張洪墩

細薄膜蒸發(fā)器的船舶應用研究

張洪墩

(煙臺大學海洋學院，山東煙臺264005)

在銅管內壁燒結細銅粉顆粒，形成具有微結構蒸發(fā)表面的細薄膜蒸發(fā)器.設計實驗系統(tǒng)，在蒸發(fā)器表面積、蒸發(fā)壓力、制冷量、冷劑流量相同的情況下，通過與尺寸一樣的普通銅管蒸發(fā)器的對比，結果表明細薄膜蒸發(fā)器的整體傳熱系數(shù)高于普通蒸發(fā)器，能夠有效強化蒸發(fā)換熱，為降低船用蒸發(fā)器耗材及尺寸提供借鑒.

傳熱系數(shù);細薄膜蒸發(fā);燒結

細薄膜蒸發(fā)是在微通道［1］對汽-液界面形成的曲率和脫離壓力以及表面張力的相互作用下產(chǎn)生的.在蒸發(fā)壁面上形成的細薄膜屬于被動成膜方式，被動成膜不需要消耗額外功率和其他附屬設備，結構簡單，運行可靠，在完全失重或微重力環(huán)境下仍能工作.

微通道(50 μm～5 mm)內，由于液體表面存在的表面張力以及固體壁面與薄液膜之間存在的脫離壓力作用，汽-液界面將發(fā)生彎曲，這種彎曲的汽-液界面通常被稱為擴展彎月面或者細薄膜區(qū).依據(jù)細薄膜區(qū)內不同部分汽-液界面?zhèn)鳠醾髻|原理不同，將其分成3個區(qū)域:平衡穩(wěn)定液膜區(qū)、過渡液膜區(qū)和固有彎月面區(qū).

當汽-液界面變薄時，細薄膜與固體壁面間的排斥力逐漸變大，假設汽相壓力恒定，就會致使液體內部壓力逐漸減小，從而推動薄液膜沿著固體壁面向厚度減小的方向推進，依次形成過渡液膜區(qū)和平衡穩(wěn)定液膜區(qū).在固有彎月面區(qū)內，液膜的厚度相對較大，此區(qū)域脫離壓力的絕對值(反比于液膜厚度的立方)變小，相比于表面張力引起的壓力變化可以忽略不計;而在過渡液膜區(qū)，由于液膜厚度的減小，汽-液界面曲率變小，同時該區(qū)域脫離壓力絕對值迅速增大，因此，在過渡液膜區(qū)表面張力與脫離壓力共同控制著液膜的蒸發(fā)與流動;在平衡穩(wěn)定液膜區(qū)，液膜的厚度極小(達到幾十個nm)［2-3］，導致即使液膜處于過熱狀態(tài)，固體壁面與其之間的親和力也會阻止液體蒸發(fā)，該區(qū)域汽-液界面曲率為0.

細薄膜蒸發(fā)中熱量的傳遞主要通過細薄膜上的汽-液相變過程來實現(xiàn).雖然對于壁面的熱量傳遞主要集中在過渡液膜區(qū)［4］還是固有彎月面區(qū)［5］的觀點認識不統(tǒng)一，但是細薄膜區(qū)的強化傳熱能力得到認可，可達到MW·m-2數(shù)量級.

1 形成細薄膜蒸發(fā)的常見方式

目前針對細薄膜蒸發(fā)開展的研究多集中在各種規(guī)則槽道［2］，如矩形槽道、梯形槽道、毛細管、三角形槽道及正弦曲線型槽道等，由于燒結材料能夠大大提高細薄膜區(qū)域的數(shù)量，應用燒結形成細薄膜蒸發(fā)的研究開始引起重視.

本文采用的是燒結蒸發(fā)器，將金屬粉末燒結［6］在銅管內壁面形成與管壁一體的多孔介質，該多孔介質具有較大的毛細抽吸力，并減小了徑向熱阻，大大增加了形成細薄膜區(qū)域的數(shù)量，以實現(xiàn)低熱阻和高導熱系數(shù)的目的，細薄膜蒸發(fā)器的縱橫截面剖面圖如圖1.

