船舶燒結(jié)蒸發(fā)器制造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)①

張洪墩

摘 要：強(qiáng)化傳熱技術(shù)在現(xiàn)代輪機(jī)設(shè)備的進(jìn)步中起著重要的作用。相對于普通蒸發(fā)器，燒結(jié)蒸發(fā)器的傳熱性能得到較大提高，這為船舶蒸發(fā)器節(jié)省金屬耗材、減小尺寸提供了參考。該文針對燒結(jié)工藝中芯棒對中不準(zhǔn)容易導(dǎo)致燒結(jié)層產(chǎn)生偏心以及灌裝銅粉容易漏出的問題，設(shè)計(jì)了一套容易形成均勻燒結(jié)層的芯棒對中裝置，解決了上述兩個問題，為用燒結(jié)爐燒結(jié)不同厚度和銅粉顆粒直徑的蒸發(fā)器提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：燒結(jié) ?微細(xì)通道 ?多孔介質(zhì) ?蒸發(fā)器

中圖分類號：TQ051 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0054-03

Optimization Design for the Manufacturing Process of the Ship Sintering Evaporator

ZHANG Hongdun

（School of Ocean，Yantai University，Yantai Shandong，264005，China）

Abstract：Highly efficient heat transfer systems play more and more important role in the development of modern marine engineering equipment. Compared with the ordinary evaporator，the sintering evaporators heat transfer performance is obviously enhanced，which provides reference to saving metal material and reduce size for ship evaporator.A new approach fabricating sintered micro-structured wicks is developed which can help to fabricate the uniform wicks on the sintered surface，which can also provides reference for sintering evaporator with different thickness and copper powder particles diameter by use sintering furnace.

Key words：Sintered particles ?Micro-channel ?Porous media ?Evaporator

中國作為最大的發(fā)展中國家，已躋身國際航運(yùn)大國的行列，伴隨著各種貿(mào)易的快速發(fā)展，我國每年進(jìn)出口貨物的93%～95%是通過船舶運(yùn)輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)的，其中很多貨物還要通過冷藏運(yùn)輸方式完成，同時，海上作業(yè)船、軍艦、漁船等為了滿足生產(chǎn)、生活以及特殊設(shè)備的需要，均需設(shè)置制冷裝置，制冷裝置已是船舶運(yùn)行不可或缺的重要設(shè)備[1]。

船舶的運(yùn)營成本成是航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，隨著制冷技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛以及燃油成本的不斷提高，制冷裝置消耗的能源也在不斷增加，節(jié)能減耗是船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的重要發(fā)展方向。制冷蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的換熱效率會直接影響制冷裝置的能量消耗及效率，如何強(qiáng)化制冷蒸發(fā)器的換熱系數(shù)是當(dāng)前對制冷裝置節(jié)能研究的熱點(diǎn)之一。

強(qiáng)化傳熱的目的是適應(yīng)和促進(jìn)高熱流密度的熱交換[2]，以有效的冷卻來保證高溫部件的安全運(yùn)行，以經(jīng)濟(jì)的手段來傳遞特定的熱量，以高的效率來實(shí)現(xiàn)能源的充分利用[3]，確保設(shè)備和器件在安全運(yùn)行的前提下，提高熱交換系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，達(dá)到在總傳熱量一定的情況下減小傳熱溫差或者在傳熱溫差一定的前提下提高總傳熱量的目的 [4]。

燒結(jié)蒸發(fā)器的內(nèi)壁具有多孔燒結(jié)表面，該燒結(jié)表面有很高的傳熱系數(shù)，可以有效的強(qiáng)化多孔側(cè)傳熱，通過與同規(guī)格光滑管傳熱性能試驗(yàn)對比，其傳熱系數(shù)比光滑管提高了5～6倍[5]，是強(qiáng)化換熱、降低金屬耗材、提高能量利用率以及實(shí)現(xiàn)能量充分利用的良好換熱表面[6]。燒結(jié)處理方式是強(qiáng)化傳熱中的被動技術(shù)，被動技術(shù)不需要額外消耗功率和其它附屬設(shè)備，在完全失重或微重力環(huán)境中仍可工作，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。

