研究论文多孔面管内高沸点工质的强化流动沸腾换热与阻力特性杨冬李永匿陈听宽手斌西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安749工质异丙苯的强化流动沸腾换热与阻力特性进行了实验研究，获得了传热系数与压降随干度的变化情况，并与光管内的实验结果进行了比较。另外，还通过实验得到了个质量流速下的流动沸腾曲线。实验过程中质量流速范围为391790 24实验工况干度范围为，9058，压力范围为016，13心。通过对吹验数据的回归分析，获得了传热系数与摩擦压降的计算关联式。实验结果明，多孔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。 材料消耗减小质量与体积，并在某些情况下可以节省泵功。虽然通常液体沸腾都具有很高的换热强在换热器设计和运行中使用强化面能够降低度，但在石油化工制冷空调以及新能源开发利联系人及第作者杨冬，男，36岁，博士，副教授。 基金项目国家自然科学基金重大项目资助以，59995460. 用中常常会遇到大量的有机液体，在其沸腾过程中，传热系数远低于水和其他常规液体的相变传热系数，甚茧低厂水的单相对流传热系数。另外，在另侧换热过程得到强化后，沸腾侧换热有可能成为热阻的主要部分。因而，强化沸腾是强化换热研究领域中的个重要组成部分。目前，对流动沸腾换热进强化的主要手段6改变流道的面形状。 采用各种形式的内肋管或具有机械插入物的强化管。程立新等对煤油在垂直上升螺纹管内的流动沸腾换热进行了实验研兄结果明其传热系数是光管的1.6，2仍。8，与2付制冷剂22在水平微肋管中的流动沸腾换热研宄明，微肋管传热系数是光管的1.21.5倍，压降是光管的，改变流逍形状在使沸腾得到，化态沸腾受到抑制。 多孔面管是种在光滑面上覆盖多孔层后所形成的换热元件，它能够付沸腾换热进行苦的强化。按加工工艺不同，分为烧结型机械加工型喷涂型及电化学腐蚀型等种。刘建新等4对闪酮液体上烧纪型多孔面管外的池沸腾换热实验明，其传热系数约为光滑面的5倍。5等对134与，600在喷涂型多孔强化面沸腾换热过程的气泡动力学特性进行了可视化研究，获得了气泡速度脱离直径频率以及活化核心密度等参数的变化规律。换热机理研究明，多孔面之所以能够取以较好的强化换热效采在厂它有大量的气化核心和较高的气泡脱离频率，同时，其结构特点使得多孔层中可以违立起稳定的气液两相流动与传热传质循环。 里然关多孔面在强化换热方面的研，很多，但它们大多1池沸腾有关。1.131.1等1对，87在水平方形小通道多孔面管内的流动沸腾研究明。多孔血管换热得到强化的1时，阻力，加并不是很大，明它在强化流动沸腾方曲，旮以好的应用前设。前，关于管内流动沸腾换热的研究大多数以在宁调制冷领域中广泛应用的低沸点制冷剂为主，而对于石油化工生产和工艺中常用的高沸点有机工质，如甲苯异丙苯乙醇等的实验数据，则非常少。考虑到采用强化换热设备是石油化工工艺优化的个重要方向，本文以异丙苯为实验工质，对其在垂直上升多研宄，得到了传热系数与摩擦压降的计算关联式。 研究结果为石化行业中新型强化换热器的设计和现有装置的技术改造提供了依据。 1实验系统马方法高沸点有机工质流动沸腾换热实验系统1.它以括实验工质循环路和冷却水循环，路两部分。1质肺环叫路由离心泵预热段实验段气液分离器冷凝器等组成。异丙苯是种重要的有机化工原料，其个大气压下的饱和温度约为152.另外，考虑到其气化潜热和气液密度差较大，为此在实验段出口布置了个体积约为0.3313的气液分离器。由亍它几有较大热坩蓄积和工质蓄积能力，因此，能够缓冲工质气化时造成的流量和压力的大幅波动，以确保实验系统的安全和实验的顺利进行。储箱中的异丙苯经过预热段后，自下而上流入垂直布置的实验段，在其中被加热到定的干度后，切向进入分离器。经分离后的饱和液体与饱和气体被冷却后分别回到储箱。工质循环回路用玻璃纤维包敷以进行良好绝热。 2.5，1多孔面管，长为1.4它是以有机高分子材料为造孔剂，与金属错粉40，60如按定比例混合后，隙率为42，厚度为250.预热段和实验段都采用低压大电流交流电直接对管子进行加热的方阻的限制，能够加到管子上的电功率*大约为13，这鸣热啁不能在实验流速范围内将入1十度为0.1的工质加热到出口干度为5.为了获得某质量流速下不同干度时的传热系数与摩擦压降。采用通过调节预热段加热试以改变进丁1度的方法来获得所需要的实验段工质千度参数。 实验段按长度平均划分6个截面，每个截他相隔9江布置4个中5rnmWiiSilUfW以测量壁温。