多孔材料管束強(qiáng)化傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

陳 康，陳鵬飛，王 曉，文 龍，彭懷午，趙 亮

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 博士后科研工作站,西安 710065;3.中國(guó)電建太陽(yáng)能熱發(fā)電工程研究中心,西安 710065;4.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

0 前 言

金屬泡沫作為一種新型功能材料，具有密度小(相同材料的2%～10%)、剛度大、比表面積大(可達(dá)2 000～10 000 m2/m3)等特點(diǎn)，單位體積下的高表面積性使得金屬泡沫材料廣泛應(yīng)用于化工、航天、電力等工業(yè)領(lǐng)域，尤其是其提高強(qiáng)化傳熱能力的性能，使金屬泡沫成為太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵換熱設(shè)備性能提升的有效方法。

之前國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究人員對(duì)金屬泡沫的研究多集中在通道內(nèi)填充金屬泡沫(矩形、圓管、圓環(huán)套管等)的換熱性能[1-7]。Calmidi和Mahajan[1]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了在填充金屬泡沫的矩形通道中，傳熱過程中的熱擴(kuò)散效應(yīng)是由泡沫骨架的有效導(dǎo)熱系數(shù)決定的。Zhao[2]通過對(duì)填充金屬泡沫的矩形通道進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究分析了孔隙率、孔密度和金屬材料類型對(duì)通道的流動(dòng)與傳熱特性的影響。Tamyol和Hooman[3]早前完成一項(xiàng)理論分析研究，發(fā)現(xiàn)加熱平板表面的金屬泡沫中，金屬泡沫的強(qiáng)制對(duì)流換熱速率與ppi(每英寸的孔數(shù))成正比，但是金屬泡沫層的厚度與整體換熱速率是非線性關(guān)系。Tzeng[4]和Paek[5]分別研究了孔密度和孔隙率對(duì)矩形通道的換熱的影響規(guī)律，前者發(fā)現(xiàn)隨著孔徑的降低或者相對(duì)密度的增大，總換熱性能明顯升高；后者則認(rèn)為孔隙率的增大能夠提高有效換熱系數(shù)，但是相同孔隙率下變化孔徑的大小并不能明顯改變有效換熱系數(shù)。

由于應(yīng)用整體金屬泡沫填充通道，是在以較大的沿程阻力損失為代價(jià)，獲得較高的換熱性能。為了更加充分利用金屬泡沫的結(jié)構(gòu)特性，Odabaee[6]將金屬泡沫包覆在圓管外部，通過對(duì)一組4排錯(cuò)排管束進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了管束間距與金屬泡沫層厚度對(duì)管束的傳熱因子和摩擦阻力因子的影響規(guī)律。T′Joen[7]對(duì)單排管束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)流體只能滲透進(jìn)入金屬泡沫層一定厚度的區(qū)域。

近年來(lái)，太陽(yáng)能熱發(fā)電在超高壓機(jī)組、中低溫利用等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，但是外露管式吸熱器外面表溫度場(chǎng)的不均勻性，嚴(yán)重限制了吸熱器集熱溫度的提高，增大了吸熱管高溫工況下燒穿的危險(xiǎn)性；同時(shí)光滑管束在高溫工況下產(chǎn)生換熱性能惡化也降低了集熱系統(tǒng)運(yùn)行效率，導(dǎo)致塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組向超臨界、超超臨界等高參數(shù)大容量機(jī)組發(fā)展受到制約。金屬泡沫材料在太陽(yáng)能吸熱器吸熱管內(nèi)的優(yōu)化布置，可實(shí)現(xiàn)吸熱管管壁溫度場(chǎng)的均勻化，提高吸熱器運(yùn)行安全；同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)吸熱管強(qiáng)化傳熱能力，有助于提高塔式太陽(yáng)能熱電站發(fā)電效率。因此，本文針對(duì)小管徑(管徑為2 mm)圓管錯(cuò)列管束高緊湊度換熱單元，對(duì)光滑圓管管束、管外燒結(jié)金屬泡沫層的圓管管束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析不同金屬材料、金屬泡沫與基體連接方式對(duì)管束的整體換熱性能的影響規(guī)律，獲得金屬泡沫吸熱管的材料選型依據(jù)，提出一種高性能金屬泡沫填充方法，為提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率提供有效支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究的有關(guān)實(shí)驗(yàn)工作是在西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室空氣深度預(yù)冷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由管內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和管外實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分組成，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)以空氣和水作為工質(zhì)。所需用水由離心水泵提供，工質(zhì)水由高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)F025計(jì)量；空氣由螺桿式空氣壓縮機(jī)提供，氣體壓力的穩(wěn)定由壓縮機(jī)內(nèi)的穩(wěn)壓罐來(lái)實(shí)現(xiàn)，空氣由高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)F010計(jì)量，之后由電加熱器加熱后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段。管內(nèi)入口布置麥克壓力傳感器和羅斯蒙特差壓傳感器分別測(cè)量入口壓力和管內(nèi)進(jìn)出口壓差；管外入口布置羅斯蒙特微壓力傳感器和Honeywell微差壓傳感器分別測(cè)量入口壓力和管外進(jìn)出口壓差；管外空氣出口、換熱入口分別布置了3×3的“T”型Omega熱電偶測(cè)量溫度，管內(nèi)工質(zhì)水的進(jìn)出口分別在中心位置布置“T”型鎧裝熱電偶測(cè)量溫度。

