表面多孔管强化传热机理
（1．茂名学院 广东 茂名 525000； 2．茂名石油化工公司乙烯厂，广东 茂名 525000）摘 要： 介绍了换热器强化传热理论，并从如何增加换热面上的汽化核心及生成汽泡的频率以提高换热系数方面阐述了表面多孔管的传热机理。
关键词： 表面多孔管；强化传热；沸腾换热
管壳式换热器是化工、石油、动力、食品等工业使用最多的换热设备，其结构坚固，维修方便，能在高温、高压条件下使用，在生产中占有重要地位。但传统的管壳式换热器与一些新型高效紧凑型换热器相比，最大的缺陷是传热效率低。强化传热技术从60年代逐步兴起，当前国内外研究的趋势就是通过改变管子形状或表面性质来强化传热过程，以提高换热器的效率。这样做既可节约大量金属管材、降低设备费用，又可显著地提高工厂的热能利用效率、降低能耗。 换热管的强化传热技术可分为无相变传热的强化和有相变传热的强化。应用于无相变传热强化的管子有：螺旋槽纹管、横槽纹管、缩放管等类型；应用于有相变强化传热的管子有：单面纵槽管、低螺纹翅片管、表面多孔管等类型。
l 强化传热理论
根据传热学的基本公式：Q＝k•F•△T，可知增强传热有3条途径：提高换热器的传热系数k；加大换热器的换热面积F；加大对数平均温差值△T[1]。加大换热器的换热面积和提高对数平均温差都不是最佳途径，前者与换热器的结构有关，一味增大换热面积势必造成设备体积增大及成本的增加；而后者与流体的工况有关，选择高对数温差会使能耗增加。因而最理想的办法就是提高传热系数k。
传热学表明，当换热器管子壁厚不大时，稳定传热工况下，洁净换热器的传热系数k 可以按下式近似确定：
式中α1—热流体与管子外壁之间的换热系数（W/(m2•k)）；α2—冷流体与管子内壁之间的换热系数（W/(m2•k)）；δ—管壁厚度（m）；λ—管子材料导热系数（W/(m•k)）。由于管子金属材料的导热系数很大，管壁厚度又较薄，所以上式中δ/λ值可视作零，因而，要增大传热系数k可从管子两侧的换热系数α1、α2入手。尤其要提高管子两侧中换热较差一侧的换热系数，以取得较好的强化传热效果。
增强换热系数α1和α2的方法很多。原则上可采用提高工质流速，使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的漩涡死滞区，增加流体的扰动和混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、改变换热面表面状况等方法来提高换热系数。对于无相变的单相流体的热阻主要在层流底层，要强化传热过程应着重设法减薄层流底层的厚度。对有相变的沸腾传热过程而言，提高换热系数的主要方法是增加换热面上的汽化核心及生成汽泡的频率。现有的高效表面多孔换热表面可以将沸腾换热系数提高10倍左右。
2 表面多孔管的强化传热机理
表面多孔管是60年代末发展起来的高效强化传热的一种换热管，对沸腾换热有高效强化作用，它不仅能在小温差下保持核状态沸腾，而且具有高的临界热流密度和良好的反堵塞能力等优点[2]。
2.1沸腾换热的基本理论
工质从静止状态到沸腾时，其沸腾传热是一个非常复杂的过程，沸腾特性曲线如图1所示：
非沸腾区，又称为单相自然对流区，在过热度较低时，换热面上的液体轻微过热，使液体内部产生自然对流。换热面上的换热是靠传导和自然对流进行的。
核态沸腾区又称为汽泡状沸腾区，随着过热度的增高，换热面上开始出现汽泡，但数量不多，由于液体的过热度还不够大，有些汽泡在脱离换热面后还会被重新凝结。当过热度进一步增大，换热面上汽泡迅速增多，并浮升到液面，最后冲破液面进入汽相空间。在核态沸腾区，汽泡的产生，脱离和浮升使液体受到剧烈的扰动，从而使传热系数剧增。
图1 大容器沸腾时的沸腾曲线
过渡沸腾区又称为部分膜态沸腾区，是膜态沸腾的初期，由于表面张力和对流流动的影响，汽膜不稳定，忽儿破碎，忽儿生成，随时可能被撕破形成大汽泡脱离壁面，但随着换热面壁温增高，汽膜增多，壁面受到液体润湿区域减少，热流密度和换热系数迅速降低。
膜态沸腾区又称为稳定膜态沸腾区，此时稳定汽膜在换热面上形成，汽膜周期性地释放出蒸汽，热量传递主要通过汽膜的传导、对流及辐射来进行。在工程应用中，主要关心的是核态沸腾区域。
2.2汽泡理论
图2 汽泡生成和脱离示意图
