CN113776377B - 一种沸腾强化蒸发换热管及其制作装置与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种沸腾强化蒸发换热管及其制作装置与制作方法，换热管由外部的基管、管内丝网、组合件组成，制作装置由电加热循环、电镀循环以及冷却回路组成，采用水力锻压的方法将换热管内壁固定一层管内丝网以及与其连接的组合件，管内丝网网孔间扣有环扣，环扣与牵引线连接，牵引线末端连接扰动球，牵引线以及扰动球表面设有不等距平行排列的微结构；将换热管放入上述的制作装置进行烧结以及电镀镶嵌，得到具有强抗干扰能力和结合力的内插件换热管。有益效果：本发明换热管能够提高场协同程度，避免管内气泡汇集，改善管内流型，使中心流体实现反重力迁移引到壁面，极大的提高换热效果。

Description

一种沸腾强化蒸发换热管及其制作装置与制作方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，特别是指一种沸腾强化蒸发换热管及其制作装置与制作方法。

背景技术

蒸发换热管作为热能传递的主要部件，被广泛应用于核电、石油化工、冶金等行业，为提高换热效率进而优化换热设备，依次减少换热设备重量和体积，在换热管中放入合适的强化元件，是强化传热的重要手段之一。

在沸腾蒸发换热管中，由于气泡的大量聚合使固液边界形成气膜，热量传递行程增加，导致换热过程迅速恶化，是传热过程中管内热阻的主要部分。通过加强换热管内流体的扰动将气泡打散,避免气泡的聚集，是显著提高沸腾传热系数与临界热流密度的关键。同时，由于重力的作用导致上管壁液膜“顶部薄，底部厚”的相分布，换热过程上壁面补液困难，管内上壁面液滴蒸发速率与补液速率无法达到相平衡时，导致壁面干涸，换热过程恶化。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题，提出一种沸腾强化蒸发换热管及制作方法

本发明的技术方案是这样实现的：

一种沸腾强化蒸发换热管，换热管（15）由外部的基管（151）、管内丝网（152）、组合件（153）组成，组合件（153）由环扣（1531）、牵引线（1532）、扰动球（1533）组成，管内丝网（152）网孔连接处扣有环扣（1531），环扣（1531）与牵引线（1532）的前端连接，牵引线（1532）的末端连接扰动球（1533），牵引线（1532）以及扰动球（1533）的表面设有不等距平行排列的微结构，组合件（153）沿周向以及纵向均匀分布在管内丝网（152）上组成了强化蒸发结构。

优选的，基管（151）的材质为不锈钢304材料，管内丝网（152）的材质为紫铜，环扣（1531）、牵引线（1532）以及扰动球（1533）材质为不锈钢310S。

优选的，管内丝网（152）目数为4目~50目之间。

优选的，牵引线（1532）和扰动球（1533）表面的微结构为平行排列的纳米线，纳米线沿扰动球（1533）到牵引线（1532）的分布为由密到疏，其表面浸润性由扰动球（1533）到牵引线（1532）逐渐增强，表面粗糙度逐渐减小。

一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置，包括电加热循环回路、电镀循环回路和冷却回路；

电加热循环回路由隔热层（1）、热电偶（2）、PLC控制单元（3）、计算机（4）、直流电源一（5）、储气罐（6）以及减压阀（7）组成， PLC控制单元（3）与计算机（4）、直流电源一（5）、热电偶（2）电连接，直流电源一（5）的正负极与换热管（15）两端连接，计算机（4）通过PLC控制单元（3）控制直流电源一（5）加热换热管（15），储气罐（6）通过减压阀（7）向换热管（15）通入氮气，热电偶（2）另一端连接到换热管（15）的基管（151）的外表面；