圖2 包覆鎳泡沫圓管管束實(shí)驗(yàn)段簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)段尺寸為140 mm×100 mm×18 mm(長(zhǎng)×寬×高)，實(shí)驗(yàn)段外殼由耐高溫、低導(dǎo)熱率PC板制成，中心布置橫距3.6D、縱距1.8D、2×8排的錯(cuò)排管束，圖2為包覆金屬泡沫圓管管束實(shí)驗(yàn)段簡(jiǎn)圖，圖3為包覆金屬泡沫圓管圖。管外殼側(cè)高溫空氣從左向右水平橫掠管束，而管內(nèi)常溫水則由前向后流動(dòng)，管內(nèi)外流體形成錯(cuò)流進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱。其中圓管外徑D為2 mm，圓管長(zhǎng)度L為100 mm，圓管壁厚為0.15 mm。

圖3 包覆金屬泡沫圓管圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

管外高溫空氣的進(jìn)出口溫度Tair.in和Tair.out分別由網(wǎng)狀分布的9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)取平均值得到，空氣和水的物性(如定壓比熱容cp)都是根據(jù)流體的平均溫度決定，管內(nèi)水側(cè)換熱量與管外空氣側(cè)換熱量的誤差在5%以內(nèi)。其中平均換熱量Qmean由公式(1)得到：

(1)

由于包覆金屬泡沫圓管的外壁無(wú)法布置熱電偶，因此，本文使用對(duì)數(shù)溫差LMTD法和熱阻分離法對(duì)換熱管束的空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。其中，對(duì)數(shù)溫差Tmean由公式(2)可得：

(2)

換熱管束總體熱阻R根據(jù)對(duì)數(shù)溫差Tmean可得：

(3)

換熱管束的整體熱阻R主要由4個(gè)部分組成，分別是管外熱阻、泡沫材料接觸熱阻、管壁熱阻和管內(nèi)熱阻。其中管內(nèi)熱阻根據(jù)圓管管內(nèi)層流傳熱Sieder-Tate經(jīng)驗(yàn)公式(4)得到。

(4)

綜上所述，管外熱阻Rext(包括接觸熱阻)可以由式(5)表達(dá)：

(5)

根據(jù)T′Joen的單排包覆金屬泡沫管束流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，空氣可以滲透進(jìn)入泡沫層3～5 mm，因此對(duì)于本課題使用的2 mm厚度泡沫管束，使用管外壁表面積作為參考面積計(jì)算管外空氣側(cè)的傳熱系數(shù)。

管外壁的平均換熱系數(shù)：

(6)

管外壁的平均Nu為：

(7)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

本文分別對(duì)光滑圓管管束和包覆金屬泡沫圓管管束的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。目前采用的金屬泡沫厚度為2 mm。根據(jù)金屬泡沫樣件物性測(cè)試結(jié)果，得到了金屬泡沫的孔隙率、孔密度及滲透率等物性參數(shù)，金屬泡沫材料結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。

表1 金屬泡沫材料結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3.1 光滑圓管管束

本研究完成了光滑管束的傳熱與流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到了管外空氣Re數(shù)與圓管管壁平均Nu數(shù)之間的關(guān)系，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果同流體排管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(8)、(9)對(duì)比。

