專利名稱:泡核沸騰的強化傳熱表面的制作方法
泡核沸騰的強化傳熱表面是用于提高物體表面的傳熱效率的。
泡核沸騰是一種高效的傳熱方法。為了強化泡核沸騰的傳熱效果，近年來人們已經(jīng)發(fā)展了各種強化表面來代替光滑表面。這種泡核沸騰的強化傳熱表面大體可以分為二類一類是多孔介質(zhì)表面，美國Union Carbide公司的High Flux管即其典型。另一類是經(jīng)過特殊機械加工而制成的強化傳熱表面。西德Wieland-werke公司的Gewa-T管和日本日立公司的Thermoexcel-F管則屬于這一類表面。但是它們的共同缺點是工藝復(fù)雜、成本高、難以用于硬度較大的材質(zhì)，目前只限于銅和銅合金，更嚴(yán)重的是，在從自然對流到池內(nèi)沸騰的過渡區(qū)內(nèi)它們都有明顯的熱滯后(Hysterisis)現(xiàn)象，存在著較大的“溫度過頭”(Teperature Oveshot)現(xiàn)象。為此，Ralph.I.Webb在美國專利3，521，706中首次提出了一種附著式強化表面。他提出，可將金屬或非金屬絲纏繞在肋管(帶有肋片的管子)的肋片間的凹槽中，這樣，由于大量核化中心的形成就改善了泡核沸騰的傳熱效果。Karl V.Schmittle則在此基礎(chǔ)上，在美國專利4，074，753中，提出用纖維編織的細索(不是單根的細絲)螺旋狀地纏繞在肋管的肋片間的凹槽或者在光滑的銅管上，并提供了數(shù)據(jù)，申請了專利。但該專利申請人根據(jù)自己的實驗提出把銅絲纏繞在光滑的銅管上反而會使傳熱惡化，因而并未將此列入其申請保護的權(quán)項之中。本發(fā)明所提出的強化泡核沸騰的傳熱表面其特征在于，它是由光滑園管和緊緊地纏繞在其表面的螺旋狀金屬絲所組成。這種金屬絲可以是鎳鉻的，當(dāng)以氟里昂為傳質(zhì)時，鎳鉻絲的直徑在0.5～1.5mm之間，其間距在0～0.22mm之間。圖1即為金屬絲附著物表面結(jié)構(gòu)同GEWA-T管及High Flux管的對比圖。本發(fā)明以R-113(氟里昂)為介質(zhì)，在大氣壓下研究了緊壓在光滑管外表面上的螺旋狀金屬絲對水平園管沸騰傳熱的影響，還進行了系統(tǒng)的參數(shù)性能優(yōu)化的實驗研究，結(jié)果表明這種強化方法在中低熱負荷(104w/m2)時可以將傳熱系數(shù)提高3倍左右，在合理選擇參數(shù)(絲經(jīng)d和間距S)時，直到105W/m2時可以將傳熱系數(shù)至少還可以提高120%左右。尤其是采用這種方法，可以消除氟里昂類液體在過渡沸騰區(qū)內(nèi)的“溫度過頭”現(xiàn)象，這在某些工程應(yīng)用中(如電子元件的冷卻)具有重要意義。這種優(yōu)點是其他各種強化傳熱表面所不及的。
實施例一實驗裝置實驗裝置及實驗件分別如圖2、圖3所示。黃銅制圓管的外表面為加熱面1，其表面光潔度為
7，加熱圓管的外徑D＝20mm，彈簧狀鎳鉻絲緊緊地壓附在加熱面上。絲徑φ0.3mm的鎳鉻-鎳鋁熱電偶7、8用來測量池內(nèi)液溫，取其平均值作為液體溫度。加熱圓管的兩端距離管外壁2.5mm分別鉆有兩個深20mm、孔徑φ1.5mm的圓孔，一端的兩圓孔垂直分布，另一端的兩圓孔水平分布，這四個圓孔安裝有四支φ0.3mm的銅-康銅熱電偶3、4、5、6，這四支熱電偶測得的溫度之平均值，經(jīng)恒熱流加熱圓管等的溫度外推公式換算，可以得到加熱面的平均溫度。實驗件用管內(nèi)的螺旋狀電阻絲18通過交流電來加熱。電阻絲與黃銅管之間充滿鎂砂，這種材料絕緣良好，同時也有一定的導(dǎo)熱性。加熱圓管兩端用聚四氟乙烯塑料絕熱。加熱電流和電壓降分別由0.5級的電流表和電壓表測量，據(jù)此可以算出通過加熱表面的熱流密度q″。U型輔助加熱器15的功率由0.5級的功率表測定。所有熱電偶的熱電勢由PF-3型雙積分式多路直流數(shù)字電壓表和LY6型數(shù)字打印機獲取，其精度為10μV。熱電偶均用二級標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計在恒溫水溶槽中標(biāo)定，并利用最小二乘法將標(biāo)定結(jié)果回歸成下列形式的二次方程t＝0.984+24.932V-0.043V2
