纳米管阵列表面流动沸腾传热特性的实验研究

王新亮 ，杨文刚 ，史晓平 ，陶金亮，邢晓康

（1 河北工业大学化工学院，天津 300130；2 中海石油气电集团有限责任公司，北京 100007）

作为最常见的热量传递设备，列管式蒸发器或再沸器的传热性能直接影响到能源利用效率和设备投资费用，因此围绕其核心传热元件——换热管的传热强化技术一直受到众多学者的重视，先后开发出了多种换热管的沸腾传热强化工艺，如为增大传热面积，可通过特殊机械加工方法，直接在金属管内或外表面加工出各种形状的翅片和螺旋形沟槽；为提高汽化核心数量，可利用粉末烧结、火焰喷涂、电镀、覆盖金属丝网等工艺在换热表面额外增加一层多孔覆盖层。然而随着科学和技术的逐渐进步，高集成、大热流、微系统又对沸腾传热提出了新的要求。与此相适应，纳米表面的强化传热技术逐渐成为世界各国的研究热点，国内外公开发表的文献已经证实其具有优异的沸腾传热强化效果，主要集中在纳米管[2-9]和纳米涂层[10]领域。所谓纳米表面，就是以传统表面技术为基础，通过引入纳米技术，在基质材料表面制备出含纳米颗粒的复合涂层或具有纳米结构的表层，达到提升表面性能的目的[1]。TiO2纳米管阵列表面作为新型的纳米表面具有与金属结合紧密，纳米孔垂直金属基底，呈阵列分布等诸多特点。其强化传热效果自然也受到广泛关注，如Chen[2]、陶金亮[3-4]、Xu[6]等以该结构为池沸腾换热表面进行研究，发现相对于钛金属表面，TiO2纳米管阵列表面的沸腾传热效果明显较好。吕树申等[7]在不同孔径的TiO2纳米管阵列表面的池沸腾传热实验研究中发现，随着TiO2纳米管孔径的增大，TiO2纳米管阵列表面的沸腾传热强化效果逐渐增强。然而到目前为止，有关其流动沸腾的研究还不多见。为进一步扩大其应用范围，本文作者在钛换热管内表面上制备出TiO2纳米管阵列薄膜，研究了该处理表面在强化流动沸腾换热方面的特性与效果。

1 实验装置与流程

实验装置流程如图1(a)所示，其中测试换热管内表面覆盖一层纳米管阵列薄膜（参照文献[6]中的方法制备，为对比传热强化效果，用同一换热管进行光滑表面管传热实验后制备纳米管阵列薄膜）。换热管采用电阻丝管外缠绕的加热方式，加热功率可通过稳压直流变压器加以调节，换热管外壁面温度采用四线制Pt100 贴片热电阻测量，热电阻由锡焊分别焊接在换热管外壁温度测量点[钛换热管尺寸和贴片位置见图1(b)]。管内壁温度则通过一维稳态导热计算得到（管外设置保温，可近似忽略热损失）。换热管进、出口工质温度采用四线制Pt100 型铠装热电阻进行测量。所有热电阻均与XSLE 高精度温度巡检仪连接，通过计算机上的M400 数据采集系统记录。通过对比单相流动传热实验结果与Dittus-Boelter 关系式，最大误差不超过10%，表明实验测量的数据是可靠的。实验时，水箱中的蒸馏水由循环泵打入到气液分离器至预定值，分离器内的蒸馏水由循环管路上的离心泵送出，经调节阀控制流量在设定值，再经玻璃转子流量计标定后进入测试换热管，换热段压降由U 形压差计测量。离开换热段的两相流经沸腾段循环至气液分离器，液相再次循环，气相则向上流入冷凝器。由于气液分离器具有较大热量蓄积和工质蓄积能力，能够缓冲工质气化时造成的流量和压力的大幅波动，以确保实验系统的安全和实验的顺利进行。冷凝液由烧瓶收集称重测量，可以得到相应功率下的气化量，称量过的冷凝液需注入分离器中进行再循环，保证实验工质量的恒定。

