多孔材料管束强化传热特性实验研究

陈 康，陈鹏飞，王 晓，文 龙，彭怀午，赵 亮

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 博士后科研工作站,西安 710065;3.中国电建太阳能热发电工程研究中心,西安 710065;4.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室,西安 710049)

0 前 言

金属泡沫作为一种新型功能材料，具有密度小(相同材料的2%～10%)、刚度大、比表面积大(可达2 000～10 000 m2/m3)等特点，单位体积下的高表面积性使得金属泡沫材料广泛应用于化工、航天、电力等工业领域，尤其是其提高强化传热能力的性能，使金属泡沫成为太阳能热发电系统中关键换热设备性能提升的有效方法。

之前国内外有关研究人员对金属泡沫的研究多集中在通道内填充金属泡沫(矩形、圆管、圆环套管等)的换热性能[1-7]。Calmidi和Mahajan[1]通过实验研究发现了在填充金属泡沫的矩形通道中，传热过程中的热扩散效应是由泡沫骨架的有效导热系数决定的。Zhao[2]通过对填充金属泡沫的矩形通道进行了数值模拟，研究分析了孔隙率、孔密度和金属材料类型对通道的流动与传热特性的影响。Tamyol和Hooman[3]早前完成一项理论分析研究，发现加热平板表面的金属泡沫中，金属泡沫的强制对流换热速率与ppi(每英寸的孔数)成正比，但是金属泡沫层的厚度与整体换热速率是非线性关系。Tzeng[4]和Paek[5]分别研究了孔密度和孔隙率对矩形通道的换热的影响规律，前者发现随着孔径的降低或者相对密度的增大，总换热性能明显升高；后者则认为孔隙率的增大能够提高有效换热系数，但是相同孔隙率下变化孔径的大小并不能明显改变有效换热系数。

由于应用整体金属泡沫填充通道，是在以较大的沿程阻力损失为代价，获得较高的换热性能。为了更加充分利用金属泡沫的结构特性，Odabaee[6]将金属泡沫包覆在圆管外部，通过对一组4排错排管束进行数值模拟研究，发现了管束间距与金属泡沫层厚度对管束的传热因子和摩擦阻力因子的影响规律。T′Joen[7]对单排管束进行了实验研究，发现流体只能渗透进入金属泡沫层一定厚度的区域。

近年来，太阳能热发电在超高压机组、中低温利用等领域获得广泛的应用和发展，但是外露管式吸热器外面表温度场的不均匀性，严重限制了吸热器集热温度的提高，增大了吸热管高温工况下烧穿的危险性；同时光滑管束在高温工况下产生换热性能恶化也降低了集热系统运行效率，导致塔式太阳能热发电机组向超临界、超超临界等高参数大容量机组发展受到制约。金属泡沫材料在太阳能吸热器吸热管内的优化布置，可实现吸热管管壁温度场的均匀化，提高吸热器运行安全；同时，进一步增强吸热管强化传热能力，有助于提高塔式太阳能热电站发电效率。因此，本文针对小管径(管径为2 mm)圆管错列管束高紧凑度换热单元，对光滑圆管管束、管外烧结金属泡沫层的圆管管束进行实验研究，分析不同金属材料、金属泡沫与基体连接方式对管束的整体换热性能的影响规律，获得金属泡沫吸热管的材料选型依据，提出一种高性能金属泡沫填充方法，为提高太阳能热发电效率提供有效支撑。

1 实验系统

本研究的有关实验工作是在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室空气深度预冷实验平台上进行的。实验系统由管内实验系统和管外实验系统两部分组成，实验平台系统见图1。

图1 实验系统图

实验以空气和水作为工质。所需用水由离心水泵提供，工质水由高准质量流量计F025计量；空气由螺杆式空气压缩机提供，气体压力的稳定由压缩机内的稳压罐来实现，空气由高准质量流量计F010计量，之后由电加热器加热后进入实验段。管内入口布置麦克压力传感器和罗斯蒙特差压传感器分别测量入口压力和管内进出口压差；管外入口布置罗斯蒙特微压力传感器和Honeywell微差压传感器分别测量入口压力和管外进出口压差；管外空气出口、换热入口分别布置了3×3的“T”型Omega热电偶测量温度，管内工质水的进出口分别在中心位置布置“T”型铠装热电偶测量温度。

