納米管陣列表面流動沸騰傳熱特性的實驗研究

王新亮 ，楊文剛 ，史曉平 ，陶金亮，邢曉康

（1 河北工業大學化工學院，天津 300130；2 中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100007）

作為最常見的熱量傳遞設備，列管式蒸發器或再沸器的傳熱性能直接影響到能源利用效率和設備投資費用，因此圍繞其核心傳熱元件——換熱管的傳熱強化技術一直受到眾多學者的重視，先后開發出了多種換熱管的沸騰傳熱強化工藝，如為增大傳熱面積，可通過特殊機械加工方法，直接在金屬管內或外表面加工出各種形狀的翅片和螺旋形溝槽；為提高汽化核心數量，可利用粉末燒結、火焰噴涂、電鍍、覆蓋金屬絲網等工藝在換熱表面額外增加一層多孔覆蓋層。然而隨著科學和技術的逐漸進步，高集成、大熱流、微系統又對沸騰傳熱提出了新的要求。與此相適應，納米表面的強化傳熱技術逐漸成為世界各國的研究熱點，國內外公開發表的文獻已經證實其具有優異的沸騰傳熱強化效果，主要集中在納米管[2-9]和納米涂層[10]領域。所謂納米表面，就是以傳統表面技術為基礎，通過引入納米技術，在基質材料表面制備出含納米顆粒的復合涂層或具有納米結構的表層，達到提升表面性能的目的[1]。TiO2納米管陣列表面作為新型的納米表面具有與金屬結合緊密，納米孔垂直金屬基底，呈陣列分布等諸多特點。其強化傳熱效果自然也受到廣泛關注，如Chen[2]、陶金亮[3-4]、Xu[6]等以該結構為池沸騰換熱表面進行研究，發現相對于鈦金屬表面，TiO2納米管陣列表面的沸騰傳熱效果明顯較好。呂樹申等[7]在不同孔徑的TiO2納米管陣列表面的池沸騰傳熱實驗研究中發現，隨著TiO2納米管孔徑的增大，TiO2納米管陣列表面的沸騰傳熱強化效果逐漸增強。然而到目前為止，有關其流動沸騰的研究還不多見。為進一步擴大其應用范圍，本文作者在鈦換熱管內表面上制備出TiO2納米管陣列薄膜，研究了該處理表面在強化流動沸騰換熱方面的特性與效果。

1 實驗裝置與流程

實驗裝置流程如圖1(a)所示，其中測試換熱管內表面覆蓋一層納米管陣列薄膜（參照文獻[6]中的方法制備，為對比傳熱強化效果，用同一換熱管進行光滑表面管傳熱實驗后制備納米管陣列薄膜）。換熱管采用電阻絲管外纏繞的加熱方式，加熱功率可通過穩壓直流變壓器加以調節，換熱管外壁面溫度采用四線制Pt100 貼片熱電阻測量，熱電阻由錫焊分別焊接在換熱管外壁溫度測量點[鈦換熱管尺寸和貼片位置見圖1(b)]。管內壁溫度則通過一維穩態導熱計算得到（管外設置保溫，可近似忽略熱損失）。換熱管進、出口工質溫度采用四線制Pt100 型鎧裝熱電阻進行測量。所有熱電阻均與XSLE 高精度溫度巡檢儀連接，通過計算機上的M400 數據采集系統記錄。通過對比單相流動傳熱實驗結果與Dittus-Boelter 關系式，最大誤差不超過10%，表明實驗測量的數據是可靠的。實驗時，水箱中的蒸餾水由循環泵打入到氣液分離器至預定值，分離器內的蒸餾水由循環管路上的離心泵送出，經調節閥控制流量在設定值，再經玻璃轉子流量計標定后進入測試換熱管，換熱段壓降由U 形壓差計測量。離開換熱段的兩相流經沸騰段循環至氣液分離器，液相再次循環，氣相則向上流入冷凝器。由于氣液分離器具有較大熱量蓄積和工質蓄積能力，能夠緩沖工質氣化時造成的流量和壓力的大幅波動，以確保實驗系統的安全和實驗的順利進行。冷凝液由燒瓶收集稱重測量，可以得到相應功率下的氣化量，稱量過的冷凝液需注入分離器中進行再循環，保證實驗工質量的恒定。

