（化工过程机械专业论文）管内流动沸腾传热实验与再沸器设计.pdf

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s t e a mm e i d i u mc o n d i t i o n t h em a i m u no f v a p o r i z a t i o nr a t ei nt u b ei s18 3 w h e nt h em a s sf l o wr a t ei sf r o m0 0 3 7k g s lt o 0 0 9 7k g 叫sa n dt h et e m p e r a t u r eo fs t e a mi sf r o m115t o1 3 0 b o i l i n gh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to fs p s ti s3t i m e st h a np ta n do v e r a l lh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti s1 8t i m e st h a np t a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n to fs p s t , f i t t i n gt w o t y p e so f f l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc o r r e a l a t i o np r o v i d e sa ni m p o r t a n t b a s i sf o rd e s i g n i n gr e b o l i l e rw i t hs p s t i no r d e rt od e s i g n i n go fv r t w i t hp t f a s ta n de f f i c i e n t l y , t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lb a s i c6 0 t h e i i i s o f e w a r ei st e s t e db yh t r ia n di n d i c a t et h a ti th a sag o o d p r e c i s i o n t h es p e c i a l p r o p e r t yd a t ab a n k ( p d b ) f o rt h ed e s i g no fv t ri sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a l b a s i c6 0 s o m ep h y s i c a lp r o p e r t i e sc a nb e p r e d i c t e db yt h i sp d b a n dp d b c a n m a c t c ht h en e e do fd e s i g nb a s i c a l l y t h e n ，u s e dt w ot y p e so fc o r r e l a t i o nt o d e s i g n 玎w i t hs p s t , c o m p a r i n gr e s u l t s ，c a nf m dc o r r e l a t i o n st y p ef i r i n gb y t e m p e r a t u r ei sb e r e r k e yw o r d s ：s i n t e r e d p o r o u ss u r f a c e st u b e ；f l o wb o i l i n g ；h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ；v e r t i c a lt h e r m o s i p h o nr e b o i l e r ； i v 符号 五 & h 珥 彳 彳f c p 磷 g r k 三 肌c k p r g q 绋 胎 乙 易j 劢 符号说明 意义单位或量纲 管子材料导热系数 w m 1 k q 管程进口与出口的焓差 管外膜传热系数 管内膜传热系数 换热管传热面积 按管内径计算的面积 定性温度下的液体比热容 换热管的内径 格拉斯霍夫准数 总传热系数 换热段换热管长度 管程的质量流速 努塞尔 普朗特数 热通量 换热器热负荷 管程吸热量 雷诺数 壳程定性温度 管程进口温度 管程出口温度 v k j k 分1 w m 2 k 1 w m 2 - k 1 m 2 m 2 j k g - i 。