图2 包覆镍泡沫圆管管束实验段简图

实验段尺寸为140 mm×100 mm×18 mm(长×宽×高)，实验段外壳由耐高温、低导热率PC板制成，中心布置横距3.6D、纵距1.8D、2×8排的错排管束，图2为包覆金属泡沫圆管管束实验段简图，图3为包覆金属泡沫圆管图。管外壳侧高温空气从左向右水平横掠管束，而管内常温水则由前向后流动，管内外流体形成错流进行强制对流换热。其中圆管外径D为2 mm，圆管长度L为100 mm，圆管壁厚为0.15 mm。

图3 包覆金属泡沫圆管图

2 实验数据处理

管外高温空气的进出口温度Tair.in和Tair.out分别由网状分布的9个温度测点取平均值得到，空气和水的物性(如定压比热容cp)都是根据流体的平均温度决定，管内水侧换热量与管外空气侧换热量的误差在5%以内。其中平均换热量Qmean由公式(1)得到：

(1)

由于包覆金属泡沫圆管的外壁无法布置热电偶，因此，本文使用对数温差LMTD法和热阻分离法对换热管束的空气侧对流传热系数进行分析计算。其中，对数温差Tmean由公式(2)可得：

(2)

换热管束总体热阻R根据对数温差Tmean可得：

(3)

换热管束的整体热阻R主要由4个部分组成，分别是管外热阻、泡沫材料接触热阻、管壁热阻和管内热阻。其中管内热阻根据圆管管内层流传热Sieder-Tate经验公式(4)得到。

(4)

综上所述，管外热阻Rext(包括接触热阻)可以由式(5)表达：

(5)

根据T′Joen的单排包覆金属泡沫管束流动传热实验结果可知，空气可以渗透进入泡沫层3～5 mm，因此对于本课题使用的2 mm厚度泡沫管束，使用管外壁表面积作为参考面积计算管外空气侧的传热系数。

管外壁的平均换热系数：

(6)

管外壁的平均Nu为：

(7)

3 实验结果及讨论

本文分别对光滑圆管管束和包覆金属泡沫圆管管束的传热特性进行了实验研究。目前采用的金属泡沫厚度为2 mm。根据金属泡沫样件物性测试结果，得到了金属泡沫的孔隙率、孔密度及渗透率等物性参数，金属泡沫材料结构参数详见表1。

表1 金属泡沫材料结构参数表

3.1 光滑圆管管束

本研究完成了光滑管束的传热与流动实验，得到了管外空气Re数与圆管管壁平均Nu数之间的关系，并将实验结果同流体排管束平均表面传热系数经验关联式(8)、(9)对比。

Re数在1～500范围时：

(8)

Re数在500～1000范围时：

(9)

如图 4所示，为管外入口空气温度为373 K时，不同管内入口流量下管外Re数与圆管管壁平均Nu数的曲线图。

图4 光滑圆管管束管外对流传热系数Nu与Re关系图

从图 4中可知，不同管内空气流量下，管外管壁平均Nu数均随着Re数的增大而增大，相同Re数下，不同管内流量的管外管壁Nu基本相同。光滑管束的强制对流换热实验得到的管壁平均Nu数与经验关联式的经验值吻合较好，两者误差在10%以内，说明本研究搭建的空气深度预冷模拟实验平台可满足精度要求，可进一步在此实验平台上进行包覆金属泡沫圆管管束的流动与传热研究。

3.2 金属泡沫材料导热系数

本文对金属泡沫样件2、3的金属泡沫管束进行实验研究，分析对比相同孔隙率(分别为0.886 9、0.870 6)、相同孔密度(PPI=40)下，不同金属材料导热系数(镍导热系数93 W/(m·K)、铜导热系数387 W/(m·K))对包覆金属泡沫圆管管束的换热性能的影响。

从图 5中发现，随着管外空气Re数的增大，金属泡沫样件2、3的圆管管束的壳侧Nu数逐渐增大。同时，相同微孔结构的铜泡沫与镍泡沫相比较，铜的导热系数约为镍导热系数的4倍，因此铜泡沫层内的热传导能力有明显优势；通过与镍泡沫管束比较发现，铜泡沫管束的壳侧Nu数约为镍泡沫管束的1.53倍，并且不受管外空气Re数的影响。同时，从金属泡沫样件2、3的流动特性可以发现，金属泡沫孔密度和孔隙率是决定流体渗透流动特性的关键参数，泡沫材料不影响金属泡沫内流动阻力。