圖1 燒結式銅熱管Fig.1 Sintered copper heat pipe

2 實驗設計

2.1 蒸發(fā)器的設計

由于蒸發(fā)器吸收的能量或者傳熱量在給定設計時取決于運行工況，根據(jù)采用的家用冰箱蒸氣壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)實驗條件，對蒸發(fā)器設計的運行工況做出下列假設［7-8］:

對于風冷冷凝器，外部環(huán)境溫度為35℃(實驗室夏季室內溫度的最大值);取外部環(huán)境與蒸發(fā)器中制冷劑的對數(shù)平均溫差Δt0=5.5℃，蒸發(fā)溫度t0=-10℃;取外部環(huán)境與冷凝器中制冷劑的對數(shù)平均溫差Δtk=8℃，則冷凝溫度tk=35℃+8℃=43℃;取過冷度為5℃，過熱度為30℃，則過冷溫度tg=43℃-5℃=38℃，吸氣溫度t1=-10℃+30℃=20℃.在上述工況下，制冷系統(tǒng)的理論制冷系數(shù)ε0=3.39，取壓縮機機械效率ηm=0.9，壓縮機指示效率ηi=0.86，則實際制冷系數(shù)ε=ηiηmε0= 2.62.

為確保蒸發(fā)器有足夠的蒸發(fā)面積以保證制冷劑在蒸發(fā)器出口有一定過熱度，同時考慮到工況變化會導致制冷量大小的變化，取制冷系數(shù)ε=3.00計算蒸發(fā)器的換熱面積.

鑒于本文采用第二制冷劑量熱器法［9］測量制冷量，為減小在測量制冷量時量熱器對外漏熱，應減小其尺寸，由此，量熱器內的蒸發(fā)器尺寸應盡量小，同時為保證有足夠的蒸發(fā)面積，這就要求選取功率較小的壓縮機，本文采用功率Wc=76 W的全封閉式制冷壓縮機.根據(jù)制冷系數(shù)以及壓縮機功率，蒸發(fā)器的制冷量:

Q=εWc=3.00×76 W=228 W.

按光管蒸發(fā)器計算所需要的傳熱面積［10］:

Δt0為對數(shù)平均溫差，取值范圍5～10℃;K為蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)(W·m-2K-1)，取值范圍500～550 (船舶殼管式);q為熱流密度(W·m-2)，取值范圍2 500～3 000.

因蒸發(fā)器位于量熱器內部，其外表面的第二制冷劑屬于凝結換熱，換熱效率極高，取q=3 300 W ·m-2K-1(t0=5.5℃，K=600 W·m-2K-1))，則F0=0.069 1 m2.

本實驗中的2種蒸發(fā)器采用直徑Φ8紫銅管，則需要的蒸發(fā)器長度l可由下式得到:

F0=ΠDL=0.069 1 m2，則L=2.749 m.

按照上述計算結果，制造的細薄膜蒸發(fā)器及光管蒸發(fā)器尺寸如圖2.

圖2 蒸發(fā)器尺寸Fig.2 Dimension of evaporator

2.2 實驗系統(tǒng)設計

本文搭建了一套蒸氣壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)，使制冷劑分別流經(jīng)普通蒸發(fā)器內壁的光滑表面和燒結蒸發(fā)器內壁的多孔介質表面，測量相關數(shù)據(jù)并計算2個蒸發(fā)器在相同外界條件下的傳熱系數(shù)及對數(shù)平均溫差.

蒸發(fā)器制冷量的測量采用基于能量平衡原則的第二制冷劑量熱器法，該裝置是一種間接測量制冷量的裝置，利用電加熱器產(chǎn)生的熱量來平衡制冷壓縮機產(chǎn)生的冷量.制冷量與電加熱量相等的標志是測量量熱器內第二制冷劑壓力的壓力表數(shù)值穩(wěn)定在某一值上，此時所測出的量熱器內電加熱器的電加熱量(Q=UI)即可視為被測壓縮機在該工況下的制冷量.