l m w m - 2 k - l m k g s 1 w m - 2 w w 壳程进口温度 壳程出口温度 推导得到的壁温 测得壁温 干度 管程定性温度下的密度 k g m - 3 乃 瓦 吖 x 以 目录 摘j 要i a b s 7 i r a c t i 符号说明一v 目录v i i 第一章绪论1 1 1 选题的背景1 1 2 国内外换热器计算机程序软件简介2 1 3 面向对象程序设计简介3 1 4 强化传热技术3 1 4 1 强化传热基本理论- 3 1 4 2 强化传热方法分类4 1 5 国内外表面多孔沸腾传热研究概况5 1 6 本文主要工作6 第二章烧结型表面多孔管管内流动沸腾传热实验与性能评价7 2 1 烧结型表面多孔管7 2 1 1 烧结型表面多孔管简介7 2 1 2 表面多孔强化传热机理8 2 2 管内流动沸腾传热实验装置与试样8 2 2 1 实验目的和要求8 2 2 2 实验流程及装置9 2 2 3 实验参数的测量1 4 2 3 无相变试验l6 2 3 1 无相变实验步骤17 2 3 2 无相变试验数据处理1 7 2 3 3 无相变实验结果与分析1 8 2 4 烧结型表面多孔管流动沸腾传热试验及结果分析一19 2 4 1 流动沸腾传热试验步骤19 2 4 2 流动沸腾试验数据处理2 0 2 4 3 流动沸腾试验结果分析2 1 v l i 2 4 4 流动阻力损失2 4 2 4 5 流动沸腾传热规律研究2 5 2 5 本章小结2 7 第三章立式热虹吸再沸器热力计算与设计软件开发2 9 3 1 热虹吸再沸器类型及结构特点2 9 3 2 立式热虹吸再沸器工艺设计要求2 9 3 3 换热管管内流动与管外冷凝传热系数确定方法3 2 3 3 1 垂直管内流动沸腾传热系数3 2 3 3 1 垂直管外蒸汽冷凝传热系数o 3 4 3 4 立式热虹吸再沸器设计计算方法一3 4 3 4 1 热力学计算一3 5 3 4 2 流体阻力计算3 7 3 5 立式热虹吸再沸器设计软件开发一4 0 3 5 1 程序界面介绍4 1 3 5 2 程序计算流程4 4 3 6 本章小结4 5 第四章立式热虹吸再沸器设计4 6 4 1 数据库技术4 6 4 1 1 数据库的概念4 6 4 1 2 物性的估算一4 8 4 1 3v i s u a lb a s i c 访问物性数据库5 1 4 2 高通量管立式热虹吸再沸器的设计计算示例一5 3 4 2 1 计算结果j 5 5 4 2 2 与光管再沸器计算结果的比较5 7 4 3 本章小结一5 7 第五章结论_ 5 8 参考文献5 9 致 射一6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 3 v u i 广西大学瞩炙士学位论文管内流动沸腾传热实验与j 耳- - - 2 1 1 l 器设计 1 1 选题的背景 第一章绪论 由于石油化工行业发展迅速，在工厂建设或改造时化工工艺设计会面临许许多多的 要求。其中，工艺计算、图纸绘制、流程模拟，还是设备管道配置等都少不了计算机的 辅助【l 】。目前许多化工工艺设计软件已经扮演着越来越重要的角色。可以肯定的是应用 高级设计软件是设计能力的的一种体现，但设计者同时还必须对化工工艺计算机模拟有 了清楚的认识，必须认识到软件的不足之处和适用程度，必须按实际情况灵活应用、对 软件改进与创新，这才是化工设计工作的根本。 化工工艺设计是化工设计的核心【2 】，在非工艺方面起主导、协调作用。在化学工业 中，一项新技术从概念形成到实施投产，一般要经过化工技术的研究、过程的开发、项 目的设计、工程建设、试车投产等几个主要阶段。化工设计将研究、开发的技术及过程 开发的结果与工程建设、试车投产衔接起来，把过程设计与工程设计结合在一起，在保 证生产安全、环境友好等要求的同时，追求提高生产效率和经济效益。