异叫苯流量山孔板测，流经实验段热电偶与差压变送器所产生的电信号全部接入由工业控制计算机和3，181加现，3595数据米集板共饥成的数扼采俱系统+实验过程异丙苯的质流速范围为39790 13.，实验工况1.山尸热捉供的功率限，叫此，将实验段改为双套管式换热器，内管为多孔面管，外管为朽74的镀锌管。换热器为逆流布置，管内工质通过吸收壳侧高温高压热水放出的热量后干度得到提局。此时，实验系统主要部分与1相同，只是实验段改为双套管式换热器，并增加了套高温高压热水生产系统。 2数据处理异丙苯在垂直管内向上进行流动沸腾时，其总压降由摩擦压降重位压降与加速压降3部分组成么为加速压。降，按下式计算当，通过实验测量已知后，即可根据式1式3计算摩擦压降知。 实於段内干度的变化根据热量平衡方程确根据定义，沸腾传热系数办为值。7.为内壁温度，根据有内热源电加热管的维圆管壁导热方程确定1 3实验结果与分析3.1沸腾换热阁2出了；=39563，7901.2.疒1个质流违下。异丙苯在直多孔他管内进厅流动沸腾换热时的传热系数测位随度的变化情况。为了说明其强化换热效果，中同时还出了根据文献8计算得到的相同工况下光管的沸腾传热系数，该计算式由作者根据光管中异丙苯流动沸腾换热的实验数据拟合而得。可以拙。由千孔面的存在，多孔面管的传热系数与光管相比有了较大的提高。在所有实验工况范围内，其传热系数是光管的。73.5倍。 说，沸腾传热系数随着干度的增加而增大，加，强化换热的效果在逐渐减小根据流动沸腾换热的机理理论，核态沸腾和强制对流蒸发般同时存在。干度较低时，核态沸腾较少受到拟制。再加多孔面管具有大量的气化核心，此时，核态沸腾在总传热系数中占有较大的比例另外，质量流速较低时，强制对流换热也较小因此与光管相比，低干度低质量流速时多孔面管的换热强化效果较好。 来说随着干度的增加而增加，只是=0.51时，传热系数有所下降其原因可能在于干度增加到定程度后，核态沸腾受到较为强烈的抑制，其对传热系数的贡献减小。从而异致传热系数的降低。=0.17时，多孔面管的传热系数是光管的3.17倍，尤=0.51时，前者是后者的2.4倍与。=391 .1.1时的实验工况相比，=563低，这是因为随着质量流速的增加，强制对流蒸发在总传热系数中的比例增大，而多孔层内较多气化核心所引起的核态沸腾换热所比例则在减小。 ；=790.，传热系数随干度的变化情况与；56321时相10.15时，多孔面管的传热系数是光管的2.9倍，从实验结果可以看出，由于多孔层的存在，使得异丙苯在垂直多孔面管内的流动沸腾换热呈现出复杂的变化规律。在质量流速与干度较低时，由于多孔内火量气化核心的作1.使以传热系数与光管扪比提高较多。质量流速4干度较大由于强制对流蒸发换热的提高和核态沸腾受到抑制，多孔面荇的强化换热效果打所降低。 用于流动沸腾换热的计算模型有许多但它们大多只与流动参数和物性参数有关，与工质的成分特性，如相对分子质量等无关。由于尚沸点工质的沸腾换热数据非常少，此，为了同时考虑质试流速热通量蒸发温度干度及异丙苯成分特性等参数对沸腾传热系数的影响本文采⑴，等模型4类似的形式来关联实验结果。假设多孔用根据实验得到的光管对流换热强化因子来修正多面管的对流换热。至于多孔面对核态沸腾换热的影响，贝并到拟制因子中统考虑，并且假设多孔面管抑制因子与光管抑制因子之比是尤，腾传热系数可为数，要通过实验数据拟合获得。 阁3为根据实验数据获得的试纲1抑制因子51随，的变化情况。可以，1假设衫1面管与光管具有相同核态沸腾传热系数的基础上，前者抑制因子是后者的748倍，即多孔面管极大的强化了核态沸腾换热。另外还可以发现，5，1人随的，加，即下度的减小而降低。 这明随着液膜厚度的不断变薄，多孔层中的气化核心数胃在逐渐减少。核态沸腾换热受到抑制的程度变大，其对总传热系数的贡献在减少。根据3中的实验点。由*小乘法拟合可得=8.9，=阁4出了传热系数测试值与木文模型兑值误差在±20以内，工况的误差超过20，*大误差为35.以出。算值与测量讥符合得较为致，本文提出的多孔面管抑制因子计算方法能够对实验数据进行较好的关联。 482，两个质量流速的多孔衣血管流动沸腾曲线。中同时还出了根据计算得到的光管沸腾曲线。在计算光管沸腾曲线时，考虑到传热E=1+202Xt，义官，腾曲线在计算光官拂腾曲线时考虑到传热3.2流动压降1.2.实验测得的压力梯度随干度的变化情况，中同时还出了根据计算到的光管中的甩力梯度。可以箭山的质量流速下，随着沸腾过程的进行，压力梯度是逐渐增加的。