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    板式蒸发器微纳米强化换热表面研究进展.pdf

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    板式蒸发器微纳米强化换热表面研究进展.pdf

    第1期 栾辉宝,等板式蒸发器微纳米强化换热表面研究进展 依据加热面壁温高于液体饱和温度的多少,沸腾换 热分为核态沸腾与膜态沸腾两大类。核态沸腾有温 压小、传热强的特点,一般的工业应用都设计在这个 范围。提高池沸腾传热系数可以通过增强加热面的 亲水能力、增加汽化核心数量和改善沸腾工质的物 性这3个主要的手段来实现口 。研究表明,壁面上 的凹坑、细缝、裂穴等都最有可能成为汽化核心。 近年来,通过对材料表面进行微细加工或在表 面形成微纳米结构进而提高材料沸腾换热性能已成 为沸腾传热领域研究的热点之一。对于强化沸腾换 热的研究,始于1931年左右对粗糙表面的研究 。 1956年,Milton等申请了首个多孔烧结表面的专 利u 。1959年,Labuntzov等根据热力学的分析, 指出了加热面的凹坑、刻峰最有利于成为汽化核心 的低点,从机理上为开发新型强化表面奠定了基 础_】 。日立公司Nakayama等在1975年发表的 Thermoexcel~E传热管开创了商业三维高效强化表 面的先河_1引。O’Connor等和Chang等进行了金 刚石、铜和铝颗粒组成微多孔和多孔涂层的研究,相 比于光平面,这些涂层可以将池沸腾传热系数最多 提高4.5倍 ’ ]。Shing等分别对有铝、铜、钼且有 凹痕的多孔介质镀层的铜板的核态沸腾换热进行了 研究_】 ,发现这些镀有多孔介质层的铜板的传热系 数是光铜板的1.5~2.5倍,且制冷剂的物性对沸腾 换热性能有重要的影响。Vemuri等研究了由氧化 铝组成的75 m厚的纳米界面的换热能力,这种纳 米界面能将FC一72的起始过热度减少3O ,并且可 以提高传热系数 。 Hwang对镀有直径为4O~8O m的纯铜颗粒 的平面的沸腾换热性能进行了研究 ,实验结果表 明,这种镀层平面的临界热流密度Critical Heat Flux Density,CHF值大约是光平面的1.8倍。 Chen等对镀有导热能力强的多孔介质镀层表面的 沸腾现象进行了研究 ,结果表明,多孔介质镀层 明显降低了沸腾起始点对应的壁面过热度,通过改 变镀层厚度和孔胞大小可以改变核态沸腾起始点对 应的壁面过热度。 Kim等研究了有微型翅片和多孔介质镀层平 面的沸腾换热性能[2 ,研究发现,相比于光平面,有 微型翅片和多孔介质镀层平面的壁面过热度分别降 低了44.2 和67.3 。Wu等研究了由TiOz和 SiO 构成的1 m厚的纳米颗粒烧结表面的沸腾换 热能力,其结果表明,具有亲水能力的TiOz纳米颗 粒表面能提高沸腾传热系数和CHF值 。Xue等 采用干式腐蚀方法形成的方柱微结构,利用其表面 微结构间的毛细作用力可进行高效强化沸腾换热, 在常重力条件下,I临界热流密度相比光滑表面强化 2~3倍 。Dong等基于Gibbs自由能和有效能, 对微结构表面的非均相沸腾成核进行了热力学分 析,发现在一定尺寸范围内,微结构可以降低沸腾起 始过热度 。Forrest等通过叠加的方式开发出一 种纳米结构的表面,通过对具有不同的接触角的试 件进行沸腾实验发现,只要加热表面的湿润能力增 强,沸腾传热系数就会得到提高,最大时可以提高1 倍。研究结果还证明,增大接触角,可以增大 CHF 。徐治国研究了泡沫孔隙率、孔密度、厚度 和材质对烧结有金属泡沫的平板沸腾换热性能和气 泡生长的影响规律,揭示了沸腾换热受比表面积和 气泡从多孔结构逃逸遇到的阻力2个占主导地位的 因素控制 。 基于以上研究基础,研究者们开发了大量的具 有微纳米结构的强化表面,直接表现为研制了大量 的强化换热管应用于管壳式热交换器。近年来,板 式蒸发器应用越来越广泛,已经在很多领域代替了 管壳式热交换器,然而具有强化表面的板式热交换 器的研究报道非常有限。 Hillis等在Hawaii的海洋热能转化系统 OTEC中,测试了覆有林德公司高通量表面的板 式热交换器[2引。采用氨水作为制冷剂,实验发现在 热流密度为26 kW/m 时,板的沸腾传热系数达到 3O kw/m。K,比光滑平面提高了近5倍。Mat sushima等研究具有锥形结构强化表面的钎焊板式 热交换器,锥形结构的高度为1.5 mm,采用R22工 质,板侧沸腾传热系数是普通板的1.5~2倍 。 Longo等研究了十字槽CrossGrooved和粗糙表 面Roughened Surface结构两种强化表面结构对 板式热交换器蒸发、冷凝工况的影响 。采用R22 作为工质,研究发现十字槽表面对强化沸腾和凝结 都是有益的,蒸发侧传热系数增加了30 ~40%, 冷凝侧增加传热系数60 ;而粗糙表面仅对蒸发有 益,增加传热系数30 ~4O 。MtfllerSteinhagen 等采用真空电镀方式在板式热交换器表面覆有厚度 为250 m的铬镍铁合金,其颗粒的直径105~ 170“m,采用R134a工质,发现沸腾传热系数增加 达100 r31 。Furberg等采用波纹板片表面带有微 纳米多孔结构的板式热交换器进行了实验,结果表 明,带强化表面的R134a通道内的传热系数增加了 近10倍,整台热交换器的传热系数提高超过 石油化工设备 2014年第43卷 100 [。