化工设计所提供 的方案、数据、图纸、文件等是设备购置、设备制造、施工组织等的重要依据。因而， 无论在工厂的建设中，还是工厂的改造都不能离开化工设计，它是化工基本建设中必不 可少的重要环节。而其中的工艺计算又是化工工艺设计的必要条件与前提，化工工艺计 算的重要内容为根据规定要求进行物料、能量衡算，进而确定设备的工艺尺寸、原材料 的消耗及相应的工艺管道等设计计算等。如果，继续采用传统的设计方法的话，便难于 实现工程的高效化、低成本等方面的最优化过程。目前，利用计算机的高效运算功能可 以进行智能化设计，在大大提高设计精度和速度的同时，还能够实现化工工程设计的整 体优化的目标。因此使用计算机在化工工艺设计中变得越来越重要。 换热器为化工生产过程中实现冷热交换的重要单元设备之一【3 1 。在换热器的设计过 程中，存在着以下三个特点：第一，计算公式复杂繁多，设计过程计算量非常大。第二， 所需原始数据很多、查询范围较大，如物性、结构尺寸等。如果原始数据不准确会直接 影响结果的可靠性与合理性。第三，设计时必须对多种设计方案进行反复比较，选取最 佳结果。 利用计算机可以开发出各种换热器的设计软件，从而提高设计工作者的效率。由于 换热器设计在一定程度上依赖设计人员的经验，换热器类型的不同其设计方法也各为迥 异，因此一个好的软件必须拥有友好的用户界面与良好的人机对话环境，才能利于操作 者进行设计。有些软件操作界面单一，功能简单，再加上设计人员对设计的控制能力弱， 往往得不到很好的设计结果。一个优秀的化工设计软件的出现，会给化工设计者带来许 多便利，从查图手算到计算机数据输入输出，由手工绘制复杂的图纸到现在应用计算机 广西大国钮页士学位论文 管内流动沸腾传热实验与再沸器设计 绘制三维模型，使设计者从大量的工作中解脱出来，设计的结果也可以在电脑中一目了 然的出现了。化工计算机计算需要以三个方面的知识作为基础。一是化工知识、二是数 值计算方法、三是计算机语言的编程能力。无论多么优秀的设计软件也只能作为设计工 作时的辅助工具。对于我们来说，最重要的是掌握好设计的基本知识，在应用计算机的 同时能够了解其设计原理，同时对其创新，这样才可以让设计工作更进一步【4 】。 随着我国越来越多的人口由农业转向工业，对能源的需求量正迅速上升。能源价格 不断上涨，在产品总成本中能源费用部分越来越大。节约能源( 相伴随的是减少环境污 染) 己成为整个社会日益关注的问题，在能耗很大的工业部门，节能工作一直是发展生 产技术、提高竞争能力的重要组成部分。 我国能源供应短缺，而且能源利用效率与发达国家相比有很大差距。采用先进的节 能技术，实施清洁生产计划，改造现有工业装置，按可持续发展战略，实现经济与环境 的同步发展，有广阔的技术市场需求，是永恒的科技研究课题。 化学工业是耗能高的部门，它既要用能源作燃料和动力，又做材料。然而根据报道 国内由原料能转变为最终有效利用能的转化率目前只有2 6 ，换热设备的投资费用占总 投资费用的2 9 3 9 。再沸器是一种石油、化工行业中广泛使用的换热工艺设备，节 能潜力很大。目前其发展动向是提高设备的热效率，促进设备结构的紧凑型。 1 2 国内外换热器计算机程序软件简介 目前国际上己开发了数种管壳式换热器计算程序，早期比较常用的有h t f s l 5 】m e a t t r a n s f e ra n df i r e df l o ws e r v i c e ) 和h t 【6 】( h e a tt r a n s f e rr e s e 鲫e h ，h l c ) ，也可以应用美国 a s p e n t e c h 公司开发的a s p e n p l u s 中的换热器设计模块进行设计、核算和模拟，此 外还有如换热器设计软件换热器大师等。目前h t f s 、b - j a c t 7 公司，现在都被a s p e nt 。c h 公司收购，整合到a s p e n h t f s + 中。 h t 褂是美国传热研究公司研制推出的换热器计算程序，可以进行管壳式换热器、 板式换热器、套管式换热器、加热炉、空冷器、螺旋板式换热器等不同形式换热的计算。 h t 砌程序有设计、校核、模拟三种计算模式，先进行设计计算，输入基础数据，如换 热器型式、流体走向、进出口管嘴的布置、流体温度、压力、流量及物性数据等，设计 计算得出比较合适的换热器直径和换热管长，再进行校核型和模拟型计算，核算所选换 热器是否满足设计要求。