1 燒結(jié)表面強(qiáng)化傳熱原理分析

1.1 概念

燒結(jié)[7]是金屬的粉末或粉末壓坯在一定的溫度和保護(hù)氣體中受熱所發(fā)生的過程和現(xiàn)象，燒結(jié)會使金屬顆粒發(fā)生相互粘結(jié)，提高了密度，而且很多情況下，也會增加燒結(jié)體的強(qiáng)度。如果燒結(jié)工藝控制恰當(dāng)，燒結(jié)體的機(jī)械性能、物理和密度可以接近同成分的致密材料。從工藝上來分，燒結(jié)被是一種熱處理工藝，它把金屬粉末或粉末壓坯加熱，在低于其基本成分熔點(diǎn)的溫度下保溫，然后以不同的方式或速度冷卻到常溫，燒結(jié)過程中會發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，粉末顆粒的聚集體成為顆粒的聚集體，從而得到所需要的物理、機(jī)械性能的材料或制品。

以銅粉燒結(jié)為例，一般的燒結(jié)工藝大致為：選取純度在99.5%左右的銅粉，它的單體粒徑控制在75～150 μm。首先，使用工具將銅管內(nèi)部清理潔凈，除掉毛刺，然后將銅管放到稀H2SO4中采用超聲波清洗。清理潔凈之后我們將得到一根無氧化物、內(nèi)外壁都十分光滑的銅管。之后用一根細(xì)鋼棍插到銅管里（要求工具準(zhǔn)確地將細(xì)鋼棍固定在銅管的中央，以保證銅粉填充均勻），將銅管的底部用銅片或堵頭暫時堵住，隨后就可以把銅粉顆粒倒入銅管了。填裝完畢后就可以拿到燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)過程中，選氮?dú)?、氫氣或真空作為保護(hù)氣，同時，燒結(jié)溫度的控制也很重要，一般情況下燒結(jié)爐最大溫度控制在800℃～850℃（根據(jù)產(chǎn)品要求的滲透率確定）。燒結(jié)完之后需用一個輔助工具加緊銅管，使用專用工具把鋼棍抽出即可[8]。嚴(yán)格按照上述過程制作的燒結(jié)式銅管，銅粉燒結(jié)塊分布厚度均勻一致，各個部分的毛細(xì)結(jié)構(gòu)滲透率大體相同。圖1為燒結(jié)式銅管縱橫截面剖面圖，從圖中可以看出銅管內(nèi)壁面上形成的燒結(jié)吸液芯。endprint

1.2 強(qiáng)化傳熱原理分析

燒結(jié)蒸發(fā)器是將一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)表面從而形成與管壁一體的多孔介質(zhì)，這種多孔介質(zhì)有較高的毛細(xì)抽吸力，并較好地減小了徑向熱阻，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)薄膜蒸發(fā)，該燒結(jié)式蒸發(fā)器可以兼顧高熱傳量和低熱阻的考量。

在換熱面上燒結(jié)金屬顆粒后，加熱面和粒子之間形成了許多空隙凹坑，從而增加了表面活化中心的數(shù)目。在核沸騰時，凹坑中的汽泡受到多孔介質(zhì)有限空間的限制會在受熱面附近形成汽區(qū)或汽團(tuán)。多孔介質(zhì)內(nèi)的液體在汽區(qū)汽液彎月界面發(fā)生強(qiáng)烈的液體細(xì)薄膜蒸發(fā)，這種液體細(xì)薄膜主要存在于多孔介質(zhì)的空隙中;另一方面，因?yàn)榻饘兕w粒的導(dǎo)熱系數(shù)好于沸騰工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，所以，多孔燒結(jié)層對換熱壁面而言相當(dāng)于增加了翅片作用，并且由于燒結(jié)層具有很高的比表面積，使固液換熱量得到很大提升，有利于細(xì)薄膜的受熱與蒸發(fā)。蒸汽逸出燒結(jié)層和液體的補(bǔ)充是由相應(yīng)的毛細(xì)通道的抽吸力來實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)以上分析，多孔燒結(jié)表面沸騰換熱主要受液體的激烈細(xì)薄膜蒸發(fā)和燒結(jié)層中汽-液兩相運(yùn)動特性這兩個因素的影響。隨著這兩個因素的改變會出現(xiàn)不同的傳熱特性。在低熱負(fù)荷時，液體的細(xì)薄膜蒸發(fā)占主要地位，燒結(jié)層對沸騰換熱起強(qiáng)化作用，這一區(qū)域稱為傳熱控制區(qū);而在高熱負(fù)荷時，由于液體的補(bǔ)充和蒸汽的脫離受燒結(jié)層骨架結(jié)構(gòu)的限制，減弱了傳熱強(qiáng)化性能，這一區(qū)域稱為阻力控制區(qū)。在阻力控制區(qū)和傳熱控制區(qū)的臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，換熱系數(shù)達(dá)到最高，傳熱強(qiáng)化效果最好[6]。