2 实验结果及讨论

2.1 纳米管阵列表面管流动沸腾传热性能

图2为不同表面换热管流动沸腾传热温差Δt（Δt=tw-tf）与热通量之间的关系。由图可知，在整个沸腾过程中与光滑表面管相比，TiO2纳米管阵列表面管的传热温差降低了30%～55%。TiO2纳米管阵列表面管之所以会具有这种特性，可能是由于纳米管阵列表面众多的纳米微孔能吸附一定量的气体。这些气体的存在可作为气泡生长的种子或气核，使其在较低的壁面温度下就能够被活化，从而将核态沸腾区域延伸到较小的温差内。

图1 实验装置流程及测温点布置示意图（单位：mm）

图2 沸腾传热温差与热通量的关系

图3 流动沸腾传热系数与热通量的关系

图3为不同表面换热管的流动沸腾传热系数和热通量的关系。由图可以看出，在相同热通量的情况下，TiO2纳米管阵列表面管的流动沸腾传热系数远大于光滑表面管，为光滑表面管的1.5～2.2倍，强化传热效果十分明显。

2.2 纳米管阵列表面管压降

图4为不同表面换热管的压降与热通量的关系。由图可以看出，在整个沸腾过程中，无论光滑表面管还是TiO2纳米管阵列表面管的压降都随着热通量的逐渐增大而增大。这主要是由于热通量的增大有效促进了核态沸腾，使液相中气相含率相对增加，从而增大了气液两相界面切应力。然而相对于光管而言，相同热通量下，TiO2纳米管阵列表面管的压降略有提高。这可能有以下两个原因：一是壁面粗糙度造成的压力损失；二是质量含气率的提高。为了探明这一机理，考察了压降与质量含气率的关系，如图5所示。由图5 可知，当质量含气率相同时，TiO2纳米管阵列表面管的压降与光滑表面管相差无几，两条压降曲线几乎重合。这说明由TiO2纳米管阵列表面薄膜粗糙度引起的压降很小。如在工程实际中，这一压力损失可忽略不计。

图4 压降与热通量的关系

图5 压降与质量含气率的关系

2.3 纳米管阵列表面管流动沸腾传热系数关联式

利用最小二乘法，对实验数据进行拟合，得出：a=1.1105，b=-0.1878。

图6 给出了传热系数测量值与本研究传热系数关联式计算值的比较。从图6 可以看出，计算值与测量值的相对误差在±20%以内，表明文中提出的TiO2纳米管阵列结构表面管抑制因子系数修正计算方法能够对实验数据进行很好的关联。

3 结论

（1）TiO2纳米管阵列表面管在降低沸腾传热温差的同时还可以有效提高换热管的流动沸腾传热系数。

（2）随着热通量的增加，换热管的整管压降逐渐增大。造成TiO2纳米管阵列表面管压降损失的主要因素与质量含率有关，其表面粗糙度对压力损失的影响很小。

图6 传热系数测量值与模型计算值的比较

（3）通过最小二乘法，对Gungor 模型抑制因子系数进行修正，得出了适合TiO2纳米管阵列表面管的传热系数公式，该公式与实验数据吻合较好，误差在20%以内。

符号说明

Di——换热管内径，m

E——对流强化因子

G——质量流速，kg/(m2·s)

h——管内流动沸腾传热系数，W/(m2·℃)

M——相对分子质量

Prl——液相Prandtl 数

p——操作压力，Pa

Pc——临界压力，Pa

q——热通量，W/m

Rel——液相Reynolds 数

S——抑制因子

tf——工质温度，℃

tw——换热管内壁面温度，℃

Xtt——Martinelli 参数

x——质量含气率

γ——汽化潜热，J/kg

λl——液相导热系数，W/(m·℃)

μg——气相动力黏度，Pa·s

μl——液相动力黏度，Pa·s

ρg——气相密度，kg/m

ρl——液相密度，kg/m

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