操作简单且界面友好，界面中还提供了大量解释说明，设计结 果也能以图表等方式很全面的表现出来。h t r i 的物性数据库比较丰富，它拥有一百余 种常用单组分和混合物的物性数据。如果满足不了用户需求，它还可以直接使用a s p e n 物性数据库的计算结果，并且支持用户自定义的物性数据。 h t f s + 是a s p e np l u s 工程软件包的一部分，它包括管壳式换热器计算、立式热虹 吸式再沸器计算、釜式再沸器计算和空冷热交换器等换热器的计算。该软件包是一套用 于工艺过程设计、模拟及分析的综合工具，与h t 甜一样也有三种计算模式：设计、校 2 3 - 西大萼瞻炙士掌位论文雀i 内流动沸腾传热实验与再沸器设计 核和模拟，基本操作与h t r i 差不多。h t f s + 程序中直接使用a s p e n 的物性数据库，在 计算时可根据物料组成的不同利用数据库中的物性数据，如数据库数据不足或数据不 佳，同样设计者也可自己自定义输入物料的物性数据进行计算。 国内也有不少成功开发出针对不同换热器的软件，如换热器大师等，目前国内的很 多工程软件计算方法基本可靠，专业性也较强，在不断的改进中与世界先进水平接轨。 1 3 面向对象程序设计简介 面向对象的程序设计与面向对象的问题求解方法是当前计算机技术发展的重要成 果和新的趋势之一。面向对象的程序设计和问题求解最主要的特点是符合人们的日常思 维习惯，降低分解问题的复杂程度与难度，提高整个求解过程的可控制性、可监测性和 可维护性，进而达到利用较小的代价换取较高的效率最终获得满意结果的目标。面向对 象的程序设计方法被越来越多地推广和使用，逐渐成为目前公认的主流程序设计方法。 面向对象的方法与面向对象的问题求解已逐步应用于软件的开发、模拟和仿真、c a d 、 图形处理、数据库组织管理等各个领域。它代表了一种全新的程序设计思维方法和观察 表述、处理问题的角度。与传统的结构化程序设计方法存在着很大的区别。而面向对象 的程序设计方法运用于开发软件系统时，采用基于功能的，自上向下的功能分解法设计 出系统结构，从而使软件的易读性和可靠性得以提高，换句话说，它从外部功能上模拟 客观世界【8 】。 v i s u a lb a s i c6 0 ( 以下简称v b 6 0 ) 是一种g r m d o w s 操作系统下的应用程序开发工具， 它继承了b a s i c 语言简单单易用的特点，同时又采用图形用户界面( g u 0 、面向对象及时 问驱动的方法机制，与其他版本的v b 相比，它更增强了a c t i v e x 技术、数据访问、控件、 开发环境、客户机、服务器开放等功能；同时可提供j e t 数据库引擎和o d b cd i r e c t 技术 及多种数据库访问方式；除了自带的可视化数据库管理器外，还可以访问m i c r o s o f t a c c e s s 、m i c r o s o f te x c e l 、m i c r o s o f tf o x p r o ，并且可以通过s q l 通用工业标准化语言进行 数据库操作；另外拥有如d a t a 、t e x t b o x 、l a b e l 、o p t i o n b u t t o n 、c h e c k b o x 、c o m m a n d b o x 、 r e p o r t 等控件支持和强大的文件读写语句、函数，使人们的操作和使用更加方便、灵活。 v b6 0 可以应用到换热器的设计任务上，并解决换热器工艺设计问题，提高设计工作的 效率。 1 4 强化传热技术 1 4 1 强化传热基本理论 2 0 世纪8 0 年代以来，强化传热技术被誉为第二代传热技术，并得到充分发展。根据传 热学的基本公式：q = k a 乃可知增强传热有三条途径：提高换热器的传热系数尺； 增加换热器的换热面抛；增加冷、热流的对数平均温差值a t l 9 。 3 管内流动沸腾传妻垂瑶瞄亨再沸器设计 如果单单从增大换热面积方面来提高热负荷肯定会导致设备的体积十分庞大与设 备制造成本的提高；而选择提高冷、热流的对数温差则会使整个系统能耗增加，因而这 三种方法里面最理想的就是通过提高传热系数k 来实现强化传热的目的。