2 燒結(jié)時芯棒對中固定存在的問題

燒結(jié)層是發(fā)生熱量交換的場所，是換熱芯最重要的部分，而要在細(xì)小的銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒層形成燒結(jié)式吸液芯，芯棒的對中和固定工藝非常重要，該工藝將直接影響到燒結(jié)顆粒層的成型，進(jìn)而會影響到燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能[9]。

盡管目前的銅粉燒結(jié)流程早已成熟，但是在微小的銅管內(nèi)表面燒結(jié)銅粉層形成燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)卻是一個難題。目前燒結(jié)時常用一根不銹鋼棒作為芯棒，如圖2所示，從紫銅管一端放入不銹鋼芯棒和大堵頭，從另一端裝入銅粉顆粒，然后放上小堵頭，隨后放在燒結(jié)支架上，放入具有保護(hù)氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束之后采用專用工具把芯棒與兩個堵頭取出。該方法雖然工藝簡單，但存在下列兩個缺點(diǎn)：

（1）由于芯棒較長，使用一根不銹鋼棒作芯棒時，大堵頭對對中其固定得不到控制，芯棒容易產(chǎn)生傾斜，對后續(xù)的銅粉顆粒填入不利，不利于保證燒結(jié)層厚度的均勻性;

（2）在不銹鋼芯棒和銅管所形成的環(huán)形空間灌入銅粉顆粒后，裝置在移動過程中銅粉顆粒容易從兩端堵頭處漏出來。

不銹鋼芯棒在銅管中是否對中準(zhǔn)確會對燒結(jié)層的性能非常大影響的影響：芯棒比較細(xì)長，如果在填入銅粉顆粒前沒有準(zhǔn)確地定中，則容易產(chǎn)生較大的撓度，單靠兩端大小堵頭是無法糾正的，制成的燒結(jié)層會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，如圖3所示，偏心會導(dǎo)致芯棒抽出時的摩擦力增加，芯棒抽出時的運(yùn)動會是曲線而不是直線，抽出時需要的外力較大，在抽出過程中容易導(dǎo)致燒結(jié)層的脫落而破壞燒結(jié)層。

3 燒結(jié)芯棒定位裝置的優(yōu)化

針對燒結(jié)蒸發(fā)器制造過程中芯棒定位不好燒結(jié)芯會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象以及銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，本文設(shè)計(jì)了一套芯棒對中固定裝置，如圖4所示。

該裝置中的燒結(jié)芯棒與定位支架做成一體，兩者相對位置固定不變，通過兩個定位孔和銅管外壁來實(shí)現(xiàn)銅管和燒結(jié)芯棒相對位置的精確定位，將紫銅管放入兩個定位孔內(nèi)，從另一端灌入銅粉，然后放入堵頭防止銅粉漏出，放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。

圖4中所示裝置的燒結(jié)芯棒直徑為6 mm，兩個定位孔直徑為8 mm，按照此裝置可獲得規(guī)格為壁厚0.6 mm，燒結(jié)層厚度為0.4 mm，外徑為8 mm的燒結(jié)式管。通過調(diào)節(jié)芯棒的高度和直徑以及兩個定位孔直徑，可以制得不同大小的燒結(jié)式管，這一設(shè)計(jì)優(yōu)化了現(xiàn)有的燒結(jié)定位工藝，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

從圖1所示銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒的顯微組織圖可以看出，對中良好的芯棒燒結(jié)出來的微熱管銅粉顆粒分布均勻，致密性好，對稱性好，已基本形成了均勻且界面分開的組織，銅粉顆粒均勻的表面可以為液體提供高的毛細(xì)壓力。

4 結(jié)語

燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能要優(yōu)于普通蒸發(fā)器，為船舶蒸發(fā)器縮小尺寸、節(jié)省金屬耗材提供了參考，本文探討了燒結(jié)蒸發(fā)器內(nèi)表面燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)的制造工藝，針對燒結(jié)芯棒對中困難及燒結(jié)銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化方案，通過調(diào)節(jié)芯棒的直徑和高度以及兩個定位孔直徑，可以制得不同規(guī)格的燒結(jié)式管，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了參考，同時也為提高生產(chǎn)效率，得到均勻致密對稱性好的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 費(fèi)千.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事出版社，2000.

[2] Bergles A.E. Heat transfer enhancement the encouragement and accommodation of high heat fluxes[J].ASME Journal of Heat Transfer，1997（119）：8-19

[3] 顧維藻，神家銳，馬重芳，等.強(qiáng)化傳熱[M].北京：科學(xué)出版社，1990

[4] Rohsenow W.M.，Hartnett J.P.，Ganic，E.N..Handbook of heat transfer applications[M].2nd edition.New York：McGraw-Hill，1985.

[5] 劉建新，金海波.多孔表面管沸騰傳熱試驗(yàn)研究[J].動力工程，1999，19（1）.

[6] 蔣綠林.多孔燒結(jié)表面強(qiáng)化沸騰換熱最佳結(jié)構(gòu)的研究[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報，1995，7（4）.

[7] 杜素強(qiáng).銅基陶瓷摩擦材料燒結(jié)工藝及性能研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2005.

[8] 吳磊，王黎明，燕輝，等.微熱管燒結(jié)芯制造工藝及其傳熱性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（4）：1001-3997.

[9] 李西兵，李勇，湯勇，等.燒結(jié)式微熱管吸液芯的成型方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，36（10）.endprint

1.2 強(qiáng)化傳熱原理分析

燒結(jié)蒸發(fā)器是將一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)表面從而形成與管壁一體的多孔介質(zhì)，這種多孔介質(zhì)有較高的毛細(xì)抽吸力，并較好地減小了徑向熱阻，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)薄膜蒸發(fā)，該燒結(jié)式蒸發(fā)器可以兼顧高熱傳量和低熱阻的考量。

在換熱面上燒結(jié)金屬顆粒后，加熱面和粒子之間形成了許多空隙凹坑，從而增加了表面活化中心的數(shù)目。在核沸騰時，凹坑中的汽泡受到多孔介質(zhì)有限空間的限制會在受熱面附近形成汽區(qū)或汽團(tuán)。多孔介質(zhì)內(nèi)的液體在汽區(qū)汽液彎月界面發(fā)生強(qiáng)烈的液體細(xì)薄膜蒸發(fā)，這種液體細(xì)薄膜主要存在于多孔介質(zhì)的空隙中;另一方面，因?yàn)榻饘兕w粒的導(dǎo)熱系數(shù)好于沸騰工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，所以，多孔燒結(jié)層對換熱壁面而言相當(dāng)于增加了翅片作用，并且由于燒結(jié)層具有很高的比表面積，使固液換熱量得到很大提升，有利于細(xì)薄膜的受熱與蒸發(fā)。蒸汽逸出燒結(jié)層和液體的補(bǔ)充是由相應(yīng)的毛細(xì)通道的抽吸力來實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)以上分析，多孔燒結(jié)表面沸騰換熱主要受液體的激烈細(xì)薄膜蒸發(fā)和燒結(jié)層中汽-液兩相運(yùn)動特性這兩個因素的影響。隨著這兩個因素的改變會出現(xiàn)不同的傳熱特性。在低熱負(fù)荷時，液體的細(xì)薄膜蒸發(fā)占主要地位，燒結(jié)層對沸騰換熱起強(qiáng)化作用，這一區(qū)域稱為傳熱控制區(qū);而在高熱負(fù)荷時，由于液體的補(bǔ)充和蒸汽的脫離受燒結(jié)層骨架結(jié)構(gòu)的限制，減弱了傳熱強(qiáng)化性能，這一區(qū)域稱為阻力控制區(qū)。在阻力控制區(qū)和傳熱控制區(qū)的臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，換熱系數(shù)達(dá)到最高，傳熱強(qiáng)化效果最好[6]。