电镀循环回路由溶液槽（8）、旋拧阀（9）、Y型过滤器（10）、磁力泵（11）、电磁阀（12）、三向旋塞阀（13）、石英管（14）、阳极棒（16）以及直流电源二（17）组成，电磁阀（12）包括电磁阀一（121）、电磁阀二（122）、电磁阀三（123），换热管（15）的两端连接有石英管（14），阳极棒（16）插入到换热管（15）内且阳极棒（16）的两端卡在石英管（14）上不与换热管（15）接触，两个石英管（14）的外端通过进液管道和回液管道与溶液槽（8）连通，在进液管道上设有旋拧阀（9）、Y型过滤器（10）、磁力泵（11）、电磁阀一（121）、三向旋塞阀（13），在回液管道上设有三向旋塞阀（13）、电磁阀三（123），位于进液管道上的三向旋塞阀（13）的另一个接口与储气罐（6）连接，储气罐（6）与三向旋塞阀（13）之间还设有减压阀（7），位于回液管道上的三向旋塞阀（13）另一个接口连接进气管道，在进气管道上设有电磁阀二（122），直流电源二（17）的正负极分别与阳极棒（16）和换热管（15）连接；

冷却回路由换热器（18）、针阀（19）、储液罐（20）、水泵（21）以及冷却塔（22）、针阀（19）、所述换热器（18）依次连接组成，所述换热器（18）位于溶液槽（8）内。

优选的，石英管（14）带有外螺纹，石英管（14）插入到换热管（15）内并与换热管（15）螺纹连接。

一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置的制作换热管的方法，，其步骤如下：

（a）将基管（151）先后进行酸洗、去离子水洗、烘干、碱洗、去离子水洗、烘干的预处理以除去表面氧化部分以及油脂；

（b）采用皮秒脉冲激光器在牵引线（1532）以及扰动球（1533）表面刻若干平行排列的纳米线，将加工后的环扣（1531）、牵引线（1532）以及扰动球（1533）依次连接，取合适目数和直径的圆柱形管内丝网（152），将若干组合件（153）的环扣（1531）沿周向以及纵向均匀扣于管内丝网（152）网孔之间。

（c）将管内丝网（152）以及组合件（153）连接后置于基管（151）内，并在基管（151）外套设一固定管，基管（151）一端密封，另一端与水力打压机管路连接，采用水力打压机对基管（151）内进行加压，将管内丝网（152）固定于基管（151）内壁面。

（d）将换热管（15）安装在石英管（14）之间，电磁阀一（121）和电磁阀三（123）关闭，电磁阀二（122）开启，三向旋塞阀（13）开启电加热循环回路，开启减压阀（7），通入氮气，先以3L/min通入15分钟后，后保持管内0.5L/min一直通气，通过计算机（4）设定PLC控制单元（3）控制直流电源一（5）以升温速率为5℃/min,烧结温度为600℃，保温时间为10min后，以升温速率为5℃/min，烧结温度为1050℃，保温时间2h，后进行冷却。

（f）向冷却后的换热管（15）内插入阳极棒（16），电磁阀一（121）和电磁阀三（123）开启，电磁阀二（122）关闭，三向旋塞阀（13）开启电镀循环回路，向溶液槽（8）内倒入电镀液，开启旋拧阀（9），并将磁力泵（11）以及冷却回路打开，直流电源二（17）控制0.0004A/mm²到0.0008A/mm²电流密度下电镀1h。

本发明的有益效果是：

1、本发明制作装置将烧结工艺与电镀镶嵌耦合，单一系统即可实现制备出具有强抗干扰能力以及结合力内插强化元件，在工程实际应用中具有重要意义。

2、本发明基于仿生学在组合件表面设微结构，将表面浸润性由扰动球到牵引线逐渐增强，表面粗糙度逐渐减小。使得液滴获得从扰动球经过牵引线移动到管内壁面的拉普拉斯压差驱动力，实现液滴的反重力定向输运，能够给壁面提供更多的液体，促进壁面液体补充，增强沸腾表面的浸润性，调控基管内相分布，从而强化沸腾传热系数；

2、在沸腾蒸发换热管中，扰动球受到流体冲击不断移动，将气泡不断打散，避免气泡的聚集形成气膜，从而生成膜态沸腾，降低管内热阻，同时流体经过扰动球时，形成卡门涡街效应，增大流体紊流度，提高流体的场协同度，有效的强化传热；

3、管内壁面镶嵌一层丝网结构，不仅能够降低基管内表面污垢的形成，同时多基管内气液相分布进行调控，减少壁面干涸现象，增加提高传热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明制作装置系统图