正常運行時量熱器內空間是濕蒸氣，采用0.4級高精度壓力表測量第二制冷劑蒸汽壓力，然后按照飽和蒸汽壓力與飽和溫度一一對應的關系求得第二制冷劑的飽和溫度.

實驗中溫度的測量采用標定后測量精度為± 0.5～1℃的T型熱電偶，實驗數(shù)據(jù)由PC和Agilent34970A多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集處理.

圖3為測量細薄膜蒸發(fā)器時的結構示意圖，測量普通蒸發(fā)器時，通過位于量熱器兩端帶螺紋和喇叭口的接頭絲扣將細薄膜蒸發(fā)器換成普通蒸發(fā)器，圖4為實驗系統(tǒng)實物圖.

圖3 實驗系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Schematic of experimental system

圖4 細薄膜蒸發(fā)實驗裝置照片F(xiàn)ig.4 The photo of thin film evaporation experiment setup

3 實驗過程

利用上述所建實驗臺對普通蒸發(fā)器及燒結蒸發(fā)器換熱性能開展實驗研究:第1，在運行制冷系統(tǒng)前，用壓力試漏與真空試漏的方法對系統(tǒng)氣密性進行檢測，用聲響檢漏、目測檢漏、肥皂水檢漏、電子鹵素檢漏儀檢漏等方法確定漏點后進行修補;第2，采用適用于全封閉壓縮機制冷系統(tǒng)的2次抽真空法對系統(tǒng)抽真空;第3，實驗過程中用差減稱量法、壓力表法和觀察法對制冷系統(tǒng)充制冷劑，利用觀察法和壓力表法確定光管蒸發(fā)器實驗時制冷劑的充注量，記錄充注量，利用差減稱量法確定燒結蒸發(fā)器實驗時的充注量，保證2次實驗制冷系統(tǒng)中制冷劑的充注量適中且相等;第4，通過調節(jié)變壓器改變加熱器的加熱量，使對第二制冷劑的冷卻和加熱達到平衡(量熱器上壓力表示數(shù)不變)，通過加熱量的多少反映制冷能力.

4 結果與分析

蒸發(fā)器內制冷劑的流動換熱屬于管道中的強迫對流相變換熱，相變現(xiàn)象與強制對流同時發(fā)生使得傳熱傳質機理變得十分復雜，制冷劑在沿受熱管道流動時，制冷劑液體會因受熱而蒸發(fā)氣化，沿流程方向濕蒸氣的流速、干度和流動結構都在發(fā)生變化，這些因素都會對傳熱過程產(chǎn)生很大影響，因此，在蒸發(fā)器管道的強迫對流相變換熱過程中，沿管道長度方向的局部換熱系數(shù)是不斷變化的，難以計算，由此，我們可以根據(jù)下列公式［10］計算蒸發(fā)器的整體換熱系數(shù)H:

H=Q/AΔtm，

其中:Q為蒸發(fā)器制冷量，由量熱器測量:Q=UI.A為蒸發(fā)面積，可以由下式計算得到:A=ΠDL.

Δtm為對數(shù)平均溫差，對于多次交叉流且有相變的傳熱過程，Δtm可以由下式計算得到:

在壓縮機出口及蒸發(fā)器進、出口的每處截面點焊接3個T型熱電偶，相互間隔120°，以1 s為時間間隔記錄壁面溫度，每個截面處取3個熱電偶所測數(shù)值的算術平均值代表壁溫.采用絕熱材料使外界環(huán)境與熱電偶觸頭絕熱，忽略散熱損失，則熱電偶線所測壁面溫度近似分別等于過熱溫度t3、蒸發(fā)溫度t4和冷凝溫度t5，其中

蒸發(fā)器外部環(huán)境溫度為t2，則

經(jīng)過測試，當變壓器電壓調至大于等于105 V時，蒸發(fā)壓力太高而且開始出現(xiàn)不穩(wěn)定，壓縮機發(fā)熱量大，過載嚴重;當變壓器電壓調至小于等于80 V時，蒸發(fā)壓力太低而且出現(xiàn)不穩(wěn)定，所以本文調節(jié)變壓器電壓在80～105 V之間變化，實現(xiàn)電加熱功率在54～94 W之間對量熱器進行功率輸入.溫度采集儀在系統(tǒng)穩(wěn)定工作一段時間后，隔1 s記錄一組9個數(shù)據(jù).