2 燒結(jié)時芯棒對中固定存在的問題

燒結(jié)層是發(fā)生熱量交換的場所，是換熱芯最重要的部分，而要在細(xì)小的銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒層形成燒結(jié)式吸液芯，芯棒的對中和固定工藝非常重要，該工藝將直接影響到燒結(jié)顆粒層的成型，進(jìn)而會影響到燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能[9]。

盡管目前的銅粉燒結(jié)流程早已成熟，但是在微小的銅管內(nèi)表面燒結(jié)銅粉層形成燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)卻是一個難題。目前燒結(jié)時常用一根不銹鋼棒作為芯棒，如圖2所示，從紫銅管一端放入不銹鋼芯棒和大堵頭，從另一端裝入銅粉顆粒，然后放上小堵頭，隨后放在燒結(jié)支架上，放入具有保護(hù)氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束之后采用專用工具把芯棒與兩個堵頭取出。該方法雖然工藝簡單，但存在下列兩個缺點(diǎn)：

（1）由于芯棒較長，使用一根不銹鋼棒作芯棒時，大堵頭對對中其固定得不到控制，芯棒容易產(chǎn)生傾斜，對后續(xù)的銅粉顆粒填入不利，不利于保證燒結(jié)層厚度的均勻性;

（2）在不銹鋼芯棒和銅管所形成的環(huán)形空間灌入銅粉顆粒后，裝置在移動過程中銅粉顆粒容易從兩端堵頭處漏出來。

不銹鋼芯棒在銅管中是否對中準(zhǔn)確會對燒結(jié)層的性能非常大影響的影響：芯棒比較細(xì)長，如果在填入銅粉顆粒前沒有準(zhǔn)確地定中，則容易產(chǎn)生較大的撓度，單靠兩端大小堵頭是無法糾正的，制成的燒結(jié)層會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，如圖3所示，偏心會導(dǎo)致芯棒抽出時的摩擦力增加，芯棒抽出時的運(yùn)動會是曲線而不是直線，抽出時需要的外力較大，在抽出過程中容易導(dǎo)致燒結(jié)層的脫落而破壞燒結(jié)層。

3 燒結(jié)芯棒定位裝置的優(yōu)化

針對燒結(jié)蒸發(fā)器制造過程中芯棒定位不好燒結(jié)芯會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象以及銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，本文設(shè)計(jì)了一套芯棒對中固定裝置，如圖4所示。

該裝置中的燒結(jié)芯棒與定位支架做成一體，兩者相對位置固定不變，通過兩個定位孔和銅管外壁來實(shí)現(xiàn)銅管和燒結(jié)芯棒相對位置的精確定位，將紫銅管放入兩個定位孔內(nèi)，從另一端灌入銅粉，然后放入堵頭防止銅粉漏出，放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。

圖4中所示裝置的燒結(jié)芯棒直徑為6 mm，兩個定位孔直徑為8 mm，按照此裝置可獲得規(guī)格為壁厚0.6 mm，燒結(jié)層厚度為0.4 mm，外徑為8 mm的燒結(jié)式管。通過調(diào)節(jié)芯棒的高度和直徑以及兩個定位孔直徑，可以制得不同大小的燒結(jié)式管，這一設(shè)計(jì)優(yōu)化了現(xiàn)有的燒結(jié)定位工藝，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

從圖1所示銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒的顯微組織圖可以看出，對中良好的芯棒燒結(jié)出來的微熱管銅粉顆粒分布均勻，致密性好，對稱性好，已基本形成了均勻且界面分開的組織，銅粉顆粒均勻的表面可以為液體提供高的毛細(xì)壓力。