Re數(shù)在1～500范圍時(shí)：

(8)

Re數(shù)在500～1000范圍時(shí)：

(9)

如圖 4所示，為管外入口空氣溫度為373 K時(shí)，不同管內(nèi)入口流量下管外Re數(shù)與圓管管壁平均Nu數(shù)的曲線圖。

圖4 光滑圓管管束管外對(duì)流傳熱系數(shù)Nu與Re關(guān)系圖

從圖 4中可知，不同管內(nèi)空氣流量下，管外管壁平均Nu數(shù)均隨著Re數(shù)的增大而增大，相同Re數(shù)下，不同管內(nèi)流量的管外管壁Nu基本相同。光滑管束的強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)得到的管壁平均Nu數(shù)與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的經(jīng)驗(yàn)值吻合較好，兩者誤差在10%以內(nèi)，說(shuō)明本研究搭建的空氣深度預(yù)冷模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可滿足精度要求，可進(jìn)一步在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行包覆金屬泡沫圓管管束的流動(dòng)與傳熱研究。

3.2 金屬泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)

本文對(duì)金屬泡沫樣件2、3的金屬泡沫管束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析對(duì)比相同孔隙率(分別為0.886 9、0.870 6)、相同孔密度(PPI=40)下，不同金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)(鎳導(dǎo)熱系數(shù)93 W/(m·K)、銅導(dǎo)熱系數(shù)387 W/(m·K))對(duì)包覆金屬泡沫圓管管束的換熱性能的影響。

從圖 5中發(fā)現(xiàn)，隨著管外空氣Re數(shù)的增大，金屬泡沫樣件2、3的圓管管束的殼側(cè)Nu數(shù)逐漸增大。同時(shí)，相同微孔結(jié)構(gòu)的銅泡沫與鎳泡沫相比較，銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為鎳導(dǎo)熱系數(shù)的4倍，因此銅泡沫層內(nèi)的熱傳導(dǎo)能力有明顯優(yōu)勢(shì)；通過與鎳泡沫管束比較發(fā)現(xiàn)，銅泡沫管束的殼側(cè)Nu數(shù)約為鎳泡沫管束的1.53倍，并且不受管外空氣Re數(shù)的影響。同時(shí)，從金屬泡沫樣件2、3的流動(dòng)特性可以發(fā)現(xiàn)，金屬泡沫孔密度和孔隙率是決定流體滲透流動(dòng)特性的關(guān)鍵參數(shù)，泡沫材料不影響金屬泡沫內(nèi)流動(dòng)阻力。

圖5 不同導(dǎo)熱系數(shù)與管外空氣側(cè)傳熱系數(shù)關(guān)系圖

3.3 金屬泡沫與管壁接觸熱阻

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前較為通用的金屬泡沫與管壁接觸方法有5種：緊配合法、高導(dǎo)熱膠粘合法、焊接法、鑄造成型法和粉末燒結(jié)法。

緊配合法，是指通過機(jī)械加工的緊配合將金屬泡沫層與圓管裝配在一起。目前常規(guī)的平板型金屬泡沫與平板間的緊配合裝配是靠0.5 MPa的壓力擠壓，或者在緊配合面涂抹一層高導(dǎo)熱油，用以降低金屬泡沫與管壁的接觸熱阻。而本研究的環(huán)形金屬泡沫層的特殊形式和高溫空氣的工作環(huán)境，使得壓力擠壓和高導(dǎo)熱油都不適用，因此我們通過電火花打孔，在外徑6 mm金屬泡沫內(nèi)部鉆打1.9±0.2 mm的內(nèi)孔，以達(dá)到與外徑2 mm不銹鋼圓管緊配合的目的。

高導(dǎo)熱膠粘合法，是指通過高導(dǎo)熱膠將金屬泡沫層與圓管粘合在一起。T′Joen et al. 將厚度為1.15～2.35倍孔徑的金屬泡沫層粘合在圓管外側(cè)，其使用Bondmaster ESP110(k≈0.66 W/(m·K))高導(dǎo)熱膠作為粘合劑，并在高導(dǎo)熱膠內(nèi)部鋪灑微細(xì)鋁粉，將粘合層的導(dǎo)熱系數(shù)提高到10 W/(m·K)左右。之后通過壓力將金屬泡沫基部固定在300～600 μm厚的粘合膠內(nèi)。由于T′Joen et al. 的泡沫層厚度約在5～8 mm，而對(duì)于2 mm厚度的泡沫層，300～600 μm的粘合膠厚度會(huì)造成較大的接觸熱阻，因此高導(dǎo)熱膠粘合法并不適用于本研究。

