燒結(jié)多孔管的制作及其沸騰傳熱研究

周述璋，侯亭波，潘敏強(qiáng)，韓堯，陳妍

(1.華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣州510006; 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

我國(guó)人口眾多，能源緊缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此如何節(jié)約能源，提高能源利用率，保護(hù)環(huán)境，是保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展最為有利的措施。在諸多資源消費(fèi)中，能源消費(fèi)是不可或缺的，而且其人均消費(fèi)量在不斷上升。由于環(huán)境污染大部分來自能源生產(chǎn)和消費(fèi)過程中排放的廢棄物，因此，節(jié)能不僅具有節(jié)約資源的意義，而且具有保護(hù)環(huán)境的作用。實(shí)踐表明，不只是直接節(jié)能可以保護(hù)環(huán)境，盡可能地減少產(chǎn)品消耗也同樣有利于保護(hù)環(huán)境，因?yàn)樗挟a(chǎn)品的生產(chǎn)都要消耗能源。因此，在生產(chǎn)和生活的每一個(gè)環(huán)節(jié)，我們都應(yīng)該大力推廣節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。

當(dāng)今世界普遍重視能源的節(jié)約和利用，因而如何降低能耗和提高傳熱效率，保護(hù)環(huán)境，已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的研究課題。管殼式換熱器大量應(yīng)用于各種換熱裝置，其主要的換熱元件就是各種規(guī)格的換熱管，因此，研究高性能的換熱管是當(dāng)前強(qiáng)化傳熱的一個(gè)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(shù)，臨界熱負(fù)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(fā)的過程，對(duì)水、氟利昂、液氮、烯烴類、苯、石油、乙醇等多種工質(zhì)的沸騰傳熱均有顯著的強(qiáng)化作用。多孔層表面管有多種制作方法，如燒結(jié)法、機(jī)械加工法、火焰噴涂法、化學(xué)腐蝕法等。燒結(jié)型表面強(qiáng)化管是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種高效強(qiáng)化沸騰傳熱管，它是在金屬表面燒結(jié)多孔層金屬，形成多孔層，對(duì)多種工質(zhì)具有顯著的強(qiáng)化作用［1—10］。

本文采用燒結(jié)爐在高溫下快速地在銅管表面燒結(jié)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(jié)性，保證了其燒結(jié)質(zhì)量，并且通過傳熱實(shí)驗(yàn)，研究了多孔層燒結(jié)管的傳熱性能。

1 燒結(jié)工藝方法

1.1 燒結(jié)模具的選用

燒結(jié)模具應(yīng)選用耐高溫、易于機(jī)械加工且容易脫模的材料制作。因此本文的燒結(jié)模具采用石墨制造，石墨作為燒結(jié)模具具有以下優(yōu)點(diǎn):首先，石墨硬度低，易于機(jī)械加工;其次，石墨易于脫膜，有很高的熔點(diǎn)，在燒結(jié)溫度內(nèi)有很好的穩(wěn)定性，在加工石墨的時(shí)候表面會(huì)殘留石墨的微小粉末，有一定的潤(rùn)滑作用，從而使燒結(jié)之后的結(jié)構(gòu)更容易脫模;再次，石墨模具有很高的耐用性和重復(fù)性，加工一次模具可進(jìn)行多次燒結(jié)，且能夠保證燒結(jié)出的樣品的一致性。

1.2 燒結(jié)方法的選用

實(shí)驗(yàn)前對(duì)燒結(jié)溫度為850，900℃，燒結(jié)保溫時(shí)間為0.5，1 h的燒結(jié)樣品經(jīng)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論。

1)燒結(jié)溫度為850℃時(shí)，無論是保溫30 min或60 min，都不能滿足燒結(jié)之后結(jié)合強(qiáng)度的要求，即燒結(jié)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，銅粉不容易結(jié)合在一起。

2)燒結(jié)溫度為900℃時(shí)，保溫30 min的銅粉結(jié)合強(qiáng)度有了一定的提高，具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，這種良好的孔隙有利于沸騰效果的提高，但經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)合強(qiáng)度依然不能滿足要求。

3)燒結(jié)溫度為900℃，保溫60 min時(shí)能滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)合強(qiáng)度的要求，具有較好的強(qiáng)度并且仍能保證其孔隙結(jié)構(gòu)。

故本實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)方法為:燒結(jié)到900℃并保溫1 h。

1.3 燒結(jié)的具體步驟

多孔燒結(jié)管的制備裝置如圖1所示。

圖1 多孔燒結(jié)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(jié)工藝如圖2所示。

首先，對(duì)紫銅管表面進(jìn)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(jié)過程銅粉與表面的結(jié)合。在紫銅管兩側(cè)套入不銹鋼堵頭，堵頭的內(nèi)徑和管殼外徑間隙配合，外徑和燒結(jié)模間隙配合。然后將套有堵頭的紫銅管放入燒結(jié)模具中，燒結(jié)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(jié)模具所形成的環(huán)形空間中均勻填入紫銅粉末，填充過程中要不停地震動(dòng)整個(gè)裝置，以保證所填充的金屬粉末均勻、充分，燒結(jié)模內(nèi)半徑與金屬圓管外半徑之差為銅粉層厚度。

圖2 燒結(jié)工藝Fig.2 Sintering process

填充好銅粉后即可放入燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900℃，并保溫1 h，1min內(nèi)燒結(jié)溫度最多升高5℃。在燒結(jié)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(jié)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(shí)保溫30 min，再以5℃/s的速度升到900℃，在900℃時(shí)保溫1 h，此時(shí)加熱停止，待爐內(nèi)冷卻至一定溫度即可取出燒結(jié)工件。打開燒結(jié)模具，去除兩端堵頭，得到強(qiáng)化沸騰傳熱管。

在剛開始加熱時(shí)，同時(shí)向爐內(nèi)沖入氮?dú)?，由于氮?dú)饷芏雀撸蚨梢耘懦隣t內(nèi)空氣。在爐內(nèi)溫度到達(dá)400℃時(shí)，松開氮?dú)鉁p壓閥，關(guān)閉電磁閥，同時(shí)打開氫氣電磁閥，擰緊減壓閥至0.3 MPa，向爐內(nèi)沖入氫氣保持高溫?zé)Y(jié)中氫氣還原氣氛。同時(shí)在爐內(nèi)空冷至室溫的降溫過程中，當(dāng)溫度降至400℃時(shí)以相同的方法沖入氮?dú)馀懦龤錃?，以免開爐時(shí)發(fā)生爆炸。

在整個(gè)燒結(jié)過程中，始終保持填充氣體壓力為0.3 MPa，開爐時(shí)打開排氣閥給爐內(nèi)氣體泄壓。

2 傳熱性能實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程中采用恒溫?zé)崴诠軆?nèi)加熱，管外是實(shí)驗(yàn)用無水乙醇液體。熱水在管內(nèi)以一定的流速和溫度流動(dòng)，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(huán)水箱加熱，其溫度可直接由高溫循環(huán)水箱設(shè)定。熱水經(jīng)高溫循環(huán)水箱所自帶的水泵循環(huán)流經(jīng)多孔燒結(jié)管內(nèi)時(shí)，無水乙醇液體通過管壁吸收熱量而沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽通過冷凝管回收在計(jì)量筒中。

通過計(jì)算計(jì)量筒中的冷凝液體量就可知道一定時(shí)間內(nèi)無水乙醇液體的蒸發(fā)量。用熱電偶可測(cè)得管壁及沸騰液體的溫度，并進(jìn)一步可計(jì)算出溫差(多孔燒結(jié)管管壁的溫度與管外液體的溫度差)，最后可計(jì)算出強(qiáng)化沸騰換熱系數(shù)。這是評(píng)價(jià)多孔表面管沸騰傳熱效果的常用方法［11—14］。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 測(cè)試裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the test device

熱通量的計(jì)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(shí)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(zhǎng)度，m。

沸騰傳熱系數(shù)α的計(jì)算公式為:

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

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多孔燒結(jié)管的幾何參數(shù)見表1，分4個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1號(hào)樣本是沒有燒結(jié)多孔層的光滑管，2，3，4號(hào)樣本的燒結(jié)層厚度均為1 mm。

傳熱性能實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，多孔管的熱通量及入口溫度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。

由表2可知，在入水口溫度為85℃時(shí)，燒結(jié)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(shí)，燒結(jié)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(hào)管的熱通量最大，1號(hào)管最小。

表1 多孔燒結(jié)管的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of porous sintered tube

表2 多孔燒結(jié)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(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the inlet temperature and the heat flux of the porous tube

3 結(jié)論

將不同粒徑范圍的銅粉進(jìn)行燒結(jié)，并探討了銅粉顆粒的粒徑大小對(duì)燒結(jié)管傳熱性能的影響，得到如下結(jié)論。

1)實(shí)驗(yàn)過程中，燒結(jié)管中的工質(zhì)在1 min左右就進(jìn)入了沸騰狀態(tài)，而光滑管只有在入水口溫度為95℃時(shí)，需要25 min左右才開始沸騰，說明燒結(jié)管比光滑管容易進(jìn)入沸騰狀態(tài)。

2)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)管的熱通量和傳熱系數(shù)明顯大于光滑管。

3)燒結(jié)管熱通量的提高隨著加熱液體溫度的升高而減小。

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

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