在相，的千度下，玉力梯度则随着质量流速的增加而增加。7还明，多孔面管的压降在所言实验工况下都比光管要高。6=44.281时，低干度下的多孔面矜压力佛度是光管的1.5倍，随干度的增加a.5int系数沿流动方向变化的复杂性，这里将光管分成1子段。在十算出每个子段的传热系数后，求个均伉即可。可以看出，与电加热方法得到的结果类似，多孔衣面管的甲均传热系数得到了较大的提高。付；4821时的流动沸腾曲线来说，热通量为38.712时，多孔面管的传热系数约为光管的3.3倍，热迎，为266.8kW时，前者约为反者的2.7倍。6=675 51时，多孔面管传热系数约为光管的1.9，3. 倍。56还明，多孔面管可以降低壁面过热度，丈现小温差传热。例如对=482kg荇的传热温差为37.2.而多孔面管的传热倍。6=7901免181时，多孔面管压力梯度是光管的1.1.4倍。 吒降算值随干度的变化情况。多孔面管摩撩压降随着干度的增加而，加，与光管具有相同的规个工况多孔面管的流动摩擦压降比光管高。环状流时摩擦压降由壁面切应力产生，壁面切应力主要受到气液两相界面切应力和壁面粗糙度的影响。对多孔面管来说，由于多孔层中具有大量的气化核心并且受抑制程度较低，因此与光管相比，其气液两相界面的动量与能交换较为强，几有较大的界面切应力时多孔衣曲符的壁面粗糖度也比光管大。这两个因素的共同作用使得多孔面管的摩擦卡降比光管高。付；441.，工况来说多孔面管摩擦乐降是光管的1.72.6倍，6=前者是后者的1.1.8倍。 为了得到形式简单的计算公式，便于工程应用，认为垂直多孔面管内异丙苯流动沸腾时的摩擦压降梯度可小为兑归分析，可得根据式14得到的摩擦压降计算值与实验测量值之间的相对误为+21. 4结论又寸异闪苯在垂上升多孔面管内的流动沸腾换热与阻力特性进行了实验研宄，获得了传热系数与压降随千度的变化关系。通过对实验数据的回归分析，以到了传热系数摩擦吒降的计兑关联业中新吧刷七换热器的设计和现有装置的技术改造捉供了依据。 在实验参数范围内，多孔面管传热系数是光管的1.83.5倍。在质量流速与干度较低时，由于多孔层内大量气化核心的作用，使得传热系数与光管相比提高较多。质量流速与干度较大时，由J强制对流蒸发换热的，大和核态沸腾受到抑制。 多孔面管的强化换热效果有所降低。在实，换热器的设计和运亍中，为了充分发挥多孔衣面符的强化换热效果，应对其工作流量与干度进行优化选择。 31多孔面管内压降随质量流违和下度的增加而，加。多孔面管内压降比相应工况光矜其原因可能在于多孔面管具有较强的气液动量能量交换及较大的壁面粗糙度。 符号说明E对流强化因子f摩擦因数g重力加速度，爪82 m质量通量，让纩81 Qc，电加热功率，S抑制因子Tf工质温度，T，管子内壁温度，尺z沿管子长度方向坐标，a截面含气率rI实验段热效率ilL液相动力黏度，过4 K两相摩擦因子下角标CV强制对流f摩擦压降L液相Io与气液两相总质量流量相等的液相单独在管内流动nb核态沸腾pors多孑面管s光管tp气液两相h传热系数，Wm ifv气化潜热，让名1 L液相热导率，Higli！商沸点有机工质的强化相，骑裔中国化工冶金与材料发展战略研讨会中国工程院化工冶金与材料工程学部第届学木会议第轮通知中国工程院化工冶金与材料工程学部学术年会是中国工程院的重要系列学术活动之，每两年召开次，由学部常委会负责实施，至今己举办过届，均得到中国工程院科学院国家有关部委所在地±也方政府和两院院士广大令家学荇的大力支持。引起社会各界的广泛关注和强烈的反响。中国工程院化工冶金与材料工程学部研究决定于2005年月在海南省博鳌召开学部第届学术会议。会议的主为建设资源节约型和生态环保型社会化工冶金与材料的发展战略，会议将围绕建设资源节约型和生态环保型社会，就石油化工冶金与材料的发展战略进行探讨和交流，并涵盖与石油化工冶金与材料相关的学术领域，对促进学科交叉，各学科领域的技术创新，实现我国石油和化学工业冶金和材料工业的可持续发展将发挥重要作用。 参加会议人。认将包拈中国1程院中国科学院名院士。以及国内石油化7专家冶金4材料专家等。预汁人数300多人。 会议论文以正式出版物的形式在会议召开前夕出版，现征集论文。请您在来稿时注明中国工程院年会论文字样，提交的论文保存为，文档，用1以附件形式发送到编辑部。同时将论文保密审查证明原件寄送编，稿件中苏必提供投稿人的屯通倍地址，等联系友式。 地址北京市99信箱石油炼制与化工编辑部邮政编码83热忱欢迎化工冶金与材料及相关领域的两院院士专家学者踊跃投稿，参加会议！ 中国工程院化工冶金与材料工程学部，年月