式中V-熱電勢，mv;t-溫度，℃;
實驗值的最大相對誤差為±1%。
實驗件水平地放置在一個300×300×200mm的矩形玻璃容器中，做飽和沸騰實驗時，U型輔助加熱器15使池中液體始終保持飽和溫度，不使用冷卻水套10，并且將玻璃容器用毛氈包住，以減少熱量損失，僅在一側(cè)開有一個窗口以便于觀察和攝影。做過冷沸騰實驗時，后用冷卻水套10，調(diào)節(jié)自來水的流量及輔助加熱器15的熱量來維持所需要的池內(nèi)液溫，實驗中過冷度的波動在±0.5℃范圍內(nèi)。
二 實驗內(nèi)容1、校核性的予備實驗實驗前，先用丙酮清洗加熱面，再用實驗液體清洗容器，并注入液體使液面約高于加熱圓管頂部80mm。然后，通過下面二個實驗對本裝置及測試手段作可靠性校驗。
a、在本裝置上將光管置于酒精中進行自然對流實驗，其實驗方法及關(guān)聯(lián)式是公知的。其結(jié)果與參考文獻1所載的相比，最大誤差僅為6%，見圖4。
b、在本裝置上將光滑管置于氟里昂液體中做飽和沸騰實驗，其實驗方法及關(guān)聯(lián)式也是公知的。其結(jié)果與參考文獻2，3，4的沸騰曲線比較也甚為接近，見圖5。
以上事實證明，本裝置及測試手段是可靠的。
2、強化表面沸騰傳熱實驗(大氣壓下，工質(zhì)R-113)在沸騰傳熱過程中，其傳熱特性除受表面處理影響外，還與加熱歷程有關(guān)。本實驗采用了參考文獻5中的一個程序，其實驗步驟如下將試驗件在液池中浸沒一夜，然后用輔助加熱器將液體加熱至劇烈沸騰狀態(tài)，并保持1小時，再將輔助加熱器的功率下降，僅維持液體在飽和溫度。其后，逐步加熱試驗件，每一個工沉。在穩(wěn)定5-10分鐘后達到完全的穩(wěn)定狀態(tài)，再測取數(shù)據(jù)，在將功率提高到最大值(約105W/m2)后，再逐步降低功率，得到沸騰曲線。本實驗與其他幾種強化表面沸騰傳熱曲線的實驗數(shù)據(jù)對比見圖6。
3、R-113(氟里昂)的強化傳熱及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化實驗(1)平均間距S對沸騰傳熱的影響圖7中給出了直徑1mm，間距S的名義值為0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5mm六種不同數(shù)值的實驗結(jié)果，其實驗方法同上。
(2) 傳熱系數(shù)隨平均間距S的變化曲線圖8給出了不同熱流密度下，傳熱系數(shù)隨間距S的變化曲線。實驗方法同上，d＝1mm。
從以上實驗看來，在低熱流密度(q″＜104W/m2)時，S的名義值為0時效果最佳，強化效果隨S值的增加而略有降低，在熱流密度大于104W/m2以后，存在著一個最佳的間距值，可使傳熱系數(shù)達到峰值，這個最佳間距值將隨熱流密度增加而提高。在熱流密度從104W/m2上升到105W/m2時，S值相應(yīng)地從0.1上升至大約0.22(如圖8中虛線所示)。這種強化方法在中低熱負荷上效果最好，可能優(yōu)于著名的GEWA-T管，同光管相比，傳熱系數(shù)可以比同樣熱負荷下光管值高370%。但熱流密度提高以后，強化效果下降，性能不如GEWA-T管，但是只要S值選用適當(dāng)，傳熱系數(shù)仍可達到光管的120%。還應(yīng)指出在S＜0.2mm時強化表面的沸騰曲線可能同光管沸騰曲線相交，熱負荷進一步提高時傳熱可能惡化。但S值超過0.2mm以后，直到熱流值超過105W/m2，傳熱仍然得到明顯的強化。
(3)相同S值下，絲經(jīng)對強化傳熱效果的影響圖9給出了絲徑d為0.5和1.5mm時的沸騰曲線，同相同S值時d＝1.0mm的曲線相比，表明其強化效果均不如后者其實驗方法同2。
(4) 金屬絲與光滑表面接觸松緊的影響圖10中的曲線，明顯反映了接觸松緊的影響。金屬絲緊壓在光滑管上的附著物使傳熱明顯強化，反之則不如，有時還會使傳熱惡化。
其實驗方法同2。