4 結(jié)語

燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能要優(yōu)于普通蒸發(fā)器，為船舶蒸發(fā)器縮小尺寸、節(jié)省金屬耗材提供了參考，本文探討了燒結(jié)蒸發(fā)器內(nèi)表面燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)的制造工藝，針對燒結(jié)芯棒對中困難及燒結(jié)銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化方案，通過調(diào)節(jié)芯棒的直徑和高度以及兩個定位孔直徑，可以制得不同規(guī)格的燒結(jié)式管，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了參考，同時也為提高生產(chǎn)效率，得到均勻致密對稱性好的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

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[7] 杜素強(qiáng).銅基陶瓷摩擦材料燒結(jié)工藝及性能研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2005.

[8] 吳磊，王黎明，燕輝，等.微熱管燒結(jié)芯制造工藝及其傳熱性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（4）：1001-3997.

[9] 李西兵，李勇，湯勇，等.燒結(jié)式微熱管吸液芯的成型方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，36（10）.endprint

1.2 強(qiáng)化傳熱原理分析

燒結(jié)蒸發(fā)器是將一定目數(shù)的金屬粉末燒結(jié)在管內(nèi)表面從而形成與管壁一體的多孔介質(zhì)，這種多孔介質(zhì)有較高的毛細(xì)抽吸力，并較好地減小了徑向熱阻，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)薄膜蒸發(fā)，該燒結(jié)式蒸發(fā)器可以兼顧高熱傳量和低熱阻的考量。

在換熱面上燒結(jié)金屬顆粒后，加熱面和粒子之間形成了許多空隙凹坑，從而增加了表面活化中心的數(shù)目。在核沸騰時，凹坑中的汽泡受到多孔介質(zhì)有限空間的限制會在受熱面附近形成汽區(qū)或汽團(tuán)。多孔介質(zhì)內(nèi)的液體在汽區(qū)汽液彎月界面發(fā)生強(qiáng)烈的液體細(xì)薄膜蒸發(fā)，這種液體細(xì)薄膜主要存在于多孔介質(zhì)的空隙中;另一方面，因?yàn)榻饘兕w粒的導(dǎo)熱系數(shù)好于沸騰工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，所以，多孔燒結(jié)層對換熱壁面而言相當(dāng)于增加了翅片作用，并且由于燒結(jié)層具有很高的比表面積，使固液換熱量得到很大提升，有利于細(xì)薄膜的受熱與蒸發(fā)。蒸汽逸出燒結(jié)層和液體的補(bǔ)充是由相應(yīng)的毛細(xì)通道的抽吸力來實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)以上分析，多孔燒結(jié)表面沸騰換熱主要受液體的激烈細(xì)薄膜蒸發(fā)和燒結(jié)層中汽-液兩相運(yùn)動特性這兩個因素的影響。隨著這兩個因素的改變會出現(xiàn)不同的傳熱特性。在低熱負(fù)荷時，液體的細(xì)薄膜蒸發(fā)占主要地位，燒結(jié)層對沸騰換熱起強(qiáng)化作用，這一區(qū)域稱為傳熱控制區(qū);而在高熱負(fù)荷時，由于液體的補(bǔ)充和蒸汽的脫離受燒結(jié)層骨架結(jié)構(gòu)的限制，減弱了傳熱強(qiáng)化性能，這一區(qū)域稱為阻力控制區(qū)。在阻力控制區(qū)和傳熱控制區(qū)的臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)，換熱系數(shù)達(dá)到最高，傳熱強(qiáng)化效果最好[6]。

2 燒結(jié)時芯棒對中固定存在的問題

燒結(jié)層是發(fā)生熱量交換的場所，是換熱芯最重要的部分，而要在細(xì)小的銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒層形成燒結(jié)式吸液芯，芯棒的對中和固定工藝非常重要，該工藝將直接影響到燒結(jié)顆粒層的成型，進(jìn)而會影響到燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能[9]。

