強化沸騰傳熱是指沸騰流體在管道中作強制流動時的對流傳熱。強制沸騰傳熱現象在動力、化工等工程中是常見的。在設計蒸發器、管式蒸餾器、蒸汽鍋爐、核反應堆以及其它強化沸騰換熱裝置時均需具備這方面的知識。
基本介紹
- 中文名：強化沸騰傳熱
- 外文名：Enhanced boiling heat transfer
- 影響因素：流體特性、傳熱面等
- 方法：表面粗糙法、特殊處理法
- 學科：傳熱學
- 利用：蒸發器、蒸汽鍋爐等
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背景
在常規能源不斷減少， 節約和有效使用能源的要求不斷提高的形勢下， 強化傳熱技術已經成為傳熱研究領域的一個重要課題。強化傳熱研究， 特別是強化沸騰傳熱研究， 對提高能源的有效利用率， 新能源開發和高熱負荷下材料的熱保護等有重要意義. 強化沸騰傳熱的主要方法是改善傳熱表面結構。常用的表面結構有各種形狀的溝槽、肋片和多孔表面。其中自20 世紀60 年代發展起來的多孔表面換熱器以其高效沸騰換熱、低溫差沸騰、高臨界熱流密度和良好的反堵塞能力， 已成為一種工業套用前景廣泛的換熱裝置。
影響因素
對汽泡的成因和運動規律的研究是掌握沸騰原理和探討沸騰傳熱強化方法的基礎， 已有的研究表明， 影響汽泡狀沸騰傳熱的主要因素有：
1、流體特性參數的影響
汽體壓力增高能使汽化核心增多， 汽泡脫離頻率增大， 因而能使沸騰傳熱增強。流體與換熱表面的接觸角小， 則汽泡脫離頻率增高， 因而能增強沸騰傳熱。
2、換熱面特性的影響
換熱面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新舊程度都能影響沸騰傳熱的強弱。試驗表明， 同一液體在拋光壁面上沸騰傳熱時， 其傳熱係數比在粗糙壁面上沸騰傳熱時低，這主要是由於光潔表面上汽化核心較少的緣故。液體在新的換熱面上沸騰時， 傳熱係數較高， 隨著運行時間增長， 一部分汽化核心喪失了汽化能力， 於是傳熱係數逐漸下降到某一穩定值。傳熱面材料能否被液體濕潤， 對傳熱係數也有相當影響， 同樣條件下， 液體和材料特性組合得好， 濕潤程度大， 則傳熱係數高。
3、換熱面布置及形狀的影響
當換熱面為水平平板且由上向下放熱時，由於汽泡不易從換熱面上散出， 因而傳熱係數低於換熱面由下向上放熱的情況。對水平放置的管束， 由於上升的蒸汽在上部流速較大， 引起了附加擾動， 因而位於其上部管子的傳熱係數比下部管子的傳熱係數高。此外， 換熱面和容器的幾何形狀， 對汽泡運動和沸騰傳熱均有影響。
4、流速的影晌
當流體在管道內強制對流沸騰時換熱是通過兩種方式進行的；一種是汽泡狀沸騰換熱；另一種是單相液體強制對流換熱當熱負荷不高，汽化程度小，例如在過冷沸騰區域，則第一種換熱方式作用較小，換熱主要靠第二種換熱方式進行，因而流速愈高換熱係數愈大，且近乎與熱負荷無關。
隨著熱負荷的增高，汽泡狀沸騰換熱作用增大，因而換熱係數隨熱負荷增大。最後當汽化過程加強到換熱主要靠汽泡狀沸騰換熱方式進行時，流速對換熱係數已無影響，此時，在相同熱負荷下，不同流速換熱工況的換熱係數都相等。
沸騰強化傳熱技術
現有的池沸騰傳熱強化方法主要從增加汽化核心數和提高汽泡脫離頻率兩方面來強化沸騰傳熱過程。研究的方法主要有表面粗糙法、表面特殊處理法、擴展表面法、添加劑法、機械攪拌法、振動法、靜電場法和抽壓法等。
對於管道中的強制對流沸騰， 由於強制對流和沸騰現象一起發生， 使得其傳熱機理變得十分複雜。影響流動沸騰傳熱的主要因素有流速、熱流密度及熱力學乾度， 此外， 換熱面形狀、幾何結構尺寸、工質流動方式等也對傳熱係數有一定的影響。因此， 其強化傳熱的處理與池沸騰的強化傳熱有不同的特點。
1、換熱面表面粗糙法
換熱面表面粗糙法對於強化大容器沸騰換熱是有效的，但是用於強化管內強制對流沸騰換熱則效應較差。當工質流速較低時，表面粗糙法還有一些強化作用，但是流速略增，強化作用即形消失。
2、表面特殊處理法
採用換熱面表面特殊處理法也可提高管內強制對流沸騰換熱係數。由於管道內壁較難進行機械加工。一般都採用燒結法使管於內壁形成一層多孔金屬覆蓋層。
先將基體金屬表面去除銹和油垢， 然後塗上一層粘劑溶液，將金屬粉末均勻地粘在基體表面上， 當粘結劑溶液風乾後， 將其放置於燒結爐內， 在氫氣保護下加熱至金屬粉末表面有熔化趨勢， 恆溫20min 左右，使粘結劑分解揮發， 金屬粉末燒結成一體並燒結在基體上， 這樣就在金屬基體表面形成一層多孔金屬覆蓋層 。多孔金屬覆蓋層不僅可燒結在金屬管外壁面上， 也可燒結在金屬管內壁面上。多孔層厚度一般小於3mm， 孔隙率為40%~ 65%。粉末燒結法是國內外研究開發最早、較為成熟的一種多孔表面製造方法。
研究表明，與光管相比，在內壁帶多孔金屬覆蓋層管子中的沸騰換熱係數約可提高一倍。
