[发明专利]一种具有固定汽化核心的多孔壁面换热管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种具有固定汽化核心多孔壁面的换热管及其制备方法。

背景技术

世界能源紧张问题日益突出，以节约能源与减少材料消耗为主要目的的，开发高效紧凑式换热器是传热界的重要研究课题。蒸发器广泛应用于制冷空调领域、ORC(中文)循环领域、以及能源存储等领域，其换热结果直接影响整个机组的换热性能。因此，沸腾传热强化技术在强化传热领域中占有非常重要的地位。

在制冷空调、ORC循环等领域，蒸发器常常采用卧式管壳式结构，无论是水平管内沸腾还是管外沸腾，其沸腾过程形成的汽体往往使得真实的沸腾换热面显著减小。水平管内沸腾过程随着沸腾进行，由于存在气液密度差，几乎上半个水平管的换热面积均被汽相所覆盖，不仅造成换热面积骤然下降，同时增大了换热管干烧、烧毁的危险。同样，水平管外沸腾过程中，沸腾管底部较长时间的被气泡覆盖，形成较大气膜热阻，长期局部过热，很容易造成设备的老化与损坏。

多孔金属结构具有大量的微细毛孔结构，能使液体在微结构内部毛细泵里的作用下进行快速铺展；同时多孔金属结构应用于沸腾过程，具有密集的汽化核心。事实上，多孔表面换热管由于沸腾温差低、换热系数高、临界热流密度高和康够能力强等优势，早就受到广泛关注。自从20世纪70年代初美国联合碳化公司开发出烧结型多孔表面管后，此种多孔换热管就得到了长足的发展。最受青睐的当属烧结性表面多孔管，其传热系数可比普通光管传热系数至少提高10倍，而且其有效温差仅为普通光管的1/7‐1/8，普通光管经烧结制成多孔表面管后可以有效提高光管的扛结垢性能。因此将多孔换热管应用于水平沸腾传热过程中，不仅可以利用毛细结构输运液体到干壁区，壁面干烧导致的毁坏，同时具有较高密度的汽化核心，也显著提高了其传热性能。

事实上，多孔结构表面密集的核化中心，还会引起相邻多个汽化核心气泡之间具有相互作用，气泡之间的相互抑制或融合，气泡被抑制延长气泡脱离时间或在传热表面形成一空气热阻层，都会恶化其传热性能。多孔亲水性表面可将沸腾临界热通量提高至原来的1.5‐1.6倍，而疏水的多孔金属反而大大降低了沸腾临界热流密度，其根部原因就是汽化核心处过于密集，致使在多孔结构内部形成了类似于膜沸腾的气泡层。

综上所述，针对出镜率较高的卧式沸腾换热管，利用表面烧结毛细结构结合人为控制其核化中心，即可有效提高其传热性能的同时避免其干烧、提高其安全系数。本发明提出一种具有固定汽化核心的多孔壁面换热管，其是利用精确加工的烧结模板结合金属微纳颗粒，在普通换热管内外烧结而成的具有固定沸腾汽化核心的多孔壁面换热管，其多孔结构能够有效控制汽化核心的同时，可避免水平管内形成大面积气膜以致干烧的现象。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有固定汽化核心的多孔壁面换热管及其制备方法，其特征在于，所述具有固定汽化核心的多孔壁面换热管由普通换热管、多孔结构壁面层以及固定的汽化核心空穴依次结合构成；在换热过程中，多孔壁面换热管中的多孔结构壁面层利用其结构的毛细力，吸引液体至汽相聚集的干烧壁面区，避免换热管的干烧。同时多孔壁面换热管中的汽化核心空穴成为沸腾传热过程中的定位核化中心。

一种具有固定汽化核心的多孔壁面换热管的制备方法，其特征在于，利用汽化核心模板管和金属微纳颗粒与普通换热管共烧制得；具体步骤为首先根据普通换热管直径加工汽化核心模板管，设计在汽化核心模板管壁面上汽化核心的分布和尺寸；其次筛选导热性能良好的金属颗粒，并对普通换热管进行表面处理，在汽化核心模板管的汽化核心面上涂覆脱模剂氧化聚乙烯蜡，然后将汽化核心模板管与普通换热管利用封头固定压紧，将汽化核心模板管和金属颗粒一起在惰性气体保护下烧结成型；其烧结温度根据不同金属颗粒的尺寸和材料性质而定。其烧结温度无须达到金属熔融温度，只要金属颗粒熔接即可。烧结时间一般为1‐5h，烧结完毕后，在惰性气体保护下自然冷却，然后脱模获得具有固定汽化核心的多孔壁面换热管；此多孔壁面换热管具有金属烧结的多孔毛细结构，利用毛细力引导液体在壁面流动，吸引液体至汽相聚集的干烧壁面区，避免换热管的干烧；同时多孔壁面换热管中的汽化核心空穴成为沸腾传热过程中的定位核化中心，避免多孔结构汽化核心密度过大引起气泡合并形成气膜热阻的现象。