影响换热器用多孔表面管沸腾换热的主要因素

2010年05月24 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：综述了换热器用多孔表面管沸腾传热的各种影响因素,既介绍了如孔穴直径、多孔层厚度及孔隙率等多孔层的特征参数的特性;也介绍了材料物性、加工工艺、工质物性、压力与温度等对沸腾传热的影响。同时对各种因素对沸腾换热的具体影响进行了分析归纳,对今后多孔表面强化沸腾传热的研究提出了一些自己的建议。

换热器用多孔表面管由于沸腾温差低(一般只有普通换热管的几分之一)、换热系数高(可以达到普通换热管的几十倍)、临界热流密度高(约为光滑管的两倍)和抗垢能力强,因此对于开发利用低温低焓能源及工业余热及制冷蒸发器有着极大的吸引力。自从20世纪70年代初美国联合碳化公司开发出烧结型多孔表面管后,此种强化传热元件就获得了长足的发展,在各国获得了普遍的关注。多孔表面一般分为多孔覆盖层表面和开孔多孔表面,采用多孔覆盖层表面的多孔管有烧结型多孔管、火焰喷涂多孔管、钎焊多孔管、电镀多孔管;采用开孔多孔表面的多孔管有机械加工多孔管、化学腐蚀多孔管、激光加工多孔管。目前烧结型多孔管和机械加工多孔管已经应用于工业领域,但是由于其沸腾传热主要是发生在微孔内,有别于宏观的传热过程,且影响其传热的因素众多,至今对于其换热机理的研究仍在进行着。作者在阅读了大量的文献后发现,对影响多孔管换热各种因素的研究非常分散,观点也不是非常一致,对许多人认识其实质造成了很多困难, 因此,本文对各种影响因素进行了分析归纳,希望对同行有所帮助。

1影响多孔表面管沸腾换热的主要因素

多孔表面沸腾换热现象受多孔层内传热、传质、传递动量过程及沸腾传热规律的控制,因此,所有影响沸腾换热及多孔层内三传过程的因素,如孔穴直径、多孔层厚度及孔隙率,汽化中心密度等多孔层结构特性;材料物性、加工工艺、工质物性、运动压力与温度等,都影响多孔表面沸腾换热的性能,并且这些因素又交错作用、相互影响。在上述诸影响因素中,有的是主要的,如多孔层结构特性、材料物性和工质物性;有的则由上述主要因素控制,如加工工艺,主要是加工方法不同引起多孔层结构特性变化;压力主要是由于压力不同引起工质物性发生变化从而影响其沸点。

1.1孔穴直径

几乎所有的实验研究都指出,多孔层孔穴直径 do直接影响多孔层沸腾换热系数。物性不同的工质,具有不同的最佳孔穴直径。对于水这样的表面张力和导热系数较大的液体,孔穴的直径应当大些, 开孔密度可适当疏些;而对表面张力和导热系数较小的液体,如F-113和F-11,则孔穴直径应当适当小些,开孔密度应当适当密些。

O′Neill[1]等人推导出如下的计算最佳孔穴直径的公式(1)和(2):

一般说来,若孔穴的直径过小,则需要较大的过热度;若小孔直径过大,由于大量液体的浸入,隧道内难以形成理想的蒸汽区,隧道壁的液膜也难以形成,此时隧道内可能大部分为液体所充满,而沸腾所需过热度也会提高。另一方面,当热流密度较低时, 由于蒸汽的产生速率低,蒸汽通过小孔的量也少,小孔直径可适当小些;当热流密度较高时,小孔直径应当适当大些,以利蒸汽的排出。图1是根据许多实验数据整理后得出的几种液体在一定的热流密度下之do-ΔT的关系,根据此图可以大致定出一定热流下较为适宜的小孔直径(do)值,如对水,若在大于150 kW /m2的热流密度下沸腾,则选择的最适宜直径(do)值应大于0. 15 mm;反之,则应稍小于 0. 15 mm。但do值最大一般不超过0. 4 mm。

Griffith和Wallis[2]则进行了分析,他们认为孔口的大小决定起始沸腾的过热度,孔穴内部的形状决定汽化中心的稳定性。

1.2多孔层厚度

人们对颗粒多孔层厚度对沸腾换热的影响有着不同的看法。有人认为只要δ>2do,则δ的变化对沸腾换热无影响[3],甚至认为δ的任何变化与沸腾换热都无关。但文献[4]等则指出,对于一定的do存在一个对换热最有利的最佳厚度值δopt,并提出δopt =4dp。后来文献[5]又指出对于不同的工质δopt/dp 并不恒等于4,而是在一定的范围内变动,并对以 δopt/dp表示多孔层特征结构参数的合理性表示怀疑。文献[6]则指出,当dp一定时,δ的大小直接影响多孔层内气液两相流的流动和换热过程。δ增高使层内两相流的流动阻力增高,不利于层内气体的逸出和大空间液体的导入;另一方面,δ的增高使传热面积增大,有利于液层蒸发,但也增加了导热热阻。上述分析必然导致一个对换热最有利的厚度 δopt,这种分析已由表1的实验数据所证实。

1.3孔隙率(ε)

文献[7, 8]指出多孔层的孔隙一般分为:活化孔穴、非活化孔穴、通道孔隙、封闭孔隙。孔隙率是前三种孔隙容积与总容积之比。

孔隙率表明了多孔层内可供气、液两相运动与换热的空间的相对大小,表征了工质与颗粒间参与换热的容积比例大小,显然它对多孔层的换热能力将产生很大的影响,文献[9]指出,对黄铜烧结层每增加一倍,沸腾换热系数降低15%。一般认为孔隙率ε=50% ~65%是适度的。对机加工多孔层由于加工条件所限,ε一般在35% ~45%。