2 實驗結果及討論

2.1 納米管陣列表面管流動沸騰傳熱性能

圖2為不同表面換熱管流動沸騰傳熱溫差Δt（Δt=tw-tf）與熱通量之間的關系。由圖可知，在整個沸騰過程中與光滑表面管相比，TiO2納米管陣列表面管的傳熱溫差降低了30%～55%。TiO2納米管陣列表面管之所以會具有這種特性，可能是由于納米管陣列表面眾多的納米微孔能吸附一定量的氣體。這些氣體的存在可作為氣泡生長的種子或氣核，使其在較低的壁面溫度下就能夠被活化，從而將核態沸騰區域延伸到較小的溫差內。

圖1 實驗裝置流程及測溫點布置示意圖（單位：mm）

圖2 沸騰傳熱溫差與熱通量的關系

圖3 流動沸騰傳熱系數與熱通量的關系

圖3為不同表面換熱管的流動沸騰傳熱系數和熱通量的關系。由圖可以看出，在相同熱通量的情況下，TiO2納米管陣列表面管的流動沸騰傳熱系數遠大于光滑表面管，為光滑表面管的1.5～2.2倍，強化傳熱效果十分明顯。

2.2 納米管陣列表面管壓降

圖4為不同表面換熱管的壓降與熱通量的關系。由圖可以看出，在整個沸騰過程中，無論光滑表面管還是TiO2納米管陣列表面管的壓降都隨著熱通量的逐漸增大而增大。這主要是由于熱通量的增大有效促進了核態沸騰，使液相中氣相含率相對增加，從而增大了氣液兩相界面切應力。然而相對于光管而言，相同熱通量下，TiO2納米管陣列表面管的壓降略有提高。這可能有以下兩個原因：一是壁面粗糙度造成的壓力損失；二是質量含氣率的提高。為了探明這一機理，考察了壓降與質量含氣率的關系，如圖5所示。由圖5 可知，當質量含氣率相同時，TiO2納米管陣列表面管的壓降與光滑表面管相差無幾，兩條壓降曲線幾乎重合。這說明由TiO2納米管陣列表面薄膜粗糙度引起的壓降很小。如在工程實際中，這一壓力損失可忽略不計。

圖4 壓降與熱通量的關系

圖5 壓降與質量含氣率的關系

2.3 納米管陣列表面管流動沸騰傳熱系數關聯式

利用最小二乘法，對實驗數據進行擬合，得出：a=1.1105，b=-0.1878。

圖6 給出了傳熱系數測量值與本研究傳熱系數關聯式計算值的比較。從圖6 可以看出，計算值與測量值的相對誤差在±20%以內，表明文中提出的TiO2納米管陣列結構表面管抑制因子系數修正計算方法能夠對實驗數據進行很好的關聯。

3 結論

（1）TiO2納米管陣列表面管在降低沸騰傳熱溫差的同時還可以有效提高換熱管的流動沸騰傳熱系數。

（2）隨著熱通量的增加，換熱管的整管壓降逐漸增大。造成TiO2納米管陣列表面管壓降損失的主要因素與質量含率有關，其表面粗糙度對壓力損失的影響很小。

圖6 傳熱系數測量值與模型計算值的比較

（3）通過最小二乘法，對Gungor 模型抑制因子系數進行修正，得出了適合TiO2納米管陣列表面管的傳熱系數公式，該公式與實驗數據吻合較好，誤差在20%以內。

符號說明

Di——換熱管內徑，m

E——對流強化因子

G——質量流速，kg/(m2?s)

h——管內流動沸騰傳熱系數，W/(m2?℃)

M——相對分子質量

Prl——液相Prandtl 數

p——操作壓力，Pa

Pc——臨界壓力，Pa

q——熱通量，W/m

Rel——液相Reynolds 數

S——抑制因子

tf——工質溫度，℃

tw——換熱管內壁面溫度，℃

Xtt——Martinelli 參數

x——質量含氣率

γ——汽化潛熱，J/kg

λl——液相導熱系數，W/(m?℃)

μg——氣相動力黏度，Pa?s

μl——液相動力黏度，Pa?s

ρg——氣相密度，kg/m

ρl——液相密度，kg/m

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