传热学研究表 明，当换热器管的管壁不厚时，并且在稳定的传热条件下，换热器的洁净总传热系数k 可以由式( 1 1 ) 计算得出。 ll艿l i 2 瓦+ 万+ i ( 1 1 ) k a o 九a i 、一j 式中： 管内膜传热系数，w m - 2 i o ； 啦管外膜传热系数，w m - 2 k 1 ； 万换热管管壁厚度，m ； 九换热管管材的导热系数，w m 1k - 。 由于金属材料的导热系数高，换热管壁又不厚，所以在式( 1 1 ) 中潲可以忽略不 计。由此可见，要增大换热器总传热系数需要从换热管两侧的换热系数嘶和入手。我 们需要提高换热管两侧中换热较差一侧的换热系数或者两侧换热系数同时提高，才能用 以提高换热效率，达到生产的最优化和设备的高效化。 1 4 2 强化传热方法分类 ( 1 ) 按照强化技术发展历程分类 按照国际著名传热学家b e r g l e s 的观点，传热技术经历了大约三代历程【l o 】：即以光管、 光通道为代表的第一代传热技术，以平翅片、二维粗糙元、二维肋片等为代表的第二代 传热技术，以及以纵向涡发生器、三维粗糙元、三维微肋、金属丝网等为代表的第三代 传热技术。可以看出，三代传热技术是随着加工制造技术的发展而发展的。 ( 2 ) 按照被强化的传热过程分类 按照被强化的传热过程可以分为：导热过程强化、单相对流换热过程强化、沸腾换 热过程强化、凝结换热过程强化、辐射换热过程强化代。 ( 3 ) 按照强化措施消耗外界能量与否分类 此时强化措施可分为：被动措施与主动措施。 主动强化措施强化设备由于投资和费用很大，机理复杂、伴有噪声和振动，其商业 价值还有待确定，所以目前不对其作重点研究。在被动强化措施强化的方法中，实践证 明，通过改变换热管的内外形状，可以起到很好的强化传热的作用，因此各国学者的对 此进行了很多研究。目前，我国已经在强化单相对流换热、冷凝及沸腾的传热研究上取 得了突破性的进展，研制出一系列新型的强化传热管，其中有螺纹管、螺旋槽管、波纹 管、低翅片管、t 型管、表面多孔管以及管内插入各种材质的扭带进行扰流、交叉锯齿 形带等形式的强化传热元件，并基本上应用到生产过程中，获得了良好的收益。 4 广西大学强炙士学位论文管内流亏爝腾传热实验与再沸器设 n - 1 5 国内外表面多孔沸腾传热研究概况 表面多孔管是上个世纪6 0 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态沸腾，而且具有高的临界热流密度和 良好的抗垢能力等优点 1 2 h 1 4 。多孔表面对水、氟利昂、液氮、烯烃类、苯、乙醇等多 种工质的沸腾换热均有显著的强化作用，故又将其称为高效强化沸腾换热表面。 由于内凹穴是一种较为理想的稳定气化核心，而表面多孔具有大量尺寸较大的稳定 气化核心，因而可以使工质在过热度很小的工况下产生大量气泡，强化核状沸腾换热过 程。实验表明，在池沸腾核态沸腾试验中，表面多孔换热面一般可提高沸腾传热系数2 - - - 2 0 倍【1 i i 。因而在相同热流密度下，表面多孔管换热面的传热温差可以比应用普通换热面时 低得多。此外多孔换热面还能提高大容积沸腾时的临界热流密度。各国学者已提出了一 系列描述表面多孔换热面换热机理的数学模型。 1 9 7 1 年g o t t z m a n n 提出了改进的模型 1 5 1 1 6 1 。认为传热的温差是由成核过热度和液膜 温差组成，但考虑了多孔层厚度6 和孔径分布的影响，并且增加了一个经验常数。其数 学模型为： 畔：鹳 等一拶】 ( 1 - 2 ) 该模型的特点是计算方便，但他以静态单气泡成长为依据，这与实际相差较大。 1 9 7 6 年c o m w e l l 等人通过运动与能量分析提出c o m w e l l 模型【1 7 】。认为蒸汽通过多孔 层孔隙的外逸运动所受阻力对沸腾换热起着主要的作用。他们提出了如下的关联式： 彳ap 1 g = 毛呼) e ) 2 堋 ( 1 3 ) 但是，由于这种换热面中沸腾传热过程的异常复杂性，这些模型只是从某些方面反 映了这种换热机理，对于其的机理还没有全面认识。对于有相变的沸腾传热而言，如汽 化器、蒸发器、再沸器等，提高换热系数的主要方法为增加换热面上的汽化核心及生成 汽泡的频率。在低沸点轻烃介质中高效多孔换热表面可以将沸腾传热换热系数提高近1 0 倍。 