樣本進行實驗。1號樣本是沒有燒結(jié)多孔層的光滑管，2，3，4號樣本的燒結(jié)層厚度均為1 mm。

傳熱性能實驗的實驗結(jié)果見表2，多孔管的熱通量及入口溫度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由表2可知，在入水口溫度為85℃時，燒結(jié)管的熱通量為光滑管的熱通量的5～10倍;在入水口溫度為95℃時，燒結(jié)管的熱通量為光滑管的熱通量的3倍。從圖4可以看出，2號管的熱通量最大，1號管最小。

表1 多孔燒結(jié)管的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of porous sintered tube

表2 多孔燒結(jié)管的熱通量Table 2 Heat flux of porous sintered tube

圖4 多孔管的熱通量及入口溫度之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the inlet temperature and the heat flux of the porous tube

3 結(jié)論

將不同粒徑范圍的銅粉進行燒結(jié)，并探討了銅粉顆粒的粒徑大小對燒結(jié)管傳熱性能的影響，得到如下結(jié)論。

1)實驗過程中，燒結(jié)管中的工質(zhì)在1 min左右就進入了沸騰狀態(tài)，而光滑管只有在入水口溫度為95℃時，需要25 min左右才開始沸騰，說明燒結(jié)管比光滑管容易進入沸騰狀態(tài)。

2)在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)管的熱通量和傳熱系數(shù)明顯大于光滑管。

3)燒結(jié)管熱通量的提高隨著加熱液體溫度的升高而減小。

4)燒結(jié)管熱通量的大小跟燒結(jié)粉末粒徑大小有關(guān)，燒結(jié)金屬粉末粒徑越小，燒結(jié)管的熱通量越大，其傳熱性能越好。

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