沸腾换热的主要特征是液体内部有汽泡产生。当换热面受到加热时，换热面的壁温就逐渐上升。如换热面壁温已超过液体的饱和温度，和壁面接触的液体就具有一定的过热度。此时，在换热面称为汽化核心的地方就会产生汽泡。
汽泡在换热面上的生长和自然脱离换热面的过程示如图2。图中a）表示和壁面接触的液体层（边界层）已具有过热度，汽泡开始在汽化核心上形成；b）表示汽泡吸热后迅速生长；c）表示汽泡长大到可以脱离壁面的尺寸（达到脱离直径dd）；d）表示汽泡脱离换热面并带着一部分过热液体向上浮升，与此同时汽泡及被其带走过热液体的原位置由四周较冷液体迅速填补。此后，液体层经过短时期加热后又成为过热液体，于是在该汽化核心上再生成第二个新汽泡。在换热面上就这样不断周期性地发生着汽泡的形成、长大和脱离以及较冷液体冲刷壁面的过程，使换热面临近的液体层处于剧烈的扰动状态下。
由上可知，大容积沸腾时热量的传递，主要依靠不断自壁面脱离的汽泡及被其带走的过热液体而进行。
单位换热面上被汽泡带走的热量可用下式计算：
式中dd—汽泡脱离壁面时的汽泡直径（m）；ρv—汽泡密度（kg/m3）；Z—单位换热面上的汽化核心数目；f—汽泡自换热面的脱离频率（Hz）；γ—汽化潜热（J/kg）；
单位面积上随汽泡逸走的过热液体带走的热量，可用下式计算：
式中C—比热(J/(kg•k))；ρL—液体密度（kg/m3）；TW—换热面壁面温度（k）；TS—液体饱和温度（k）；（TW+TS）/2—过热液体的平均温度（k）；
由式（2-1）和式（2-2）可见，汽化核心数目愈多，汽泡脱离频率愈高，则沸腾时自壁温带走的热量愈多。因此，增多汽化核心和加强汽泡脱离频率就可以强化大容积汽泡状沸腾传热过程。
在一定沸腾压力和沸腾工质条件下，换热面上可以生成的汽泡的最小半径Rmin可按下式计算：
式中 σ—表面张力（N/m）。
由式（2-3）可见，当液体过热度增加时，换热器上可以生成汽泡的最小半径Rmin减小，这表明原来不能生存的小尺寸汽泡也能在此新条件下形成，因此可使沸腾过程的汽化核心数目增加。另外，提高沸腾压力，可以使表面张力降低和汽体密度增加，由式（2-3）可知，也可降低Rmin值，从而也能使汽化核心数目增多。
换热面壁面总是凹凸不平的，汽泡最易在换热面的圆锥形凹穴中产生（如图2）。因为凹穴易于吸附气体使成为形成汽泡的胚胎，此外凹穴侧壁能托住汽泡，因此为形成具有一定汽液分界面的汽泡所需消耗的功最小。所以换热面上尺寸大于Rmin的凹穴都是良好的汽化核心。
图3 换热面壁面汽泡形状示意图
由上分析可知，汽化核心数目的多少与换热面的壁面加工状况有关。因此改变换热面的壁面状况，可以增强沸腾换热过程。
半径大于Rmin的汽泡在汽化核心处形成后，随着进一步加热，汽泡体积逐渐增大。此时汽泡可以从两方面得到加热：一方面是由汽泡四周的过热液体通过汽液分界面将热量传给汽泡；另一方面可由汽泡和加热壁面的接触界面传入热量。这些热量以导热方式传给汽泡，使汽液界面上的液体继续蒸发，并克服表面张力形成更大直径汽泡。
随着汽泡直径的增大，作用在汽泡上的浮力也在增大，当汽泡长大到一定直径时，作用在汽泡上的浮力超过壁面对汽泡的吸附力，于是汽泡便脱离换热面壁面而向上浮升。这一能使汽泡脱离换热面壁面的汽泡直径称为脱离直径。脱离直径的大小与液体和换热面的润湿情况有关，当液体能润湿壁面时，汽泡呈球形，与壁面连接少，较易脱离。如液体不润湿壁面，汽泡附着在壁面上的面积较大，不易脱离。图3表示有液体润湿壁面与液体不润湿壁面的汽泡形状。
脱离直径的理论计算式如下：
式中 θ—接触角；σ—表面张力（N/m）。
由式（2-4）可见，液体润湿壁面的性能愈好，则脱离直径愈小，汽泡的脱离频率愈高。此外，压力愈高，脱离直径也愈小，因而汽泡脱离频率也愈高。汽泡脱离频率愈高，意味着换热愈强烈，因此也可以从液体润湿换热面状况方面强化汽泡状沸腾换热过程。
图4 较为理想的内凹穴汽化核心
2.3理想的汽化核心形状
其实，普通换热面表面上的圆锥形凹穴并非理想的稳定汽化核心。图4所示的内凹穴是较为理想的稳定汽化核心。在内凹穴中，当液体汽化时，在内凹穴颈的力平衡式为：
此时，液相压力高于气相压力。液相压力只有在克服汽相压力和表面张力后才能进入内凹穴。要满足此条件就必须使液体过冷度剧增以增大液体压力PL。但在饱和沸腾时，换热面壁温，亦即蒸汽温度总高于液体饱和温度的，相应的汽相压力PV总大于液相压力PL，所以液体难以充满内凹穴。此外，内凹穴截留的蒸汽较多，因而，由于碰撞增高的液相压力造成的汽相凝结作用，不易将内凹穴中的汽相全部凝结。所以这种内凹穴汽化核心是一种较为理想的稳定汽化核心。