对于多孔管内流动沸腾试验国内也有不少学者对其进行了研究。杨冬【1 8 】对垂直上升 多孔表面管内高沸点有机工质异丙苯的强化流动沸腾换热进行了实验研究，研究表明在 实验参数范围内，多孔表面管传热系数是光管的1 8 3 5 倍。同时获得了传热系数与摩 擦压降的计算关联式，说明多孔表面管在强化换热的同时，并没有使阻力增加很多，具有 良好的应用前景。 陈振兴 1 9 1 研究表明多孔表面开始泡核沸腾温差为2 1 ，较光管表面低1 8 ；多孔 表面提供了极大地唯恐表面积，使沸腾蒸发主要发生在孔穴内，且孔穴内液膜极薄，导 致其沸腾传热系数大于光滑表面膜系数，约为光滑表面的2 2 2 倍，而沸腾温差仅为光滑 广西大曹明页士掌位论文管内流动沸腾传热实鬻亨再沸器设计 表面的0 6 5 倍。 廖丽华团】对铝多孔表面管的传热性能进行了研究，结果表明铝多孔表面对强化液体 沸腾换热有显著效果，沸腾传热膜系数比光滑管提高5 - 6 倍。由应用实验和工业数据 获得的管外铝多孔表面沸腾传热膜系数关联式，计算误差小于1 2 。 李冀【2 l 】报道了燕山石化乙烯装置运行已十多年的脱乙烷塔塔顶冷凝器使用情况：铝 多孔表面碳钢管冷凝器比光滑碳钢管冷凝器温差减少2 2 ，传热面积减少1 7 4 m ? ，沸 腾传热膜系数提高6 3 倍，总传热系数提高1 1 2 倍。 孙立成圈以水为工质在常压下对光管、低肋管和机械加工多孔管的流动沸腾传热特 性进行了可视化实验研究。观察分析发现聚合汽泡和块状液体的搅混流动占据了实验段 的大部分；两种强化表面对沸腾传热有一定的强化作用，多孔管的换热能力最好，平均 换热量比圆管提高了大约3 9 ，而低肋管提高了大约3 2 。 1 6 本文主要工作 石油化工领域常常会遇到大量有机液体，在它们的流动沸腾过程中，传热系数远低 于水和其他常规液体的相变传热系数。因此，对沸腾侧传热进行强化，能够有效降低换 热器的换热面积，减少换热器的体积和制造换热器的材料消耗。多孔管可采用机加工、 烧结、喷涂等方法完成【2 3 】，而其中又以烧结型多孔管换热性能最佳洲。由于烧结型多孔 管能在不改变换热器体积大小的情况下使其换热性能大幅度提高，可在传统光滑管换热 器的改造中发挥巨大的作用。 由于国外对于多孔管的研究工作进行得较早，目前工作的重心放在了沸腾强化传热 机理模型的研究上，其强化沸腾换热的实验相对介绍的较少。国内的烧结型表面多孔管 实验由于实验装置的局限仅允许对小型的强化换热管或换热器进行实验研究，并且在多 孔管换热器设计方面研究甚少。目前对于普通光滑管立式热虹吸再沸器的设计已经有了 许多较为完善i 拊方法与步骤，本文在所在课题组研制成功钢管内外表面烧结合金粉末多 孔层低温烧结工艺的基础上以及普通再沸器设计方法步骤上，拟开发出适合烧结型多孔 管的立式热虹吸再沸器工艺设计软件。 具体要完成的内容如下： ( 1 ) 实验研究长度为1 7 m 左右的表面多孔管竖直管内流动沸腾，数据处理得到竖直 管内流动沸腾情况下的总传热系数以及沸腾侧的沸腾传热系数。拟合出烧结型多孔表面 流动沸腾传热系数关联式，能够对高通量再沸器设计提供依据。 ( 2 ) 普通立式热虹吸再沸器软件开发，其设计结果与具有权威性的设计软件进行比 较，确保设计软件的可靠性。 ( 3 ) 开发出烧结型多孔管立式热虹吸再沸器设计软件，希望对高通量再沸器的设计 以及旧厂改造工作中的再沸器优化起到一些指导性作用。 6 广西大学页士掌位论文管内流动沸腾传热实验与再沸器设- g + 第二章烧结型表面多孑l 管管内流动沸腾传热实验与性能评价 2 1 烧结型表面多孔管 烧结型表面多孔管的研究始于上世纪6 0 年代。1 9 5 6 年美国人m i l t o n 进行了烧结多孔 薄层应用于换热结构的研究，并于1 9 6 8 年申请了烧结型表面多孔材料方面的第一个专 利。相似的专利相继于1 9 7 3 年、1 9 7 4 年、1 9 7 7 年获得批准，使烧结工艺渐渐成熟。美国 联合碳化物公司( 现u o p 公司) 买断了该四项专利，推出著名的h i g h f l u x t m 商用表面多 孔管( 外表面开槽烧结型表面多孔管) 。该公司将烧结多孔换热管用于乙烯分离塔中， 仅用2 7 8 7 m 2 的传热面积就能代替2 0 0 6 7 m 2 的光滑表面【冽。