沸腾传热强化技术及方法.docx

沸腾传热强化技术及方法程立新陈听宽(华南理工大学工业装备与控制工程系, 广州市 510641) (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室)摘要介绍了沸腾传热强化技术的方法, 对影响沸腾传热强化的因素进行了分析,并对几种典型的工业用传热强化管及其性能做了介绍, 最后对强化沸腾传热的研究 方向进行了讨论。关键词沸腾传热强化传热池沸腾流动沸腾有 喷 砂 处 理 表 面 和 在 镀 铬 平 板 上 刻 划 宽01172mm 、 深 01152mm 、 间距为 01477mm 的 浅槽。其实验结果如图 1 所示, 得到的结论为: (1) 在相同的热流条件下, 喷砂处理表面可使沸腾传热系数提高 25% ; (2) 划痕浅槽表面可 使沸腾传热系数提高 3 倍; (3) 但这两种表面 处理的强化效果, 随着时间的推移都会失效。由 此可见, 虽然简单的机械方法可以改善沸腾传 热, 但由于老化效应的影响, 其强化效果都不 能持久。1935 年, Sau e r 研究了在平板表面刻划014×014mm 、间距为 116mm 方槽的强化沸腾1概述沸腾传热强化技术是强化传热领域中一个非常重要的方面。 其目的是为了进一步提高换 热设备的效率, 减少能量传递过程的不可逆损 失, 更合理和有效地利用能源; 减少换热面积, 降低金属消耗; 尽可能地降低换热元件的壁面 温度, 保证换热设备的安全运行。 此外, 降低 制造成本, 减少运行费用等也是改进换热设备 时所必须考虑的。 应当指出的是, 某些工质的 沸腾传热系数相当低, 如在制冷、 化工及低焓 能源利用等工业与技术部门广泛应用的低沸点 工质, 当压力在 011M P a 左右时, 其沸腾传热 系数仅为 500～ 2000W ?(m 2 K ) , 低于换热器另 一侧传热介质的传热系数。 因此, 强化这些工 质的沸腾传热就成为改善这类换热设备的关键 问题。 在许多沸腾换热设备中, 进一步强化工 质的沸腾传热, 提高沸腾临界热负荷, 还关系 到设备能否安全运行。 因此, 强化沸腾传热已 成为现代传热科学中十分重要的研究课题。实验,也得出了类似的结果。此后约 20 年的时2沸腾传热强化技术发展的回顾早在 1931 年, J ako b 和 F r it s 就进行了泡 状池沸腾的强化研究1 , 他们研究了在常压下 几种经过表面处理的平板对水沸腾的影响及这 些处理过的表面在强化沸腾中的持久性, 其中图 1 表面处理和时间对沸腾的作用1《化工装备技术》第 20 卷第 1 期 1999 年31间, 沸腾传热的强化技术再没能引起人们的注意, 几乎也没有任何新的文献发表。从 1955 年开始, 人们重新研究了粗糙表面 对于强化沸腾的作用, 同时, 对于沸腾传热的 机理开始进行了深入的实验研究和分析, 并获得了一系列极为重要的结果。 G r iff ith 等对核 化中心的研究是一个开创性的贡献2 。 他们指出, 空穴的开口尺寸决定了初始沸腾所需的壁 面过热度, 而空穴内部的形状则决定了沸腾的稳定性。在 G r iff ith 研究的基础上, W e stw a te r等也作出了重要的贡献3 , 他们首先制出了所传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低, 这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。 液 体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随 着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化 能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热系数也有相 当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组合得好,湿润程度大, 则传热系数高。(3) 换热面布置及形状的影响 当换热面为水平平板且由上向下放热时,由于汽泡不易从换热面上散出, 因而传热系数低于换热面由下向上放热的情况。 对水平放置 的管束, 由于上升的蒸汽在上部流速较大, 引 起了附加扰动, 因而位于其上部管子的传热系谓 “陷入式”空穴 (R een t ran t cav ity) ,还验证了这种空穴的优异性能, 并且进一步对这种空穴 的 尺 寸、 形 状 作 了 深 入 研 究4 。 H su 5 和 B an ko ff 6 分别独立地研究了空穴在沸腾中的 作用, 提出了各自的物理模型。 上述先驱性的工作为强化沸腾传热的研究奠定了基础。此后, 沸腾传热强化技术便进入了新的发展阶段, 并 在 70 年代中期后推向发展高潮, 每年有大量的 研究论文发表, 沸腾传热强化技术的专利数量 也相当可观。迄今一些强化传热技术在动力、化 工、 制冷等行业获得了广泛应用并获得了相当 大的经济效益。数比下部管子的传热系数高。 此外,换热面和容器的几何形状, 对汽泡运动和沸腾传热均有影