圖1-金屬絲附屬物表面結(jié)構(gòu)與GEWA-T管的對比圖a-GEWA-T管b-金屬絲附屬物圖2-實驗裝置簡圖1-黃銅管加熱面2-絕熱材料3-8熱電偶9.-調(diào)壓器10.-冷卻水泵11-玻璃容器12-冷凝器13-FF3型數(shù)字電壓表14-LY6型數(shù)字打印機15-U型輔助加熱器16-穩(wěn)壓器。
圖3-黃銅管剖面圖17-導(dǎo)線18-電阻19-彈簧狀金屬絲圖4-自然對流實驗數(shù)據(jù)與準(zhǔn)則方程對比圖Num-努謝爾數(shù)最大值;
TW-壁面溫度TL-液體溫度Ts-液體飽和溫度△Ts-述熱度 △Ts＝Tw-Ts-O…O…O-實驗值;
-參考文獻1中的值。
圖5-光滑管飽和核沸騰實驗曲線對比①-本實驗②-見參考文獻2。
③-見〃〃〃〃3。
④-見〃〃〃〃4。
圖6幾種強化表面沸騰傳熱曲線對比圖△-本實驗
-High Flux管，見參考文獻5圖7O-GEWA-T管，〃〃〃〃〃〃〃9圖7-平均間距S對沸騰傳熱的影響圖8-傳熱系數(shù)隨平均間距S變化的曲線圖9-金屬絲直徑對沸騰傳熱的影響平均間距S＝0.2▲-d＝0.5mm，熱流上升，△-d＝0.5mm，熱流下降， -d＝1mm，熱流上升， -d＝1mm，熱流下降;
●-d＝1.5mm，熱流上升，○-d＝1.5mm，熱流下降。
圖10-金屬絲與光滑表面接觸松緊對傳熱的影響。
-緊時熱流上升○-〃〃〃〃下降▲-松〃〃〃上升，△-松〃〃〃下降。
參考文獻1Mcadams.W·H·，“Heat Transmission”，3d·ed.McGvaw-Hill Book Company，New York，19542、Bergles，A、E.and Chyu，M.C.，“Characteristics of Nucleate pool Boiling From Porous Metallic Coatings”，Journal of Heat Transfer，vol.104.1982，pp.279-2853、Stephan，K.and Mitroric，J.，“Heat Transfer in Natural Convective Boiling of Refrigerant and Refrigerant-Oil Mixtures in Bundles of T-shapea Finned Tubes”。
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4、伊藤猛雄等，“各種多孔質(zhì)沸騰傳熱面
性能比較(第二版)第20回日本傳熱ミニポヅウム講演論文集1983。
5、Marto.P.J.and Hernandez，B.，“Nucleate pool Boiling Characteristics of a GEWA-T Surface in Freon-113，”ATCH E Symposium series.vol.79，NO.225.Seattle.
1983。
6、美國專利 NO.3521708.19707、美國專利 NO.4074753 1978
權(quán)利要求
1.泡核沸騰的強化傳熱表面是用于提高熱傳導(dǎo)效率的，它可以由帶筋管和纏繞在其筋片之間的纖維編織的尼龍細索或金屬鋁絲組成，也可以由光滑銅管和纏繞在其表面的纖維編織的尼龍細索組成。本發(fā)明的特點在于，它是由光滑園管和緊緊地纏繞在其表間的螺旋狀金屬絲組成。
2.權(quán)利要求
1中所述的螺旋狀金屬絲其特征在于，它是有彈性的金屬制成的，當(dāng)以氟里昂為工質(zhì)時，金屬絲的直徑在0.5～1.5mm間，金屬絲的間距在0～0.22mm間。
專利摘要
泡核沸騰的強化傳熱表面是用于提高傳熱效率的。本發(fā)明的特征在于，它是由光滑圓管和緊繞在其表面的螺旋狀金屬絲組成。當(dāng)在大氣壓下以R-113為工作介質(zhì)時，在熱負荷為10
文檔編號F28F1/20GK87100095SQ87100095
公開日1988年7月27日 申請日期1987年1月13日
發(fā)明者馬重芳, 唐富江, 甘永平, 張濱來, 雷道亨 申請人:北京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan