燒結多孔管的制作及其沸騰傳熱研究

周述璋，侯亭波，潘敏強，韓堯，陳妍

(1.華南理工大學設計學院，廣州510006; 2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640)

我國人口眾多，能源緊缺，環境污染日益嚴重，因此如何節約能源，提高能源利用率，保護環境，是保證我國經濟可持續發展最為有利的措施。在諸多資源消費中，能源消費是不可或缺的，而且其人均消費量在不斷上升。由于環境污染大部分來自能源生產和消費過程中排放的廢棄物，因此，節能不僅具有節約資源的意義，而且具有保護環境的作用。實踐表明，不只是直接節能可以保護環境，盡可能地減少產品消耗也同樣有利于保護環境，因為所有產品的生產都要消耗能源。因此，在生產和生活的每一個環節，我們都應該大力推廣節能降耗技術，節約資源，保護環境。

當今世界普遍重視能源的節約和利用，因而如何降低能耗和提高傳熱效率，保護環境，已經成為一個非常重要的研究課題。管殼式換熱器大量應用于各種換熱裝置，其主要的換熱元件就是各種規格的換熱管，因此，研究高性能的換熱管是當前強化傳熱的一個主要研究方向。多孔層表面管就是一種高性能換熱管，與光滑管相比，能成10倍的提高換熱系數，臨界熱負荷提高近2倍。它適用于沸騰傳熱，尤其適用于小溫差、多效蒸發的過程，對水、氟利昂、液氮、烯烴類、苯、石油、乙醇等多種工質的沸騰傳熱均有顯著的強化作用。多孔層表面管有多種制作方法，如燒結法、機械加工法、火焰噴涂法、化學腐蝕法等。燒結型表面強化管是20世紀70年代發展起來的一種高效強化沸騰傳熱管，它是在金屬表面燒結多孔層金屬，形成多孔層，對多種工質具有顯著的強化作用［1—10］。

本文采用燒結爐在高溫下快速地在銅管表面燒結金屬銅粉層，由于多孔層材料與基體管采用同一種材料，提高了其粘結性，保證了其燒結質量，并且通過傳熱實驗，研究了多孔層燒結管的傳熱性能。

1 燒結工藝方法

1.1 燒結模具的選用

燒結模具應選用耐高溫、易于機械加工且容易脫模的材料制作。因此本文的燒結模具采用石墨制造，石墨作為燒結模具具有以下優點:首先，石墨硬度低，易于機械加工;其次，石墨易于脫膜，有很高的熔點，在燒結溫度內有很好的穩定性，在加工石墨的時候表面會殘留石墨的微小粉末，有一定的潤滑作用，從而使燒結之后的結構更容易脫模;再次，石墨模具有很高的耐用性和重復性，加工一次模具可進行多次燒結，且能夠保證燒結出的樣品的一致性。

1.2 燒結方法的選用

實驗前對燒結溫度為850，900℃，燒結保溫時間為0.5，1 h的燒結樣品經多次對比實驗得出如下結論。

1)燒結溫度為850℃時，無論是保溫30 min或60 min，都不能滿足燒結之后結合強度的要求，即燒結后結構強度差，銅粉不容易結合在一起。

2)燒結溫度為900℃時，保溫30 min的銅粉結合強度有了一定的提高，具有良好的孔隙結構，這種良好的孔隙有利于沸騰效果的提高，但經驗證，結合強度依然不能滿足要求。

3)燒結溫度為900℃，保溫60 min時能滿足實驗結合強度的要求，具有較好的強度并且仍能保證其孔隙結構。

故本實驗的燒結方法為:燒結到900℃并保溫1 h。

1.3 燒結的具體步驟

多孔燒結管的制備裝置如圖1所示。

圖1 多孔燒結管的制備裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the preparation device of porous sintered tube

采用階段式的加熱方式，以保證整根銅管的加熱均勻，其燒結工藝如圖2所示。

首先，對紫銅管表面進行清洗除油，以保證銅粉與其外表面的良好接觸，也將有利于燒結過程銅粉與表面的結合。在紫銅管兩側套入不銹鋼堵頭，堵頭的內徑和管殼外徑間隙配合，外徑和燒結模間隙配合。然后將套有堵頭的紫銅管放入燒結模具中，燒結模具是由易脫模、耐高溫的石墨材料制成。之后在紫銅管與燒結模具所形成的環形空間中均勻填入紫銅粉末，填充過程中要不停地震動整個裝置，以保證所填充的金屬粉末均勻、充分，燒結模內半徑與金屬圓管外半徑之差為銅粉層厚度。