扬子石化、扬子一巴斯夫、镇 海炼化、吉化公司等于1 9 9 6 - 2 0 0 6 年进口了数百吨h i g h f l u x 高通量换热管在国内制成换 热器，用于新建芳烃、乙二醇、焦化装置及其扩容改造，换热效果成倍提高。 据实验及工业化应用情况，表面多孔管主要对沸腾传热有显著强化作用【2 6 】，沸腾传 热系数可比光管提高一个数量级，用于流动沸腾工况下换热器的换热系数在相同工况下 能比普通光管换热器提高2 0 - - 5 0 。由于烧结型表面多孔高通量换热管具有十分优异的 强化传热性能( 大传热系数) ，应用前景广泛，潜在市场需求巨大。其优点如下： ( 1 ) 应用于新建设备可大幅降低传热面积，减少设备体积及重量，节省投资。 ( 2 ) 应用于现有设备的改造( 换芯) ，可节省蒸汽用量，同时还可为装置下一部扩能 提负增效预先做好准备。 2 1 1 烧结型表面多子l 管简介 图2 - 1 外表面烧结多孔管图2 - 2 内表面烧结多孔管 f i g2 - 1t h eo u t e rs u r f a c eo f s i n t e r e dp o r o u sm b e f i g2 - 2t h ei n n e rs u r f a c eo f t h es i n t e r e dp o r o u st u b e 强化沸腾传热主要是通过将热传递表面特制成粗糙表面。表面多孔管就是一种理想 的高效传热元件，与光滑管相比能成1 0 倍地提高沸腾膜换热系数跚幽】【2 9 】，并将沸腾温差 降低为光滑管的1 7 - 1 8 1 3 0 1 ，临界热负荷提高2 倍左右【3 l l 。外表面烧结多孔管见图2 1 、内 表面烧结多孔管见图2 2 所示。 表面多孔管的加工方法有：烧结法、机加工法、火焰喷涂法、化学腐蚀法、激光加 7 广西大学瞻页士学位论文管内流动沸腾传热实验与再沸器设计 工法等。其中以烧结法制造的传热性能最好。但是传统的工艺烧结温度很高，时间很长； 紫铜粉末的烧结温度甚至达到则9 6 0 ，烧结时间在8 h 以上，即使经过活化烧结等改进， 烧结温度仍然在8 6 0 以上。过高的温度和烧结时间易造成基体管材变形、组织及性能 恶化；还会导致生产能耗加大和设备寿命降低。尽管这种表面结构具有很好的换热特性， 但是，这种管的加工工艺却十分复杂。 目前，对再沸器强化传热应用比较成功的应用是烧结型高通量多孔表面管的应用。 2 1 2 表面多孔强化传热机理 烧结型表面多孔管是采用粉末冶金方法在光管( 沸腾侧) 内表面或者外表面烧结一 薄层多孔层，结构图见图2 3 。烧结型表面多孔管是一种高效换热管，可显著强化沸腾 传热，对烷烃、烯烃、芳烃类、醇类、水、氟利昂、液氮等多种工质的沸腾换热均有显 著的强化作用。 其强化传热机理可总结为以下三点： 卜管子基体2 一烧结多孔层3 一内凹孔穴4 一气泡5 一液体 图2 - 3 多孔表面管示意图 f i g2 - 3p o r o u ss u r f a c et u b e ( 1 ) 沸腾传热速率与传热面产生气泡的速度密切相关，光滑表面上产生气泡的汽化核 心是原有的表面缺陷处，表面多孔管有无数个人造汽化核心，大大加速了气泡成核速度。 ( 2 ) 相互连通的多孔层在气泡长大和逸出的同时，因虹吸作用，加速了局部液体的搅 动产生整体对流传热。所以，烧结型表面多孔管沸腾传热主要以隧道内液膜与壁面 间的对流传热、薄膜蒸发、整体对流三种方式进行。 ( 3 ) 表面多孔层增大了传热面积。 2 2 管内流动沸腾传热实验装置与试样 2 2 1 实验目的和要求 ( 1 ) 进行多孔表面管和相同材质规格的光管的沸腾传热性能的对比实验。 ( 2 ) 给出管内水沸腾时管内沸腾传热系数随温度、流量、气化率、热通量参数的变化 8 广西大掣凋霸士学位论文 管内流动沸腾传期h 恕验与再沸器设- h 规律，并将多孔表面管和光管的沸腾传热性能进行比较。 ( 3 ) 给出多孔表面管与光管的总传热系数k 。 ( 4 ) 对试验结果进行分析，总结出适合多孔表面管的流动沸腾传热系数计算关联式。 2 2 2 实验流程及装置 2 2 2 1 实验装置流程介绍 电 温 流 图2 - 4实验装置初械部分实物图 f i g 2 - - 4f i g u r eo fm e c h a n i c a lp a r t s 试验装置实物见图2 _ 4 ，其整个系统是一个多功能传热实验台【3 2 l ，其方案是在同一 传热实验台上，采用流程控制的方法，实现1 0 种单管管内和管外的多种工况和介质的传 热性能测试。