内凹穴汽化核心的过热度和内凹穴颈口半径R的关系式：
由式（2-6）可见，内凹穴的颈口半径愈大，所需的过热度愈小，因而凹穴的颈口半径决定了开始沸腾的过热度，而凹穴的形状决定了沸腾的稳定性。
2.4多孔表面的强化传热机理[3]
由于内凹穴是一种较为理想的稳定汽化核心。对如何采用各种表面特殊处理法来造成换热表面具有内凹穴汽化核心问题，先进的工业化国家进行了广泛深入的研究，并制成了一系列强化传热效应极好的表面多孔换热面。
图5 多孔覆盖层中的沸腾过程示意图
表面多孔换热面具有大量尺寸较大的稳定汽化核心，因而可以使工质在过热度很小的工况下产生大量汽泡，强化沸腾换热过程。表面多孔管的剖面结构如图5，金属覆盖层中存在许多由金属颗粒构成的凹穴和隧道，隧道随机地将凹穴连接起来。如果液体对金属材料是非润湿的，则在低于饱和温度时，不凝气体和蒸汽将积聚在凹穴中；如果液体对金属材料的作用是润湿的，则只有内凹穴才是稳定的汽化核心，因为过冷液体较难充满内凹穴。但不论那种情况，由于多孔覆盖层增多了稳定的汽化核心，所以可以使汽化强度大为增加。此外，凹穴的开口半径也比普通换热面表面上的大，所以可以在很低的过热度下沸腾。图示的多孔层中的两个汽泡就是在内凹穴中生成的。汽泡生成后便在多孔层中吸热长大并自阻力较小的孔穴中逸出，而液体则如图中箭头所示自排汽孔穴的周围通过隧道流入多孔层进行补充。液体流入多孔层时被多孔层的换热面加热，因而达到汽化……核心时便开始蒸发。由于多孔层中稳定汽化核心很多，汽化核心的开口半径以及多孔层中换热面积很大，所以金属覆盖层的表面多孔管能起到显著的强化传热作用。
3 结束语
从多孔表面强化沸腾传热机理的分析来看，表面多孔管具有以下特点：（1）能显著地强化沸腾传热过程，减少所需换热面积；（2）可以在很小的温差下维持沸腾。多孔层可以在几分之一度的温差下维持沸腾，从而大大减少传热的不可逆损失、避免热敏物料分解；（3）良好的阻垢性能。试验表明，多孔表面管具有抗垢性能，其结垢速率明显低于光滑表面管。表面多孔换热管可以应用于各种相变的换热过程，其优异的传热性能在石油、化工以及冶金等领域应用广泛。因此，表面多孔管换热器的开发研究具有广泛的应用前景。
参考文献：
[1] 张木全等．换热器的强化传热[J]．广东轻工职业技术学院学报，2005（3）：1～3．
[2] 李隆梅等．表面多涂层强化传热技术研究[J]．福州大学学报，1997，25（6）：102～107．
[3] 刘阿龙等．换热器烧结型表面多孔管综述[J]．石油化工设备，2005（1）：47～49．
[4] 李洪亮．强化传热技术及其应用[J]．化工设备育防腐蚀，2002，（4）：111～113．
作者简介：黄崇林（1975－），男，广东廉江人，硕士，讲师，主要从事机械设备测试、诊断的教学与科研工作。
Mechanism for Enhancing Heat Transfer of Surface Porous Tube
HUANG Chong-lin1 ZHONG Jin-shan2
（1.Maoming College, Maoming 525000 , China，
2. Maoming Ethylene Plant of Petrochemical Corporation, Maoming 525000 , China）
Abstract: The theory of enhancing heat transfer for heat exchanger is introduced, and the heat exchange mechanism of surface porous tube is described in this paper, which from how to increase the vaporization core and the produce’s frequency of steam bubble.
Key words：Surface Porous Tube；Enhance Heat Transfer；Boiling Heat Transfer