圖2 燒結工藝Fig.2 Sintering process

填充好銅粉后即可放入燒結爐內燒結，燒結溫度為900℃，并保溫1 h，1min內燒結溫度最多升高5℃。在燒結過程中，需通入還原氣體以防止銅粉在高溫下氧化。

通入氣體和燒結的過程如下:首先加熱至430℃，保溫30 min，再以5℃/s的速度加熱至850℃。在850℃時保溫30 min，再以5℃/s的速度升到900℃，在900℃時保溫1 h，此時加熱停止，待爐內冷卻至一定溫度即可取出燒結工件。打開燒結模具，去除兩端堵頭，得到強化沸騰傳熱管。

在剛開始加熱時，同時向爐內沖入氮氣，由于氮氣密度高，因而可以排除爐內空氣。在爐內溫度到達400℃時，松開氮氣減壓閥，關閉電磁閥，同時打開氫氣電磁閥，擰緊減壓閥至0.3 MPa，向爐內沖入氫氣保持高溫燒結中氫氣還原氣氛。同時在爐內空冷至室溫的降溫過程中，當溫度降至400℃時以相同的方法沖入氮氣排除氫氣，以免開爐時發生爆炸。

在整個燒結過程中，始終保持填充氣體壓力為0.3 MPa，開爐時打開排氣閥給爐內氣體泄壓。

2 傳熱性能實驗

2.1 實驗過程

實驗過程中采用恒溫熱水在管內加熱，管外是實驗用無水乙醇液體。熱水在管內以一定的流速和溫度流動，無水乙醇液體從銅管管壁獲得熱量而沸騰。

熱水通過高溫循環水箱加熱，其溫度可直接由高溫循環水箱設定。熱水經高溫循環水箱所自帶的水泵循環流經多孔燒結管內時，無水乙醇液體通過管壁吸收熱量而沸騰，所產生的蒸汽通過冷凝管回收在計量筒中。

通過計算計量筒中的冷凝液體量就可知道一定時間內無水乙醇液體的蒸發量。用熱電偶可測得管壁及沸騰液體的溫度，并進一步可計算出溫差(多孔燒結管管壁的溫度與管外液體的溫度差)，最后可計算出強化沸騰換熱系數。這是評價多孔表面管沸騰傳熱效果的常用方法［11—14］。

實驗裝置如圖3所示。

圖3 測試裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test device

熱通量的計算公式為:

式中:q為熱通量，kJ/(m2·h);V為收集的無水乙醇體積，mL;t為蒸出時間，min;ρL為無水乙醇密度，kg/m3;γ為無水乙醇汽化潛熱，kJ/kg;D為管外徑，m;L為換熱管長度，m。

沸騰傳熱系數α的計算公式為:

式中:α為沸騰傳熱系數，kJ/(m2·h·℃);θw為管外壁溫度，℃;θL為管外沸騰液體的溫度，℃。

2.2 實驗結果

多孔燒結管的幾何參數見表1，分4個樣本進行實驗。1號樣本是沒有燒結多孔層的光滑管，2，3，4號樣本的燒結層厚度均為1 mm。

傳熱性能實驗的實驗結果見表2，多孔管的熱通量及入口溫度之間的關系曲線如圖4所示。

由表2可知，在入水口溫度為85℃時，燒結管的熱通量為光滑管的熱通量的5～10倍;在入水口溫度為95℃時，燒結管的熱通量為光滑管的熱通量的3倍。從圖4可以看出，2號管的熱通量最大，1號管最小。

表1 多孔燒結管的幾何參數Table 1 Geometric parameters of porous sintered tube

表2 多孔燒結管的熱通量Table 2 Heat flux of porous sintered tube

圖4 多孔管的熱通量及入口溫度之間的關系曲線Fig.4 Relationship between the inlet temperature and the heat flux of the porous tube