本实验采用的是立式单管管内管外的流程。本实验流程如图2 5 所示。 试验流质为水，压力为常压，热水箱中的水被离心泵送出，经过涡轮流量计进入预 热器被加热至接近沸点温度，然后进入试验段，与蒸汽发生器产生的蒸汽( 蒸汽压力最 高0 4 m p a ) 进行换热，从而沸腾。离开换热段的两相流进入了汽液分离器，气相向上流 入冷凝器被冷却为水，冷凝液由烧杯收集称重测量，可以得到管内沸腾的气化量。液相 则返回热水箱。蒸汽发生器产生的蒸汽在套管换热器内冷凝，蒸汽放出潜热变成相应压 力下的饱和水顺着换热管壁流下，积聚起来的冷凝液沿着套管的下端出口流进储液罐 中。储液罐上装有液位计，读取可测量蒸汽的冷凝量。 9 广西大掣啊页士学位论文管内流霉甥i 腾传期恕验与再沸器设计 图2 5 流动沸腾试验装置流程图 f i g 2 - 5f l o wc h a r to ff l o wb o i l i n gi nv e r t i c a lp i p e 实验中使用到的主要设备为热水箱、温度控制仪表、调节阀、离心泵、预热器、冷 凝器、套管换热器、蒸汽发生器、气液分离器、储液罐、涡轮流量传感计、机械压力表、 热电偶和数据采集系统，具体见表2 1 。 表2 1 实验中主要设备列表 t a b l e2 - 1m a j o re q u i p m e n to fe x p e r i m e n t 2 2 2 2 实验管规格参数 管材为1 0 # 钢，外径为2 5 r a m ，壁厚2 5 m m ，长度为1 8 5 m ，参与换热长度应为套管 1 0 广西大尊顷士掌位论文 管内流动沸腾传期嘈垂验与再沸器设计 换热器的套管长度( 1 7 2 m ) 。具体参数见表2 2 。 多孔表面形貌如图2 6 所示，经过试验测量孔隙率约为o 6 ，多孔层厚度为 o 1 o 2 5 m m 。 表2 - 2 两种实验用换热管的基本参数 t a b l e 2 - 2t e s t e dt u b e s p a r a m e t e r s 材质管长 外径壁厚孔隙率 多孔层厚度 光管1 0 # 1 8 5 m2 5 m m2 5 m m 多孔管1 0 #1 8 5 m 2 5 m m2 5 m m0 6 0 1 卸2 5 m m 图2 - 6 表面烧结多孔层形貌 f i g 2 - 6m o r p h o l o g ym a po fp o r o u sl a y e r 2 2 2 3 试验段参数 试验段为一套管式换热器结构，壳程是由长度为1 7 2 m 、内径6 6 i 砌的不锈钢圆筒， 在中间有一个玻璃视窗，两头由法兰夹紧密封，套管换热器见图2 7 。 图2 - 7 套管换热器详图 f i g 2 7t u b eh e a te x c h a n g e r 换热管与筒体之间由o 型密封圈、垫片和两个夹紧环配合密封，这种方法具有良好 的密封效果，安装方法如图2 8 。同时为了保证蒸汽的不泄露，在实验时，将本实验中 使用到的管路与其他管路法兰连接之间都用盲板将其分别盲死。 广西大掣啊炙士掌位论文管内流动沸腾传热实验与再沸器设- t - i - c 目 螺栓 图2 - 8 换热管与简体安装连接示意图 f i g 2 - 8t u b ea n d s h e l la s s e m b l yd r a w i n g 2 2 2 4 其他设备介绍及参数 ( 1 ) 热水箱 在管程回路中，热水箱起到加热与蓄水功能。 热水箱容积：0 2 5 m 3 热水箱加热功率：2 0 k w ，由4 根5 k w 的电加热棒并联组成。 温度控制仪表由单片机控制，由热电阻p t l 0 0 输入信号，输出方式为继电触点开关输 出；主控方式除常规两位式外，在传统p i d 控制算法基础上，结合模糊控制理论创建了新 的人工智能调节p i d 控制算法，经仪表白整定的参数后的控制效果为热水箱出口温度偏 差维持在士2 以内。 为了试验安全，在热水箱中还增加了液位高度计，一旦热水箱中的液位低于设定高 度，控制箱上的报警装置会自动切断加热电源并提醒实验人员。 ( 2 ) 预热器 预热器的功能是补偿管程管路的热量损失的同时，对流体进行加热，确保套管换热 器进口为泡