引。这些文献的研究结论均表明,微纳米强 化表面在提升板式蒸发器沸腾传热性能上有巨大 潜力。 4板式蒸发器相变换热研究存在的困难 板式热交换器相变换热的研究文献近年来增长 很快,但是并不系统、全面。由于相变机理和两相流 传热的复杂性,严格的理论推导难度较大。相比管 内两相流的流动形态分类诸如雾状流、环状流、块状 流等,板式热交换器通道内的流动状态更加多变,更 具有随机性。对于板内流体沸腾换热,从本质上揭 示其机理难度相对较大,这方面的研究无论国内还 是国外都刚刚起步[3。 。 板内沸腾换热的关联式多是基于水、氟利昂、氨 等工质得出,推广到其他工质时误差较大。影响蒸 发换热的因素很多,诸如热流密度、质量流量、干度、 压力、工质物性及传热表面几何结构等。 5板式蒸发器强化表面沸腾换热有待深入 研究的方向 1进一步探讨微纳米强化表面沸腾换热的机 理 目前,普遍认为强化表面的沸腾换热机理主要 有薄液膜蒸发强化换热、增加气化核心数量、毛细泵 吸作用加快了液体向加热壁面的补充以及提供蒸汽 逃逸的通道等方面。然而谁是主控因素,研究者们 仍然存在着较大分歧。强化表面沸腾换热过程极其 复杂,受各种因素影响可能出现多种传热方式并存。 然而各种传热方式出现的规律及相互转换的条件不 够明确,对应的物理情景观察不多,导致沸腾换热的 机理阐释非常困难,并且由于很难通过理论推导建 立起理论分析模型,所以强化沸腾换热的研究很大 程度上依赖于实验。 2具有强化表面的板式蒸发器工业化应用 现有的强化沸腾换热多以换热管为主,而将强化表 面应用于板式热交换器的研究较少。具有强化表面 的板式蒸发器的研究结果相当有限,尚不足以为工 业化应用提供足够的理论依据和实验基础。 3数值模拟研究 板式蒸发器相变传热的数 值模拟不仅可得到平均传热系数,而且可得到其局 部传热系数和流场分布,已经在热交换器模拟中得 到了广泛应用_3。 引。计算流体力学多用于单相换 热模拟,目前有学者在FLUENT添加包含沸腾模 型_3 的UDF函数来模拟管内沸腾 圳,用于定性分 析,不用于定量计算,并未见板式热交换器内部沸腾 换热的相关研究报道。因此,通过数值模拟研究板 式蒸发器的相变换热应是未来的研究方向之一。 6 结语 1工业中需要大量的蒸发操作工艺,蒸发工艺 过程又是消耗新鲜蒸汽和电能的主要操作单元,能 耗低、热效率高及操作成本低的板式蒸发器将一直 受到关注。 2微纳米强化表面对提升板式蒸发器沸腾传 热性能有巨大潜力,具有强化表面的板式蒸发器的 研究结果相当有限,尚不足以为工业化应用提供足 够的理论依据和实验基础,有必要开展深入、细致的 研究。 参考文献 [1] 中国科学院学部.我国工业节能现状调研和对策[J]. 院士与学部,2010,257307308. 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Key wordsair preheater;classification;dew point corrosion forecast [32]Furberg R,Palm B,Li S,et a1.The Use of a Nano一 [33] [34] and Microporous Surface Layer to Enhance Boiling in a Plate Heat Exchanger[J].Journal of Heat Transfer, 2009,131101010.1-i01010.7 Huang J.Perance Analysis of Plate Heat Ex- changer Used as Refrigerant Evaporators[D]. Johan~ nesburgUniversity of the Witwatersrand,2010. 邱峰,曾伟平,谷波.R410a的板式蒸发器换热与压 降分析l-J].上海交通大学学报,2009,43101612 1 614. [36] [37] QIU Feng,ZENG Wei-ping,GU 13o.Heat Transfer and Pressure Drop Analysis on Evaporation of Refrigerant [38] 410a in Plate Heat Exchanger[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2009,431016121614. [351陶文铨.数值传热学第二版[M7.西安西安交通 大学出版社,2001. rA0 Wan~quan.Numerica1 Heat TransferThe See ond Version[M].Xi’anXi’an Jiaotong University Press,2001. Bhutta Aslam M M,Hayat N,Bashir M H,et a1. CFD Application in Various Heat Exchanger Designa Review[J].Applied Thermal Engineering,201232 1-12. 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