整理數(shù)據(jù)如表1～3、圖4～6.

表1 測試燒結蒸發(fā)器的實驗值Tab.1 The experimental results of the sintered evaporator

表2 測試普通蒸發(fā)器的實驗值Tab.2 The experimental results of the traditional evaporator

表3 不同制冷量下的蒸發(fā)器換熱系數(shù)Tab.3 The evaporation heat transfer coefficient under different refrigerating capacity

圖5 不同制冷量下的對數(shù)平均溫差Fig.5 The logarithmic mean temperature difference under different refrigerating capacity

圖6 不同制冷量下的換熱系數(shù)Fig.6 The evaporation heat transfer coefficient under different refrigerating capacity

由表1～3及圖5、6可以看出，在相同的制冷量下，燒結蒸發(fā)器的整體換熱系數(shù)高于普通蒸發(fā)器，而且其傳熱溫差小，在制冷量為55 W時最為顯著，整體換熱系數(shù)高13.7(W·m-2K-1)對數(shù)平均溫差小0.42℃，隨著制冷量的提高，細薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和對數(shù)平均溫差與普通蒸發(fā)器差別縮小，主要因為在熱負荷較低時，制冷劑在細薄膜蒸發(fā)器內壁面形成的細薄膜蒸發(fā)對相變換熱起強化傳熱作用，但隨著熱負荷的提高，制冷劑蒸汽的脫離和液體的補充受燒結多孔層的限制，減弱了其強化傳熱性能.

細薄膜蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)高于普通蒸發(fā)器，其強化傳熱效果因下列因素的影響而削弱.

(1)細薄膜蒸發(fā)器的內壁銅粉層存在不同程度的氧化，在燒結層表面生成氧化膜，氧化膜的存在會導致細薄膜與壁面接觸角的顯著增大，接觸角的顯著增大直接降低了細薄膜區(qū)的長度，導致傳熱性能的下降.

(2)制冷劑中存在少量潤滑油，在蒸發(fā)器內隨著制冷劑蒸發(fā)，一部分潤滑油會沉積在多孔層結構內，影響燒結多孔結構表面的浸濕特性，削弱傳熱.

(3)熱負荷較高時，多孔燒結層對制冷劑蒸汽的脫離和液體流入燒結層的補充有一定的阻礙作用，減弱了其傳熱性能.

5 結語

本文搭建制冷試驗系統(tǒng)對細薄膜蒸發(fā)器和普通蒸發(fā)器的傳熱性能進行研究，通過測試對比，細薄膜蒸發(fā)器的傳熱性能要高于普通蒸發(fā)器，為減小船用蒸發(fā)器尺寸，減少金屬耗材提供了依據(jù).對削弱細薄膜蒸發(fā)器強化傳熱效果的因素進行了分析，為進一步深入研究奠定了基礎.

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Application Research of Thin Film Evaporator on Ship

ZHANG Hong-dun
(School of Ocean，Yantai University，Yantai 264005，China)

Thin film evaporator with micro-structured evaporating surface is obtained by sintering copper powder on the inner-surface of copper tube.Under the same surface area，evaporation pressure，refrigerating capacity and refrigerant flow rate，the designed experiment compares the thin film evaporator with general evaporator.The experiment result shows that the overall heat transfer coefficient of the thin film evaporator is higher than that of the general evaporator，and the ability of evaporating heat transfer enhances effectively，which provides reference to reduce the marine evaporator’s material and size.

heat transfer coefficient;thin film evaporation;sinter

U667.2

A

(責任編輯 蘇曉東)

1004-8820(2015)03-0224-06

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.03.013

2014-09-09

張洪墩(1986-)，男，山東泰安人，講師，碩士，研究方向為輪機工程.