但是经过作者的研究发现孔隙率大有利于沸腾传热,孔隙率越大沸腾传热系数越高[10],因此孔隙率对传热性能的影响有待进一步研究。

1.4汽化中心密度

陈嘉宾[12]通过实验证明了,汽化中心密度对沸腾传热的影响是显著的。同时用模型计算了在温差与孔径不变的条件下,热通量随汽化中心密度变化的情况。热通量与汽化中心密度的0. 72次方成正比。同时文献[11]中以水为介质,在铜表面上测定的热通量与汽化中心密度的0. 67次方成正比。

1.5浸泡

所谓浸泡,是指在进行完一次实验后,不将液体介质排除,表面浸泡在液体中一同冷却至室温,经过一段时间以后(一般为15 h左右)再进行沸腾换热实验。文献[12]经过实验发现,多孔表面浸泡一段时间后,换热性能明显下降,可能的原因是:多孔表面中许多孔穴在冷却浸泡的过程中被液体所充满,失去了作为汽化核心的功能,因此其传热性能下降。

1.6压力

文献[13]指出,在压力增加时,高热流管具有更优异的性能。对于光滑表面,沸腾换热系数与压力的0. 3次方成正比,而高热流管则与压力的0. 5次方成正比,因而在压力高的情况下更为有利。

&n bsp; 1.7多孔表面材料物性

实验研究结果[14]表明:要使液体与多孔层材料匹配得当,一般说来,就要求固体的导热性能良好,对沸腾液体润湿性好,多孔层材料与沸腾液体之间不发生化学反应。对大多数低沸点工质,铜、不锈钢、铝都是较好的多孔层材料。

1.8加工方法

由于加工方法不同造成了多孔层结构上的差异。文献[14]做了多种材料的烧结多孔层、机械加工多孔层的沸腾换热性能实验,结果表明,以水为工作介质时,机加工多孔层的沸腾换热性能优于其它多孔层;而对于F-113,铜烧结多孔层的沸腾换热性能最优。文献[15]的试验结果表明,对于氟利昂等制冷剂,在壁面过热度较低时(ΔTw=0. 3~1℃)电沉积多孔层的沸腾换热系数最高,但在高热负荷下电沉积多孔层的沸腾换热性能不如喷涂型和烧结型多孔层。

1.9工质物性

至于工质物性对换热的影响,文献[16, 17]认为,不同的工质使多孔层的最佳孔穴直径dopt不同 λl与σ值小,则dopt值小;λl与σ值大,则dopt值大。

2多孔表面管沸腾换热的分析

换热器用多孔表面管能够起到强化传热效果主要是其在沸腾的过程中能产生大量汽化核心,增大了汽泡的密度和频率,因此对其强化传热进行分析,首先分析多孔表面汽泡的成长、脱离以及其影响因素。

2.1加热壁面上汽泡的成长分析

2.2汽泡的脱离

在饱和沸腾条件下,汽泡在加热壁面上不断长大,经过tg时间后,汽泡的直径达到某一数值Dd,当作用在汽泡上的各种力达到平衡后,汽泡就会脱离壁面上升到液体主体中去。

关于汽泡的脱离直径, Fritz基于浮力和表面张力的平衡,提出了如下经验式(4):

式中D———汽泡直径;

r———汽泡底部曲率半径;

Db———汽泡与壁面接触周边的直径;

t———时间;

Cd———曳力系数。

实验结果表明,对缓慢成长的汽泡,浮力和表面张力是主要的,其它力可以忽略。对迅速成长的汽泡,惯性力也很重要。

Jakob最先注意到,汽泡脱离频率与直径的乘积是一个常数:fDd=C。后来许多人的观测表明,用下式表达两者的关系更为合适:

Ivey[22]认为,在核状沸腾时,f与Dd之间的关系可分成三个区域来分别考虑 ,热力学区、动力学区和过渡区。在热力学区,汽泡周围为热边界层的热传导起主导作用;在动力学区,汽泡所受的浮力和曳力起主导作用;在过渡区,只有浮力和表面张力在起作用。他对以水、液氮、甲醇、四氯化碳等为介质的实验数据进行了关联,得到如下结果:

在动力学区

在过渡区

式中q———热通量;

qcr———临界热通量;

f———汽泡生成的频率;

Dd———汽泡与壁面脱离时的直径。

2.3孔径对汽泡脱离直径和频率的影响

文献[23]通过实验证明:当表面过热度一定时,汽泡脱离直径随孔径的增大而增大;汽泡脱离频率随孔径的增大而减小。因为随着汽化中心孔径的增大,汽泡与壁面接触周边增大,表面张力的作用增大,因而阻碍了汽泡的脱离,使汽泡脱离直径增大而频率减小。

2.4汽泡脱离直径和频率与表面过热度的关系

陈嘉宾通过实验证明:随着过热度的增加,汽泡的脱离直径和频率都增加。这是因为过热度的增加会使汽泡成长速度加快。成长速度加快会产生两方面的作用,一方面使汽泡成长时间缩短,因而使汽泡脱离频率增加;另一方面,汽泡成长速度加快造成汽泡所受的液体的粘性曳力增大,使汽泡脱离直径增大。

3分析讨论

综上所述,各种因素对多孔管的影响程度不一样,有些是主要因素,有些是次要因素,根据上面的分析,可以得到以下结论: