（轮机工程专业论文）新型细薄膜蒸发器的实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fan o v e le v a p o r a t o r w i t ht h i n f i l me v a p o r a t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n gh o n g d u n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r m a h o n g b i n p r o f e s s o rp a n x i n x i a n g j u n e2 0 1 1 吣9jjjjji_2 69眦8iii_y ， 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文! 堑型绳蓥堪苤筮矍的塞验硒窥= = 。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：猛数 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密团( 请在以上方框内打“4 ) 鼢醐 隰砍 名签者作文论 一 ， - f 中文摘要 摘要 由于能源成本的增加以及能源资源的减少，高效传热系统在现代轮机的发展 中起着越来越重要的作用。本文研发了一种采用细薄膜蒸发的新型蒸发器，细薄 膜蒸发能够实现比传统核沸腾更高的传热系数。文中研发的新型蒸发器采用了在 铜管内壁烧结铜粉颗粒形成微结构的蒸发表面，通过这种方式可以提高细薄膜蒸 发区域的数量，获得高蒸发传热系数。此外，本文还提出了一种形成烧结式微结 构吸液芯的制作过程，利用此过程可以在蒸发表面制成均匀一致的毛细结构。为 了验证采用细薄膜蒸发的新型蒸发器的传热性能，本文制作了尺寸大小一样的核 沸腾蒸发器，并对其传热性能进行了对比。实验结果表明，采用细薄膜蒸发的新 型蒸发器能够提高传热性能。本文的研究有利于进一步理解细薄膜蒸发器强化传 热机理。 关键词：传热性能：细薄膜蒸发；烧结；强化传热 r i 英文摘要 a b s t r a c t d u et ot h er i s i n gc o s to fe n e r g ya n dt h ed e c r e a s i n ga v a i l a b i l i t yo fe n e r g y r e s o u r c e s ，h i g h l ye f f i c i e n th e a tt r a n s f e rs y s t e m sp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mm a r i n ee n g i n e e r i n g i nt h ec u r r e n ti n v e s t i g a t i o n ，a l l i n n o v a t i v ee v a p o r a t o ru s i n gt h i nf i l me v a p o r a t i o ni sd e v e l o p e d t h i nf i l me v a p o r a t i o n c a na c h i e v eh ig h e re v a p o r a t i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt h a nc o n v e n t i o n a ln u c l e a t e b o i l i n gh e a tt r a n s f e r t h en e we v a p o r a t o ri n v e s t i g a t e dh e r e i nu t i l i z e ss i n t e r e dc o p p e r p a r t i c l e sf o rm i c r o s t r u c t u r e de v a p o r a t i n gs u r f a c e ，w h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e t h et h i nf i l mr e g i o nf o rh i g h e re v a p o r a t i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t an e wa p p r o a c h f a b r i c a t i n gs i n t e r e dm i c r o s t r u c t u r e dw i c k si sd e v e l o p e d w h i c hc a nh e l pt of a b r i c a t e t h eu n i f o r mw i c k so nt h ee v a p o r a t i n gs u r f a c e i no r d e rt od e m o n s t r a t et h e h e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h en e w l yd e v e l o p e de v a p o r a t o ru s i n gt h i nf i l me v a p o r a t i o n ， a ne v a p o r a t o rb yt h en u c l e a t eb o i l i n gi sd e v e l o p e df o rc o m p a r i s o n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ee v a p o r a t o ru s i n gt h i nf i l me v a p o r a t i o nc a l lh e l pt oi n c r e a s et h e h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e t h ei n v e s t i g a t i o nc a nr e s u l ti nab e t t e ru n d e r s t a n d i n gh e a t t r a n s f e rm e c h a n i s m so c c u r r i n gi na ne v a p o r a t o ru s i n gt h i nf i l me v a p o r a t i o n k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ；t h i nf i l me v a p o r a t i o n ；s i n t e r e d p a r t i c l e s ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 1 l 目录 目录 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 2 国内外研究现状 1 3 本文的主要研究内容 第2 章细薄膜蒸发 2 1 细薄膜蒸发原理 2 2 细薄膜蒸发优势 2 3 常见的细薄膜蒸发形成方式 2 3 1 规则微槽道1 2 2 3 2 多孔烧结13 2 4 本章小结15 第3 章蒸发器制作和实验台搭建1 6 3 1 蒸发器的设计与制造1 6 3 1 1 蒸发器的设计一1 6 3 1 2 蒸发器的制造1 7 3 2 实验系统2 4 3 3 实验装置的设计与选择2 7 3 3 1 数据测量采集系统2 7 3 3 2 系统其它装置的设计与选择3 l 3 4 本章小结。3 2 第4 章实验过程及结果分析3 4 4 1 实验步骤3 4 4 1 1 系统试漏与检漏3 4 4 1 2 制冷系统抽真空3 7 4 1 3 制冷剂的充注3 8 4 1 4 加热量的调节4 0 目录 4 2 实验结果分析4 0 4 3 本章小结4 3 第5 章结论与展望4 5 5 1 结论4 5 5 2 展望4 6 参考文献4 7 致谢51 研究生履历5 2 新型细薄膜蒸发器的实验研究 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界范围内的能源供应形势变得十分严峻，能源闯 题随之也被列为世界能源、粮食、人口、资源和环境五大问题之一。人们开始大 量关注有效利用能源、节约能源、开发新能源等问题【l 】，对于我国来说，改革开 放以来，我国能源工业得到长足发展，但我国人均能源占有量相对不足，仅为世 界平均占有量的4 0 , - - - , 5 0 ，能源工业供应紧张，全国约有2 5 的工业生产能力 由于缺乏能源不能正常运转，能源短缺成为制约我国经济发展的一个重大瓶颈。 在能源短缺的同时，我国又存在着能源有效利用率低的矛盾。统计资料表明，我 国总的能源利用率约为3 0 ，远远落后于发达国家现在的水平【2 】。因此，落实可 持续发展战略，开发节能技术是缓解我国经济发展中能源供需矛盾不可缺少的措 施。 我国作为最大的发展中国家，已经跻身于世界航运大国的行列，随着我国对 外贸易的迅猛发展，每年对外进出口货物的9 3 , - - - - 9 5 是通过海上运输的方式来 实现的，其中不少货物必须通过冷藏运输方式完成，据鲁里航运咨询中心报道， 预计到2 0 1 2 年，全球冷藏食品和其它产品总共有6 5 0 0 万吨需要冷链服务支持， 其中大约2 2 0 0 万吨需要冷藏船，3 6 0 0 万吨需要冷藏集装箱从产地输往世界各地 市场，预计到2 0 1 5 年将达到1 0 9 亿吨。以冷藏集装箱运输为主体的全球冷链服 务需求在可以预见的将来将是供不应求。此外，渔船、海上作业船、军舰等为了 满足生活、生产和特殊设备的需要，均设有制冷装置，制冷装置已是船舶营运不 可缺少的重要设备之一【3 1 。 随着制冷技术应用的日益广泛，制冷装置消耗的能源也在迅速增加，而且燃 油成本的不断提高，使船舶的营运成本成为船舶航运经济性的重要指标，节能减 耗是目前船舶营运经济性的主要努力方向之一。作为制冷系统的关键部件，制冷 蒸发器的换热效率，直接影响制冷装置的效率及能量消耗，如何强化制冷蒸发器 的换热效率是当前对制冷系统节能研究的热点之一。 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代发生的石油危机有力的促进了强化传热技术的发展。为了提 高工业生产的经济效益，实现节能降耗，要求开发适用不同工业过程要求的高效 换热设备【4 】。研究强化传热元件是设计制造新型高效换热设备的基础，二十余年 来，换热器的开发与研究和强化传热技术始终是人们关注的课题【5 1 。美、同等 国的学者着眼于换热与热阻的联系，将采取强化换热措施后获得的收益与付出的 代价联系起来，把目光集中于工程应用，提出了对流换热强化的分类方法，根据 强化传热是否需要额外的动力分为被动技术和主动技术，被动技术不需要额外的 功率消耗，主动技术需要借助于外加动力如机械力和电磁力等 6 - 9 1 。 细薄膜强化传热属于一种被动技术，目前对于细薄膜强化传热的机理以及形 成细薄膜的各种结构形式的研究尚未成熟，对细薄膜蒸发而言，汽液界面相互 作用及其相变过程以及持续“维持 并尽可能“扩展 细薄膜蒸发区域对于提高 细薄膜蒸发的能力至关重要，而目前在这方面的研究还很肤浅。 在上述背景下，本文将围绕相交传热传质机理开展应用基础研究，设计制造 出一种新型蒸发器，采用多孔烧结表面增加了细薄膜区的数目，以期有效的强化 蒸发换热，提高传热效率，减小蒸发器体积，降低金属材料消耗，实现热能的有 效利用。本文的研究对增强我国在强化传热与新型制冷技术研究领域的源头创新 能力，推动细薄膜蒸发技术在船舶应用具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 研究表吲1 0 】，对于制冷剂空气或制冷剂载冷剂的蒸发器传热过程的主要热 阻在空气或者载冷剂侧，在载冷剂或空气侧采用了高效肋片以后，热阻的分配比 例将改变，载冷剂或空气侧的热阻下降到5 0 左右，其余一半左右的热阻为制冷 剂侧热阻和管子与翅片间的接触热阻，因此强化管内制冷剂侧的换热具有重要意 义。 强化蒸发器管内侧的换热传统上是强化流动沸腾换热。强化管内流动沸腾换 热的方式可分为两大类：主动技术和被动技术，被动技术由于不需要其它附属设 备和消耗额外功率，在工业生产中的应用比主动技术更为广泛，按照b e r g l e s 6 , 7 】 2 新型细薄膜蒸发器的实验研究 的分类，被动技术主要采用表面处理、粗糙表面、扩展表面、扰流元件、旋流发 生器、表面张力器件和添加物等方式。 被动技术中的换热表面特殊处理方法可有效提高管内侧强制对流换热系数。 表面特殊处理法可以采用烧结法使换热表面形成多孔覆盖层，也可以采用机械加 工使换热表面形成多孔表面。由于管子内壁较难进行机械加工，一般采用烧结法 使管子内壁形成一层多孔金属覆盖层】，采用此种方法可以扩展形成更多的成核 点，从而强化传热。 林宗虎【1 2 】等曾以r 1 1 为工质研究了美国联合碳化物公司生产的内壁带多孑l 烧结金属覆盖层管子中的沸腾换热系数。管子的内径为7 0 7 r a m ，质量流量为 0 9 7 9 s - 2 0 1 7 9 s ，实验压力为0 1 7 m p a 0 2 7 m p a ，热流密度为1 4 k w m 2 2 8 k w m 2 ，管子出口干度为0 - - 9 0 。研究结果表明，与光管相比，r l l 在内壁 带多孔金属覆盖层中的沸腾换热系数可提高一倍左右。 刘建新和金海波1 1 3 】进行了光滑管和内壁带多孔烧结覆盖层的多孔管的沸腾 传热实验，实验以丙酮为工质，得出结论，随着热流密度的增加，多孔管的沸腾 传热系数迅速增大，而光滑管的沸腾传热系数则增加缓慢，在热流密度达到1 5 k w m 2 时，多孔管的沸腾换热系数约为光滑管的5 6 倍。 k u z m a - k i c h t a 和k o m e n d a n t o v 等【h 】以r 1 1 3 和水为工质研究了内壁带烧结多 孔层的直管、光滑螺旋管、光滑直管和内壁带烧结多孔层的螺旋管内的临界热流 密度变化工况。以水为工质研究的水平直管中内壁带烧结多孔层及管内插有纽带 后的临界热流密度，实验得出结论，在压力p ：o 5 m p a ，x 一0 2 时，烧结多孔层 管的热流密度在低质量流速时比光滑管和茶油纽带的光滑管都高，比光滑管的热 流密度约高3 5 倍，当质量流速增高到10 4 k g ( m 2 s ) 时，多孔管的热流密度增长较 低，但数值仍比光滑管高2 倍，当质量流量为3 0 0 0k ( m 2 s ) 时，插有纽带的光滑 管的热流密度比光滑管高出约3 0 。同时，通过研究水平布置多孔管从过冷沸腾 区一直到过热蒸汽强制对流换热区对管壁温度和脉动强度变化的影响，得出结 论，多孔层管可以比光滑管明显推迟传热恶化和壁温飞升的工况，多孔层管壁温 脉动强度也低于光滑管。 3 第1 章绪论 文献【1 5 】从分析多孔烧结层结构参数对沸腾换热的影响以及沸腾换热机理出 发，得到确定多孔层最佳结构参数的准则公式，其适用于水、r 1 1 3 、酒精；多 孔颗粒材料为铜、青铜；热流范围1 w e r a 2 , - - - 3 0 w e r a 2 ，供工程设计借鉴。 应用扩展表面法强化传热，要在管道内部扩展换热表面只有采用内肋管【】， 内肋管可以分为内直肋管和内螺旋肋管，采用此种方法之所以能够强化传热，主 要是因为内肋会使总换热内表面积增大。 k u b a n e k 和m i l e t t i 1 6 】等曾用r 2 2 对光滑管、内螺旋高肋管和内直肋管进行 了沸腾换热系数的实验研究，换热系数的计算都是按照光管换热面积计算，实验 结果表明，各内肋管的换热系数可比光管高几倍，在质量流量大于1 0 0k g ( m 2 s ) 时，带5 条肋片的星形内肋管的换热系数小于其它几种内肋管，但在蒸发器实际 最佳质量流量范围内，其换热系数最高，在实验工况下，内螺旋高肋管的换热系 数与内直肋管相近。 m u z z i o ，n i r o 和a r o s i o 【1 7 】曾以r 2 2 为工质对几种有代表性的内螺旋微肋管的 阻力特性和沸腾传热进行了实验研究，并与光滑管进行了比较。3 种实验用内螺 纹微肋管的结构包括尖肋梯形槽v 管、尖顶尖槽w 管和高低尖肋梯形槽v a 管， 用传热强化因子表示强化传热管与相应光滑管的换热系数之比，实验得出结论， v a 管的强化换热倍数最高，在3 种管中w 管的传热强化因子最低，在1 2 - 一3 4 范围内，v a 管的强化因子比v 管平均高2 0 - - 3 0 ，对不同的质量流量相应在 1 6 - - 4 0 范围内。 清华大学吴晓敏等【1 8 】曾对4 种内螺纹微肋管和相应的同外径光滑管进行了 压力降和换热实验，这些实验管水平布置，得出结论，在实验条件下，两根外径 为9 5 2 m m 管子的沸腾换热系数比光管分别提高了1 3 0 和1 8 0 ，但其内表面积 只增加了4 0 和7 0 。 重庆大学催文智等【1 9 】以r 1 3 4 a 为工质对具有内螺旋微肋的螺旋管的传热强 化因子和沸腾传热工况进行了可视化实验研究，随着流量和干度的变化，流行划 分为泡状流、塞状流、分层波状流、间歇流以及环状流。并在t a i t e l d u k l e r 流型 图上给出了流行的转变及其分区曲线，讨论了螺旋管内两相流动流型转变的特 4 、 新型细薄膜蒸发器的实验研究 性，微肋螺旋管在实验范围内，强化因子在热流密度为2 0k w m 2 时为1 5 - 1 8 ， 在热流密度为1 1k w m 2 时为1 6 2 1 ，并且强化因子随质量流量增大有减小的 趋势。 以上研究主要是针对强化核沸腾传热，并大大提高了核沸腾传热传热系数， 随着对蒸发传热理论的进一步研究，人们发现细薄膜蒸发可以大大提高传热系 数，并开始开展对各种规则槽道的细薄膜蒸发研究，如三角形槽道、梯形槽道、 矩形槽道、正弦曲线槽道、毛细管等。 矩形槽道和三角形槽道是近几年研究最多的两种规则槽道。三角形槽道热流 连续，应用广泛，而矩形槽道相比三角形槽道液体流动摩擦力小，轴向截面积大， 有利于承载大热流。除了上述两种形状槽道以外，正弦曲线形槽道和梯形槽道在 以往实验里也有研究。 杨国忠【2 川对横圆管外表面周向微细矩形槽道内的细薄膜蒸发换热开展了深 入的理论分析，并建立了完整的数学模型，通过实验验证了该数学模型的准确性， 研究结果表明，蒸发换热系数随蒸发压力的升高而增大，随过热度的升高逐渐降 低，随无量纲液位的降低迅速升高，而且在一定范围内增大槽道深度和减小槽道 节距有助于提高蒸发换热系数。设计了微型的细薄膜低压水蒸发器，且将其应用 于设计制冷功率为1 0k w 的微型硅胶水固体吸附式制冷机，对微型制冷机样机 进行了实验研究，实验结果表明细薄膜蒸发器运行稳定可靠。对某1 0 0k w 小 型硅胶水固体吸附式制冷机内的细薄膜低压水蒸发器进行了理论分析，并与实 验结果进行了比较。当槽道壁面过热度at - - 0 8 8 ，蒸发饱和温度t e = 1 0 8 时，细薄膜低压水蒸发器蒸发侧换热系数实验值为2 9 8 9 w ( m 2 k ) ，而根据数学模 型计算得到的值为3 7 5 2w ( m 2 k ) ，计算值较实验值高出2 5 5 ，所建数学模型能 够较为准确地模拟细薄膜蒸发换热。 王金亮【2 l 】在1 9 9 9 年对微细毛细管内的蒸发传热过程进行了理论分析，提出 了其传热性能的计算方法，并作了实例计算。结果表明，虽然过渡液膜区面积非 常小，但蒸发换热系数极高( m w m 2 级) ，因此其吸热量与固有弯月面区处于同 一量级。研究还表明，随着毛细管半径的增大，毛细管内蒸发过程的平均换热系 5 第1 章绪论 数迅速下降。但文章没有对过渡液膜区液态工质流动状况加以探讨。 q u 等【2 2 】对内径从lum 一- 1 0 0 | lm 的毛细管进行了深入的实验研究和理论分 析，通过汽液质量守恒得到了蒸汽流速，其建立的数学模型考虑了沿毛细管轴 向的汽相压力降、汽液界面的温度梯度、蒸汽流动等因素对细薄膜蒸发区域的 影响。搭建了细薄膜蒸发换热系数测试装置，实验用毛细管为内径0 1 6 8 m m ，外 径0 3 1 2 m m 的石英玻璃管，用1 0 0 倍的生物显微镜观察动态接触角的情形，实 验中直流电流的加热电流从小到大，再从大到小，以观察前进和后退动态接触角 的差异。实验和理论分析均表明：对微型毛细管，外部热流与细薄膜蒸发区域长 度成反比，随管内径增大细薄膜蒸发区域略有增加。相同热流时，后退动态接触 角小于前进动态接触角。 x u 和c a r e y 【2 3 】针对倾斜三角形槽道建立了数学模型，该模型假定细薄膜蒸 发区域端点总是与槽道顶点相吻合，脱离压力是影响和控制过渡液膜区液膜流动 蒸发的主要因素，将表面张力和脱离压力相等的点作为固有弯月面区和过渡液膜 区的交点，分析时甲醇脱离常数取1 o 1 0 j 1 。文章还开展了实验研究以验证该 数学模型。研究得出结论：动态接触角与蒸发换热系数成反比关系，而且沿槽道 轴向固有弯月面区汽一液界面曲率增大方向，槽道轴向截面平均蒸发换热系数逐 渐增大。 p e t e r s o n 和m a 2 4 】在1 9 9 6 年以微型热管为载体，对三角形槽道内的最大传热 能力进行了研究。为了预测最大传热量和最小汽液界面曲率半径，文章建立了 数学模型。研究结果表明：动态接触角、槽道底角、蒸汽特性和流动速度、槽道 长度、槽道倾角等因素都会对三角形槽道的传热能力产生影响。 1 9 9 6 年，h a 和p e t e r s o n 2 5 】对倾斜三角形槽道进行了理论研究。研究假设对 任一槽道轴向截面固有弯月面区汽液界面曲率处处相等，而且沿槽道轴向的液 态工质流动主要集中在固有弯月面区。作者认为细薄膜区传热主要集中在过渡液 膜区，从而忽略了固有弯月面区的传热量。作者对过渡液膜区进行了深入细致的 研究，最后得出结论：在液膜厚度增加的过程中，平均和局部蒸发换热系数均经 历了一个迅速增大然后缓慢降低的过程，因为热流增加的原因，过渡液膜区和固 6 l l 新型细薄膜蒸发器的实验研究 有弯月面区交点液膜厚度随动态接触角的减小而增大，而且过渡液膜区长度也随 热流增加而增大。 1 9 9 7 年m a 与p e t e r s o n 【2 6 】建立了一个用于预测传热系数、细薄膜轮廓以及三 角沟槽中由毛细作用诱导的液体流动沿轴向的温度变化模型，该模型证实了大部 分传热发生在细薄膜区域，并且指出了随着热通量的增加，通过细薄膜区域的传 热比例在摩擦切应力、脱离压力以及表面张力的影响下也随之增加。另外还得到 如下结论：在低热流密度的情况下，可以忽略微区域中温度增加导致的表面张力 变化。 文献【2 7 1 建立了毛细管内热毛细对流的物理数学模型，并使用f l u e n t 软件 对多种工况下的热毛细对流进行了数值模拟，确定了了毛细管内的温度场和速度 场分布，作者分析了弯月面上热流密度大小及分布、浮力、毛细管管径等对热毛 细对流的影响，并得到下列结论，毛细管弯月面上的蒸发并非均匀，蒸发热流密 度沿径向逐渐增加，这使得毛细管弯月面上存在温度梯度，在弯月面平均蒸发热 流密度和毛细管管径一定时，弯月面上热流密度沿径向增大的越快，得到的弯月 面上最低温度越低，而且最低温度点向壁面转移。 w a y n e r 等【2 8 】和h a l l i n a n 等1 2 9 】对细薄膜区的蒸发现象和诱导流动建立了数 学模型并进行了实验研究。研究得出结论：细薄膜区承载了大部分的热量传递， 从而证明了细薄膜区域对总蒸发传热系数是十分重要的，但预测的热流密度分布 和实验得到的最大热流密度相差很大。研究还表明在细薄膜区域中存在非等温的 界面条件，当热流密度较低时，可以忽略蒸发过程中的热毛细力和细薄膜区的诱 导流动。 a y y a s w a m y 等【3 0 】对三角形槽道内的毛细流动进行了理论分析，分析假定液 体自身重力远小于流动时的摩擦力，忽略了蒸汽流动对液膜的剪切力，研究得出 结论，相同槽底角度时，摩擦系数与接触角成正比关系。 d a s g u p t a 等【3 1 】分析了槽宽为2 i lm 的矩形槽道在大热流下的细薄膜蒸发， 并基于扩展的y o u n g l a p l a c e 方程建立了数学模型。研究结果表明脱离压力会对 热流大小产生影响，而且在完全润湿的情形下，表观接触角将介于2 4 8 。- - - 2 5 6 7 第1 章绪论 。之间，作者利用有限单元法对固有弯月面区进行建模，对过渡液膜区按层流边 界层处理，求解得到了汽一液界面温度和蒸发速率即汽液界面热流。 t s u k a m o t o 等【3 2 1 测试了一种微型细薄膜蒸发器，并用其代替微型热管冷却一 加热单元。在一水平金属板上加工多条平行梯形槽道，从槽道两端进液，从槽道 上方引出蒸汽。实验结果表明，对一定的液体进口流量，存在一个临界热流，当 热流超出该值时冷却效果恶化，微槽表面被蒸汽覆盖，加热单元温度迅速升高。 增加液体进口流量有利于提高临界热流，通过对比实验，表明该微型细薄膜蒸发 器冷却性能要优于微型热管。 m a 和p e t e r s o n 2 6 1 认为扩展弯月面传热主要集中在过渡液膜区，文献【3 3 】认为 过渡液膜区传热主要集中在与平衡稳定液膜区临近的区域，同时，作者给出了无 量纲膜厚随壁面位置的变化情况。文献认为固有弯月面区与过渡液膜区吸热 量处于同一量级，但也有研究认为细薄膜吸热主要分布在固有弯月面区【3 4 1 。在 工程应用方面，以往针对细薄膜型蒸发器开展的实验研究较少，且局限于各种规 则槽道的细薄膜蒸发研究，如三角形槽道、梯形槽道、矩形槽道、正弦曲线槽道、 毛细管等，其应用主要局限于在微小尺度领域，如航天设备内部元器件冷却、计 算机芯片冷却等，细薄膜区域的蒸发传热机理和流体流动机理并没有得到充分理 解，而且目前还没有将细薄膜蒸发应用到船用蒸发器的研究，因此，为深入理解 细薄膜区的蒸发和流动，需要对影响细薄膜区微尺度传热和流动的因素进行大量 的理论与实验研究。本文将利用烧结微结构实现细薄膜蒸发，研发船用细薄膜蒸 发器。 1 3 本文的主要研究内容 本文搭建了一套制冷实验台用于研究细薄膜蒸发器的传热性能，设计了细薄 膜蒸发器，并研发了一套烧结细薄膜蒸发器的芯棒对中固定装置。本课题重点研 究内容为： ( 1 ) 搭建了一套用于研究细薄膜蒸发器传热性能的制冷实验台； ( 2 ) 设计和制造细薄膜蒸发器，包括研究细薄膜蒸发器的制造过程以及烧 堑型塑翌堕蔓茎鲎塑塞丝堕窒一 结吸液芯制作装置； ( 3 ) 研究在制冷量、蒸发压力、冷剂流量、蒸发器表面积相同的情况下， 细薄膜蒸发器与传统核沸腾蒸发器的传热性能，并对两种蒸发器的整体传热系数 和对数平均温差进行对比。 9 第2 章细薄膜蒸发 2 1 细薄膜蒸发原理 第2 章细薄膜蒸发 平衡稳定液膜区i过渡液膜区i 固有弯月面区 i - - i 一 y 。 l 一3 啉 磊 _ j。 图2 1 细薄膜区简图 f i g 2 1s c h e m a t i co ft h i nf i l mr e g i o n s 微通道( 5 0l am 5 m m ) 内【3 6 j ，由于薄液膜与固体壁面之问存在的脱离压力以 及液体表面存在的表面张力作用，汽液界面将发生弯曲，如图2 1 所示，弯曲的 汽液界面通常被称为细薄膜区或者扩展弯月面。根据细薄膜区内不同部分汽液 界面传热传质机理不同，可以将其分成三个区域：固有弯月面区、过渡液膜区和 平衡稳定液膜区。 汽液界面变薄时，其与固体壁面之间的排斥力( r e p u l s i v ef o r c e ) 逐渐增大，假 定汽相压力不变，这会导致液体内部压力逐渐降低，推动液膜沿固体壁面向液膜 厚度减小的方向行进，从而形成过渡液膜区和平衡稳定液膜区。在固有弯月面区， 液膜厚度较大，脱离压力绝对值( 与液膜厚度的立方成反比) 变小，相比表面张 力引起的压力变化可以忽略；在过渡液膜区，随着液膜厚度的减小，汽液界面 曲率减小，同时脱离压力绝对值迅速增大，因此在过渡液膜区脱离压力与表面张 力共同控制着液膜的流动与蒸发；在平衡稳定液膜区，液膜厚度极小( 几个埃) 1 2 0 , 2 1 j ，导致即使液膜处于过热状态，其与固体壁面之间的亲和力也将阻止液体蒸 发，该区域汽液界面曲率为零。 细薄膜蒸发利用微通道对汽液界面形成的曲率和表面张力以及脱离压力的 1 0 新型细薄膜蒸发器的实验研究 作用，在加热壁面上形成薄液膜，是一种被动成膜方式，热量的传递主要通过汽 一液相变过程来实现。在平衡稳定液膜区，汽液界面热阻导致的过热度等于加在 液膜上的温差，阻止了工质的蒸发。对于细薄膜区域的热量传递，有研究者认为 主要集中在过渡液膜区，有的认为过渡液膜区传热主要集中在与平衡稳定液膜区 临近的区域，也有研究者认为固有弯月面区与过渡液膜区吸热量处于同一量级， 但也有研究认为细薄膜吸热主要分布在固有弯月面区，虽然目前表述不一，但细 薄膜区的传热能力得到肯定，可以达到m w m 2 数量级。 细薄膜蒸发能力与细薄膜的厚度有直接关系，维持并扩展细薄膜区域的面积 十分重要。对细薄膜蒸发而言，汽液界面相互作用及其相变过程以及持续“维持 并尽可能“扩展”细薄膜蒸发区域对于提高换热器的换热能力至关重要，而目前 在这方面的研究还很少。 2 2 细薄膜蒸发优势 细薄膜蒸发属于强化传热中的被动技术，具有很高的传热系数，与其它传热 方式比较，细薄膜蒸发具有热流密度高( 可以达到m w m 2 ) 的优点，当蒸发只 发生在液体细薄膜汽液界面时，蒸汽流动阻力可以忽略不计，因此蒸发传热得到 极大增强，表2 1 列出了几种传热方式的传热系数，细薄膜蒸发传热远高于任 何带有强化传热表面的沸腾传热；同时，细薄膜属于被动成膜方式，被动技术由 于不需要其它附属设备和消耗额外功率，运行可靠，结构简单，在微重力和完全 失重环境中仍能工作。 第2 章细薄膜蒸发 表2 1 不同传热方式的传热系数 t a b 2 1h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fd i f f e r e n th e a tt r a n s f e r 对流换热问题的类型 传热系数形( ，咒k ) 自然对流( 气体) 自然对流( 液体) 强迫对流( 气体) 强迫对流( 液体) 凝结换热 沸腾换热 细薄膜蒸发 2 2 5 5 0 1 ，0 0 0 2 5 2 5 0 5 0 - - 2 5 ，0 0 0 2 ，0 0 0 - 10 0 ，0 0 0 2 ，0 0 0 - 5 0 ，0 0 0 10 0 ，0 0 014 ，0 0 0 ，0 0 0 2 3 常见的细薄膜蒸发形成方式 针对细薄膜蒸发开展的实验研究多以不同种类液态工质与不同材料固体壁 面接触时由于表面张力和脱离压力而形成的薄液膜为研究对象 2 0 】。研究首先在 各种规则槽道，如三角形槽道、毛细管、梯形槽道、矩形槽道、正弦曲线型槽道 等研究细薄膜蒸发机理。由于烧结毛细材料可以大大提高细薄膜区域数量，利用 烧结毛细材料开始引起重视t 了7 1 。 2 3 1 规则微槽道 轴向槽道式管一般为沟槽式，是指在管壳内壁丌轴向细槽以提供液体过流 通道及毛细压头，槽的截面形状可为梯形，矩形，圆形及变截面槽道，槽道式管 芯虽然毛细压头较小，但液体流动阻力很小，因此可达到较高的轴向传热能力， 同时，槽道式管芯径向热阻较小，工艺重复性良好，可获得精确几何参数，因而 可较正确地计算毛细极限，但由于其抗重力工作能力极差，不适于倾斜工作，对 于空间的零重力条件则是非常适用，图2 2 为采用m i c r o x c t 一4 0 0 拍到的沟漕式 铜管纵横截面剖面图。 槽道式管是毛细结构中制造比较简单的一种，采用整体成型工艺制造，成本 1 2 新型细薄膜蒸发器的实验研究 较低，般是烧结式热管的2 3 。沟槽式管生产方便，但其缺点十分明显，对沟 槽深度和宽度要求较高，而且其方向性很强，在管出现大弯折的时候，沟槽式方 向性的特性就成了致命缺点，会导致导热性能大幅度下跌。而烧结式管生产工艺 相对比较复杂，成本也比较高。烧结式管对铜粉质量、纯度，单铜粉颗粒直径、 烧结温度、烧结均匀度都提出了很高的要求。 图2 2 沟槽式铜热管 f i g 2 2g r o o v e dc o p p e rh e a tp i p e 2 3 2 多孔烧结 烧结【3 8 】是粉末压坯或粉末在适当的气氛和温度中受热所发生的现象或过 程，烧结会使颗粒之间发生粘结，增加烧结体的强度，而且多数情况下，也提高 了密度。如果烧结过程控制得当，烧结体的物理、机械性能和密度可以接近或达 到相同成分的致密材料。从工艺上看，烧结常被看作是一种热处理，既把粉末压 坯或粉末加热到低于基本成分熔点的温度下保温，然后以各种速度或方式冷却到 室温，在烧结过程中，发生一系列的化学和物理变化，粉末颗粒的聚集体成为颗 粒的聚集体，从而获得具有所需物理、机械性能的材料或制品。 本文用到的烧结蒸发器是由一定目数的金属粉未烧结在管内壁面而形成与 管壁一体的烧结粉末多孔介质，此种多孑l 介质有较高的毛细抽吸力，并较大地改 1 3 第2 章细薄膜蒸发 善了径向热阻，可以实现细薄膜蒸发，该烧结式蒸发器可以兼顾低热阻与高热传 量的考量。 常见的烧结流程大致为( 以铜粉烧结为例) ：选取9 9 5 纯度的铜粉，铜粉单 体粒径控制在7 5pm 1 5 0pm 。首先使用工具将紫铜管内部清除干净，去除毛 刺，接着将铜管放到稀硫酸中使用超声波清洗。清洗干净之后我们将得到一根内 外壁皆十分光滑、无氧化物的铜管。此时将一根细钢棍插到铜管里( 需要工具精 确地将钢棍儿固定在铜管的中央，以方便铜粉均匀填充) ，将铜管底部用铜片暂 时封闭，接着就可以把纯铜粉倒入铜管了。装填完毕之后就可以拿到烧结炉进行 烧结。在烧结过程中，以氢气或氮气作为保护气( 或真空) ，同时，烧结温度的 把控也很重要，一般烧结炉峰值温度控制在8 0 0 - - 8 5 0 ( 根据热管产品要求 的渗透率规定) 。烧结完成之后使用一个辅助工具把铜管加紧，使用工具把钢棍 抽出即可【3 9 1 。严格按照上述流程制造的烧结式铜管，每个部分的毛细结构渗透 率都应该大致相同，铜粉烧结块分布厚度大致均匀。图2 3 为烧结式铜管纵横截 面剖而图，从图中可以看出铜管内表面上形成的烧结吸液芯。 图2 3 烧结式铜热管 f i g 2 3s i n t e r e dc o p p e rh e a tp i p e 1 4 堑型塑翌堕茎垄矍盟塞竺堕窒 一一 2 4 本章小结 本章分析了细薄膜蒸发的原理以及细薄膜蒸发区各个部分的传热特点，通过 与其它传热方式对比得出细薄膜蒸发的优势。此外，还介绍了形成细薄膜区的常 见结构形式及制造流程，利用m i c r o x c t 4 0 0 拍到了常见沟漕式铜热管与烧结式 铜热管的纵横截面剖面图。 1 5 第3 章蒸发器制作和实验台搭建 第3 章蒸发器制作和实验台搭建 3 1 蒸发器的设计与制造 3 1 1 蒸发器的设计 由于蒸发器吸收的能量或者传热量在给定设计时取决于运行工况，根据采用 的家用冰箱蒸气压缩式制冷循环系统实验条件，对蒸发器设计运行工况做出以下 假设 4 0 , 4 1 】： 对冷凝器，外部环境温度为3 5 c ；假设蒸发器中制冷剂与外部环境的对数 平均温差f 。= 5 5 ，取蒸发温度f 。= 一1 0 ( 2 ；取冷凝器中制冷剂与环境空气对 数平均温差匀。= 8 ，则冷凝温度f 。= 3 5 + 8 = 4 3 。c ：取过冷度为5 ，过热度为 3 0 * ( 2 ，则过冷温度f 窖= 4 3 5 = 3 8 c ，吸气温度j = 一1 0 + 3 0 = 2 0 c 。在上述假设 工况下，制冷系统的理论制冷系数占。= 3 3 9 。 取压缩机指示效率7 7 ，= 0 8 6 ，压缩机机械效率7 7 。= o 9 。 则实际制冷系数： s f 2 7 7 f 7 7 m 占0 - - 2 6 2 ( 3 i ) 为保证设计的蒸发器有足够的蒸发面积，确保制冷剂在蒸发器出口存在一定 过热度，也考虑到实际工况变化可能会导致制冷量的变化，制冷系数按s = 3 0 0 估 算蒸发器的换热面积。 考虑到本文采用第二制冷剂量热器法测量蒸发器的制冷量，为减小量热器的 漏热量，蒸发器尺寸应尽量小；同时，为保证制冷系统运行过程中蒸发器能够存 在一定的过热度，应尽量选取功率较小的制冷压缩机。本实验选取功率w c = 7 6 i i 的全封闭式制冷压缩机。 根据所选压缩机的功率以及制冷系数计算蒸发器的制冷量： o 。= 占m = 3 0 0 7 6 = 2 2 8 w ( 3 2 ) 1 6 新型细薄膜蒸发器的实验研究 按普通蒸发器计算所需要的传热面积l 4 z l ： 砰急号 3 ) 式中，f o 对数平均温差，取值范围5 1 0 ； k 蒸发器的传热系数，形( m k ) ，取值范围5 0 0 5 5 0 ( 壳管式 蒸发器) ； g 热流密度，州m 2 ，取值范围2 5 0 0 3 0 0 0 。 本实验中，考虑到蒸发器位于量热器内部，蒸发器外表面属于凝结换热，换 热速率极高，取g = 3 3 0 0 w ( m 2 k ) a t 。= 5 5 ，k = 6 0 0 w ( m z k ) ，则 阡譬：罴一o 咖，m 2 4 ) 本实验系统中的两种蒸发器均采用0 8 紫铜管( 无氧铜t p 2 ，纯度9 9 9 0 ， 熔炼过程中加了0 0 1 5 左右的磷，目的主要是提高铜管的焊接性能，主要用于 窄调悍棒名的产品) 则所需蒸发器长度ln - i 由- f 式得到： 3 1 2 蒸发器的制造 1 烧结蒸发器 f 。= x d l = o 0 6 9 1 m 2 则，= 2 7 4 9 m ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 1 ) 烧结铜粉主要作用 本文采用烧结铜粉多孔介质作为细薄膜蒸发器的蒸发表面，是通过在铜管内 壁烧结铜粉颗粒制造而成，其对强