盡管目前的銅粉燒結(jié)流程早已成熟，但是在微小的銅管內(nèi)表面燒結(jié)銅粉層形成燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)卻是一個難題。目前燒結(jié)時常用一根不銹鋼棒作為芯棒，如圖2所示，從紫銅管一端放入不銹鋼芯棒和大堵頭，從另一端裝入銅粉顆粒，然后放上小堵頭，隨后放在燒結(jié)支架上，放入具有保護(hù)氣體保護(hù)的燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)結(jié)束之后采用專用工具把芯棒與兩個堵頭取出。該方法雖然工藝簡單，但存在下列兩個缺點(diǎn)：

（1）由于芯棒較長，使用一根不銹鋼棒作芯棒時，大堵頭對對中其固定得不到控制，芯棒容易產(chǎn)生傾斜，對后續(xù)的銅粉顆粒填入不利，不利于保證燒結(jié)層厚度的均勻性;

（2）在不銹鋼芯棒和銅管所形成的環(huán)形空間灌入銅粉顆粒后，裝置在移動過程中銅粉顆粒容易從兩端堵頭處漏出來。

不銹鋼芯棒在銅管中是否對中準(zhǔn)確會對燒結(jié)層的性能非常大影響的影響：芯棒比較細(xì)長，如果在填入銅粉顆粒前沒有準(zhǔn)確地定中，則容易產(chǎn)生較大的撓度，單靠兩端大小堵頭是無法糾正的，制成的燒結(jié)層會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，如圖3所示，偏心會導(dǎo)致芯棒抽出時的摩擦力增加，芯棒抽出時的運(yùn)動會是曲線而不是直線，抽出時需要的外力較大，在抽出過程中容易導(dǎo)致燒結(jié)層的脫落而破壞燒結(jié)層。

3 燒結(jié)芯棒定位裝置的優(yōu)化

針對燒結(jié)蒸發(fā)器制造過程中芯棒定位不好燒結(jié)芯會出現(xiàn)偏心現(xiàn)象以及銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，本文設(shè)計(jì)了一套芯棒對中固定裝置，如圖4所示。

該裝置中的燒結(jié)芯棒與定位支架做成一體，兩者相對位置固定不變，通過兩個定位孔和銅管外壁來實(shí)現(xiàn)銅管和燒結(jié)芯棒相對位置的精確定位，將紫銅管放入兩個定位孔內(nèi)，從另一端灌入銅粉，然后放入堵頭防止銅粉漏出，放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。

圖4中所示裝置的燒結(jié)芯棒直徑為6 mm，兩個定位孔直徑為8 mm，按照此裝置可獲得規(guī)格為壁厚0.6 mm，燒結(jié)層厚度為0.4 mm，外徑為8 mm的燒結(jié)式管。通過調(diào)節(jié)芯棒的高度和直徑以及兩個定位孔直徑，可以制得不同大小的燒結(jié)式管，這一設(shè)計(jì)優(yōu)化了現(xiàn)有的燒結(jié)定位工藝，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

從圖1所示銅管內(nèi)壁燒結(jié)銅粉顆粒的顯微組織圖可以看出，對中良好的芯棒燒結(jié)出來的微熱管銅粉顆粒分布均勻，致密性好，對稱性好，已基本形成了均勻且界面分開的組織，銅粉顆粒均勻的表面可以為液體提供高的毛細(xì)壓力。

4 結(jié)語

燒結(jié)蒸發(fā)器的強(qiáng)化傳熱性能要優(yōu)于普通蒸發(fā)器，為船舶蒸發(fā)器縮小尺寸、節(jié)省金屬耗材提供了參考，本文探討了燒結(jié)蒸發(fā)器內(nèi)表面燒結(jié)芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)的制造工藝，針對燒結(jié)芯棒對中困難及燒結(jié)銅粉顆粒灌裝后容易漏出的問題，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化方案，通過調(diào)節(jié)芯棒的直徑和高度以及兩個定位孔直徑，可以制得不同規(guī)格的燒結(jié)式管，為用燒結(jié)爐制造不同直徑和燒結(jié)層厚度的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了參考，同時也為提高生產(chǎn)效率，得到均勻致密對稱性好的燒結(jié)蒸發(fā)器提供了借鑒。

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