焊接法，是目前使用最為廣泛、熱阻相對(duì)較低的一種金屬類連接方法。焊接法主要需要控制的是焊劑的配制與厚度控制，P.De Jaeger et al. 在平板泡沫中使用焊接技術(shù)，將焊劑厚度控制在150 μm左右，而目前國(guó)內(nèi)常規(guī)的真空爐焊接能將焊劑控制在1～2 mm左右。對(duì)于本研究2 mm厚的金屬泡沫，焊劑會(huì)堵塞部分孔結(jié)構(gòu)。

鑄造成型法，通過制造模具，通過一次成型將金屬泡沫層疊生長(zhǎng)在基板外部。目前鑄造成型法仍處于技術(shù)摸索階段，電鍍法生產(chǎn)的一次成型金屬泡沫包覆管會(huì)出現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu)坍塌、擠壓的現(xiàn)象，造成部分微孔堵塞；而粉末冶金法由于本身的技術(shù)限制，燒結(jié)后的粉末間存在部分未融合的細(xì)小縫隙，造成金屬泡沫的絲結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、承壓能力較差，孔結(jié)構(gòu)在壓力下易坍塌、泡沫易脫落。

粉末燒結(jié)法，是指利用微量納米金屬粉高活性的特點(diǎn)，將316 L不銹鋼管和泡沫金屬燒結(jié)在一起。利用限位燒結(jié)技術(shù)，使金屬泡沫在燒結(jié)過程中，原有的3D結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。粉末燒結(jié)法具有燒結(jié)層厚度小、燒結(jié)粉末導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。

圖6為金屬泡沫復(fù)合管燒結(jié)層100倍顯微鏡放大圖，通過技術(shù)檢測(cè)，本研究使用的包覆金屬泡沫不銹鋼圓管的燒結(jié)層厚度為40 μm。

圖6 金屬泡沫復(fù)合管燒結(jié)層100倍顯微鏡放大圖

本研究對(duì)緊配合法和粉末燒結(jié)法的金屬泡沫管束接觸熱阻進(jìn)行了對(duì)比分析，金屬泡沫采用孔密度PPI=20、孔隙率0.9057的鎳泡沫樣機(jī)1，分別采用緊配合法和粉末燒結(jié)法進(jìn)行裝配。由于樣件1泡沫具有孔密度大、單位面積內(nèi)基點(diǎn)少的特點(diǎn)，因此接觸熱阻的影響更大，分析對(duì)比不同裝配方法更有代表性。

如圖 7所示，隨著Re數(shù)的增大，粉末燒結(jié)法裝配管束的殼側(cè)Nu數(shù)平均比緊配合裝配管束高2.49，整體換熱性能優(yōu)于緊配合裝配管束21.8%～7.2%。主要是由于隨著空氣流速增大，管束前端動(dòng)壓增強(qiáng)，緊配合裝配的金屬泡沫與管壁間接觸熱阻有所減小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過實(shí)驗(yàn)研究的方法得到了光滑圓管、管外包覆金屬泡沫圓管在緊湊型錯(cuò)列管束中換熱情況，分析了金屬泡沫對(duì)傳熱的影響。

分析發(fā)現(xiàn)金屬泡沫材料在導(dǎo)熱系數(shù)方面，與鎳泡沫管束比較，銅泡沫管束的殼側(cè)Nu數(shù)約為鎳泡沫管束的1.53倍，并且不受管外空氣Re數(shù)的影響；比較裝配方法發(fā)現(xiàn)，隨著Re數(shù)的增大，粉末燒結(jié)法裝配管束的殼側(cè)Nu數(shù)平均比緊配合裝配管束高2.49，整體換熱性能優(yōu)于緊配合裝配管束21.8%～7.2%。本研究采用的粉末燒結(jié)法，具有燒結(jié)層厚度小(40 μm)、接觸熱阻小、燒結(jié)點(diǎn)牢固的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于小管徑、耐高溫、強(qiáng)換熱的高溫吸熱管設(shè)計(jì)。