图5 不同导热系数与管外空气侧传热系数关系图

3.3 金属泡沫与管壁接触热阻

通过调研发现，目前较为通用的金属泡沫与管壁接触方法有5种：紧配合法、高导热胶粘合法、焊接法、铸造成型法和粉末烧结法。

紧配合法，是指通过机械加工的紧配合将金属泡沫层与圆管装配在一起。目前常规的平板型金属泡沫与平板间的紧配合装配是靠0.5 MPa的压力挤压，或者在紧配合面涂抹一层高导热油，用以降低金属泡沫与管壁的接触热阻。而本研究的环形金属泡沫层的特殊形式和高温空气的工作环境，使得压力挤压和高导热油都不适用，因此我们通过电火花打孔，在外径6 mm金属泡沫内部钻打1.9±0.2 mm的内孔，以达到与外径2 mm不锈钢圆管紧配合的目的。

高导热胶粘合法，是指通过高导热胶将金属泡沫层与圆管粘合在一起。T′Joen et al. 将厚度为1.15～2.35倍孔径的金属泡沫层粘合在圆管外侧，其使用Bondmaster ESP110(k≈0.66 W/(m·K))高导热胶作为粘合剂，并在高导热胶内部铺洒微细铝粉，将粘合层的导热系数提高到10 W/(m·K)左右。之后通过压力将金属泡沫基部固定在300～600 μm厚的粘合胶内。由于T′Joen et al. 的泡沫层厚度约在5～8 mm，而对于2 mm厚度的泡沫层，300～600 μm的粘合胶厚度会造成较大的接触热阻，因此高导热胶粘合法并不适用于本研究。

焊接法，是目前使用最为广泛、热阻相对较低的一种金属类连接方法。焊接法主要需要控制的是焊剂的配制与厚度控制，P.De Jaeger et al. 在平板泡沫中使用焊接技术，将焊剂厚度控制在150 μm左右，而目前国内常规的真空炉焊接能将焊剂控制在1～2 mm左右。对于本研究2 mm厚的金属泡沫，焊剂会堵塞部分孔结构。

铸造成型法，通过制造模具，通过一次成型将金属泡沫层叠生长在基板外部。目前铸造成型法仍处于技术摸索阶段，电镀法生产的一次成型金属泡沫包覆管会出现微孔结构坍塌、挤压的现象，造成部分微孔堵塞；而粉末冶金法由于本身的技术限制，烧结后的粉末间存在部分未融合的细小缝隙，造成金属泡沫的丝结构不稳定、承压能力较差，孔结构在压力下易坍塌、泡沫易脱落。

粉末烧结法，是指利用微量纳米金属粉高活性的特点，将316 L不锈钢管和泡沫金属烧结在一起。利用限位烧结技术，使金属泡沫在烧结过程中，原有的3D结构不发生变化。粉末烧结法具有烧结层厚度小、烧结粉末导热系数高的优点。

图6为金属泡沫复合管烧结层100倍显微镜放大图，通过技术检测，本研究使用的包覆金属泡沫不锈钢圆管的烧结层厚度为40 μm。

图6 金属泡沫复合管烧结层100倍显微镜放大图

本研究对紧配合法和粉末烧结法的金属泡沫管束接触热阻进行了对比分析，金属泡沫采用孔密度PPI=20、孔隙率0.9057的镍泡沫样机1，分别采用紧配合法和粉末烧结法进行装配。由于样件1泡沫具有孔密度大、单位面积内基点少的特点，因此接触热阻的影响更大，分析对比不同装配方法更有代表性。

如图 7所示，随着Re数的增大，粉末烧结法装配管束的壳侧Nu数平均比紧配合装配管束高2.49，整体换热性能优于紧配合装配管束21.8%～7.2%。主要是由于随着空气流速增大，管束前端动压增强，紧配合装配的金属泡沫与管壁间接触热阻有所减小。

4 结 语

本文通过实验研究的方法得到了光滑圆管、管外包覆金属泡沫圆管在紧凑型错列管束中换热情况，分析了金属泡沫对传热的影响。

分析发现金属泡沫材料在导热系数方面，与镍泡沫管束比较，铜泡沫管束的壳侧Nu数约为镍泡沫管束的1.53倍，并且不受管外空气Re数的影响；比较装配方法发现，随着Re数的增大，粉末烧结法装配管束的壳侧Nu数平均比紧配合装配管束高2.49，整体换热性能优于紧配合装配管束21.8%～7.2%。本研究采用的粉末烧结法，具有烧结层厚度小(40 μm)、接触热阻小、烧结点牢固的优点，可以应用于小管径、耐高温、强换热的高温吸热管设计。