3 結論

將不同粒徑范圍的銅粉進行燒結，并探討了銅粉顆粒的粒徑大小對燒結管傳熱性能的影響，得到如下結論。

1)實驗過程中，燒結管中的工質在1 min左右就進入了沸騰狀態，而光滑管只有在入水口溫度為95℃時，需要25 min左右才開始沸騰，說明燒結管比光滑管容易進入沸騰狀態。

2)在實驗過程中發現，燒結管的熱通量和傳熱系數明顯大于光滑管。

3)燒結管熱通量的提高隨著加熱液體溫度的升高而減小。

4)燒結管熱通量的大小跟燒結粉末粒徑大小有關，燒結金屬粉末粒徑越小，燒結管的熱通量越大，其傳熱性能越好。

［1］ CHEN Zhen-xing，CAIQi-feng.Research on Boiling Heat Transfer of Sintered Porous Surface Tubes［J］.Light Metal，1994(4):10—14.

［2］ TANG Y，TANG B，LIQ，et al.Pool-boiling Enhancement by Novel Metallic Nanoporous Surface［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2013，44:194—198.

［3］ 郭兆陽.表面強化管軸向均勻與變熱流密度條件下池沸騰傳熱特性實驗研究［D］.上海:華東理工大學，2013.GUO Zhao-yang.Experimental Study of Pool Boiling Heat Transfer Characteristics of Surface Enhanced Tube under Axial Uniformity and Variable Heat Flux［D］.Shanghai: East China University of Technology，2013.

［4］ 徐宏，戴玉林，夏翔鳴，等.高通量換熱器研制及在大型石化裝置中的節能應用［J］.太原理工大學學報，2010，41(5):577—580.XU Hong，DAI Yu-lin，XIA Xiang-ming，et al.Development of High-flux Heat Exchanger and It＇s Energy Saving Applications in Large-scale Petrochemical Plant［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2010，41 (5):577—580.

［5］ 曾勇，徐宏，候峰，等.火焰噴涂型表面多孔管的性能研究［J］.化工機械，2010，37(2):141—145.ZENG Yong，XU Hong，HOU Feng，et al.Performance Studies of Flame Spraying Surface Porous Tube［J］.Chemical Machinery，2010，37(2):141—145.

［6］ 譚華玉，高春陽，劉立新.多孔表面的制造方法及其強化沸騰傳熱效果的比較［J］.流體機械，2006(1):80—85.TAN Hua-yu，GAO Chun-yang，LIU Li-xin.Manufacturing Method of Porous Surface and the Comparison of It＇s Enhancement of Boiling Heat Transfer Effect［J］.Fluid Mechanics，2006(1):80—85.

［7］ 劉阿龍，徐宏，王學生，等.復合粉末多孔表面管的沸騰傳熱［J］.石油機械，2008，36(5):61—66.LIU A-long，XU Hong，WANG Xue-sheng，et al.Boiling Heat Transfer of Composite Powder Porous Surface Tube［J］.Petroleum Machinery，2008，36(5):61—66.

［8］ 王宏智.燒結型表面多孔管沸騰傳熱性能實驗研究［D］.上海:華東理工大學，2010.WANG Hong-zhi.Experimental Study of Boiling Heat Transfer Properties of Sintered Surface Porous Tube［D］.Shanghai:East China University of Technology，2010.

［9］ CHIY L，BONG JZ，KWANG JK.Morphological Change of Plain and Nano-porous Surfaces during Boiling and Its Effecton Nucleate Pool Boiling Heat Transfer［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2012，40:150—158.

［10］LIH C，LI T，KANNY B.Two-phase Heat Transfer Enhancement on Sintered Copper Microparticle Porous Structure Module Surface［C］//ASME 2009 2nd Micro/ Nanoscale Heat and Mass Transfer International Conference，Shanghai，2009.

［11］JANUSZ T C.Nucleate Pool Boiling on Porous Metallic Coatings［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2002(25):557—564.

［12］LI Long-mei，HUANG Wen-yi.Study of Enhancing Heat Transport Mechanics of Porous Surface Coating Tube［J］.Journal of Fuzhou University，1997，25(6):102—107.

［13］ CHEN Zhen-xing.Study of Flow Boiling Test of Porous Surface Coating Tube［J］.Nonferrous Metals，1997(5): 29—32.

［14］ ALBERTSON C E.Boiling Heat Transfer Surface and Method:US，4018264 A［P］.1977-04-19.