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高效换热器用烧结型复合粉末多孔管研究点击：2431 日期：[ 2014-04-27 11:50:56 ] |
| 王宏智,刘京雷,戴玉林,徐 宏,孙 岩,顾春辉 (华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237) 摘要：对自主开发的铁基复合粉末多孔管的传热性能进行了研究。实验得到在水中的强化传热达到光管的 2·4~3·7倍;在酒精中强化传热达到光管的8·7~12·1倍。并在此传热性能测试的基础上,综合分析了沸腾 传热强化的原理。 关键词：换热器;复合粉末;多孔管;强化传热 中图分类号：TK124 文献标识码: A 文章编号: 1007-2691 (2010) 01-0033-03 0 引 言 管壳式换热器广泛应用于各种换热装置,在 石油、化工、冶金等行业的大型工业化装置中占 有非常重要的地位。它广泛地用于各种物料的蒸 发、冷凝、加热及冷却、冷冻等过程[1],它的用 量可达全部换热器的70 %[2]。管壳式换热器主 要的换热元件就是各种规格的换热管。目前管壳 式换热器中普通换热管的传热性能较差,为了提 高换热器的传热效率,国内外开始采用改变管子 形状或对管子进行表面处理的方法来强化传热 已经取得了显著效果。 多孔管有多种加工方法,如电镀法、化学腐 蚀法、喷涂法、机械加工法和烧结法[3~8]等。烧 结型表面多孔强化管是20世纪70年代起发展起 来的高效强化沸腾传热的一种换热管。它是通过 烧结的方法在金属管表面烧结上一层金属粉末形 成多孔管。多孔管对水、乙醇、烯烃类、苯、氟 利昂等多种工质的沸腾换热均有显著的强化作 用,可用于乙烯分离装置的塔顶冷凝器和重沸 器、空分装置的主换热器用烧结型复合粉末多孔 管研究冷凝-蒸发器以及天然气液化、冷冻、空 气调节、乙二醇蒸发、海水淡化等装置[8,9]。 本文采用烧结法在碳钢管表面烧结铁基复合 粉末形成多孔管,通过池沸腾传热试验,研究了 多孔管的传热性能,并对其机理进行了分析。 1 物理性能测定 采用SEM对烧结的多孔管的微观结构进行 了分析,测试了多孔层的厚度,估算了多孔层的 孔隙率。 图1为多孔层表面形貌图,图1示出一个 “陷入式”孔穴,该孔穴具有向内凹陷的特点, 且内部是相互连通的。试验中采用显微照片准确 测出多孔层厚度为0·15 mm。表面多孔层能够强 化沸腾传热,是由于其内部有大量的毛细孔提供 高密度的汽化核心。因此,多孔层的孔隙率对强 化传热效果有直接的影响。采用金相分析法测得 多孔管的孔隙率在50%~60%之间。 2 传热性能测试 2·1 传热实验结果与分析 实验中采用如图2所示的池沸腾装置进行实 验测定其传热性能。实验中分别采用水和酒精作 为传热介质,各个电压值下的热流量Q可以通 过冷凝水量M和汽化潜热γ的乘积并除以时间t 获得,即Q=(m·γ) /t。热流密度即为q= Q/A。传热系数即为ho=q/ΔT。根据实验测 出的传热温差(过热度)ΔT=Tw-Tsat(其中 Tw为管外壁温度, Tsat为介质温度),即可算出 换热管沸腾传热系数ho。(其中Q为加热功率, q为热流密度, ho为沸腾传热系数, A为换热面 积, d为外径, L为有效换热长度)。 实验中沸腾室中管内采用电加热方式进行加 热,其加热电源采用稳压器进行稳压,同时用调 压器进行电压调节,管外为加热介质。实验采用 T型热电偶,即铜-铜镍合金(康铜)热电偶, 均匀分布在管壁的3个测点上,其平均值作为计 算时的管壁温度;介质的主体温度采用T型(铜 -康铜)热电偶和温度计同时测量。所有的热电 偶在实验前都进行标定,其数据用巡检仪进行记 录。通过实验得到如图3和图4所示的结果图。 图3和图4分别给出了在介质水和酒精中的过热 度与热流密度之间的关系。 在水和酒精中,多孔管与光管的热流密度q 都随过热度ΔT= (ΔTw-Tsat)的增大而增大。 由图3可知,在水中,多孔管的沸腾传热温差一 般在1·74℃左右,而光管的沸腾温差一般在 2·70℃左右,其沸腾传热温差比光管的沸腾传热 温差低35·5%。在相同的温差下,多孔管的热流 密度明显高于光管的热流密度。由图4可知,在 酒精中,多孔管的沸腾传热温差一般在3·52℃ 左右,而光管的沸腾温差一般在6·78℃左右, 其沸腾传热温差比光管的沸腾传热温差低48%。 在相同的温差下,多孔管的热流量同样明显高于 光管的热流密度。 为了对多孔管的强化传热效果与光管的传热 效果进行对比,我们定义一个提高因子ω,即相 同温差下多孔管的沸腾传热系数与光管的沸腾传 热系数之比,该值反映了多孔管强化传热的能 力,其值越高说明多孔管强化传热能力越强。 通过origin曲线拟合分别求得光管和多孔管 在水中和酒精中的沸腾曲线,并在具有共同的温 差区间内求得同一温差下对应的热流密度,得到 温差和提高因子之间的关系,通过对提高因子ω 的计算可知,在实验范围内测得的数据,如图5 和图6分别说明多孔管在水中的传热效果是光管 的2·4~3·7倍,在酒精中的传热效果是光管的 8·7~12·1倍,这说明在水中和酒精中多孔管的 强化传热效果都非常明显。 3 结 论 烧结型多孔管是通过高温烧结的方法在光管 的表面形成一层相互连通、形状各异的孔隙。这 种多孔表面存在很多凹穴和隧道,而隧道又随机 地将凹穴连接起来。因此烧结型表面多孔管可以 较易截留住气体或蒸汽,同时表面多孔换热面具 有大量尺寸较大的稳定汽化核心,因而可以使工 质在过热度很小的工况下产生大量汽泡,强化沸 腾换热过程。所以,只要有一定的过热度,水 (酒精)等介质在多孔换热表面比在光滑表面更 容易沸腾。 多孔层在不同的传热介质下,均可大幅度提 高其传热性能,在水中可以强化2·4~3·7倍, 在酒精中可以强化8·7~12·1倍。从实验结果可 知,本实验中烧结出来的多孔管对于酒精有着更 佳的传热性能。参考文献:[1]林宗虎.强化传热及其工程应用[M].北京:机械 工业出版社. 1987. 1-5.[2]马晓驰.国内外新型高效换热器[J].化工进展, 2001, 20 (1): 49-51.[3] G. N. Danilava, et al. Enhancement of Heat Transfer during Boiling of LiquidRefrigerants at low Heat Flux [J]. Heat Transfer, Soviet Research, 1987, 104.[4] Chyu M. C., Bergles A. E.. Characteristics of Nucle- ate Pool Boiling fromPorous 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]陈振兴.氧化铝厂原液蒸发工序的强化途径[J]. 轻金属, 1993, 20 (1): 49 -51.[8] C. F. Gottzman, P. S. 0’Neill, P. E. Minton. High Efficiency Heat Exchangers [J]. Chemical Engi- neering Progress, 1973, 69 (7): 69-75.[9] C. W. wolf. High Flux Tubing Conserves Energy [J]. Chem. Eng. Progr., 1976, 72 (7): 53-55. |
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