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明横截面示意图；

图4是本发明组合件及液体流体定向移动示意图；

在附图中：1、隔热层，2、热电偶，3、PLC控制单元，4、计算机，5、直流电源，6、储气罐，7、减压阀，8、溶液槽，9、旋拧阀，10、Y型过滤器，11、磁力泵，12、电磁阀、121、电磁阀一，122、电磁阀二,123、电磁阀三,13、三向旋塞阀，14、外螺纹石英管，15、换热管，151、基管，152、管内丝网，153、组合件，1531、环扣，1532、牵引线，1533、扰动球，16、阳极棒，17、直流电源，18、换热器，19、针阀，20、储液罐，21、水泵，22、冷却塔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图3所示一种沸腾强化蒸发换热管，换热管15由外部的基管151、管内丝网152、组合件153组成，组合件153由环扣1531、牵引线1532、扰动球1533组成，管内丝网152网孔连接处扣有环扣1531，环扣1531与牵引线1532的前端连接，牵引线1532的末端连接扰动球1533，牵引线1532以及扰动球1533的表面设有不等距平行排列的微结构，组合件153沿周向以及纵向均匀分布在管内丝网152上组成了强化蒸发结构。

基管151的材质为不锈钢304材料，管内丝网152的材质为紫铜，环扣1531、牵引线1532以及扰动球1533材质为不锈钢310S。

管内丝网152目数为4目~50目之间。

牵引线1532和扰动球1533表面的微结构为平行排列的纳米线，纳米线沿扰动球1533到牵引线1532的分布为由密到疏，其表面浸润性由扰动球1533到牵引线1532逐渐增强，表面粗糙度逐渐减小。

一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置，包括电加热循环回路、电镀循环回路和冷却回路；

电加热循环回路由隔热层1、热电偶2、PLC控制单元3、计算机4、直流电源一5、储气罐6以及减压阀7组成， PLC控制单元3与计算机4、直流电源一5、热电偶2电连接，直流电源一5的正负极与换热管15两端连接，计算机4通过PLC控制单元3控制直流电源一5加热换热管15，储气罐6通过减压阀7向换热管15通入氮气，热电偶2另一端连接到换热管15的基管151的外表面；

电镀循环回路由溶液槽8、旋拧阀9、Y型过滤器10、磁力泵11、电磁阀12、三向旋塞阀13、石英管14、阳极棒16以及直流电源二17组成，电磁阀12包括电磁阀一121、电磁阀二122、电磁阀三123，换热管15的两端连接有石英管14，阳极棒16插入到换热管15内且阳极棒16的两端卡在石英管14上不与换热管15接触，两个石英管14的外端通过进液管道和回液管道与溶液槽8连通，在进液管道上设有旋拧阀9、Y型过滤器10、磁力泵11、电磁阀一121、三向旋塞阀13，在回液管道上设有三向旋塞阀13、电磁阀三123，位于进液管道上的三向旋塞阀13的另一个接口与储气罐6连接，储气罐6与三向旋塞阀13之间还设有减压阀7，位于回液管道上的三向旋塞阀13另一个接口连接进气管道，在进气管道上设有电磁阀二122，直流电源二17的正负极分别与阳极棒16和换热管15连接；

冷却回路由换热器18、针阀19、储液罐20、水泵21以及冷却塔22、针阀19、换热器18依次连接组成，换热器18位于溶液槽8内。

石英管14带有外螺纹，石英管14插入到换热管15内并与换热管15螺纹连接。

其制作包含如下步骤：

（a）将选取以304不锈钢材质的管作为基管151，选取紫铜材质4目~50目之间的丝网作为管内丝网152，选取以310S不锈钢材质的组合件153先后进行酸洗、去离子水洗、烘干、碱洗、去离子水洗、烘干的预处理以除去表面氧化部分以及油脂;

（b）采用皮秒脉冲激光器在牵引线1532以及扰动球1533表面刻若干平行排列的纳米线，纳米线沿扰动球1533到牵引线1532分布由密集逐渐疏松，其表面浸润性由扰动球1533到牵引线1532逐渐增强，表面粗糙度逐渐减小。使得液滴获得从扰动球1533经过牵引线1532移动到基管151内壁面的拉普拉斯压差驱动力，实现液滴的反重力定向输运，能够给壁面提供更多的液体，促进壁面液体补充，增强沸腾表面的浸润性，调控基管151内相分布，从而强化沸腾传热系数。将加工后的环扣1533、牵引线1532以及扰动球1533依次连接，将加工后的组合件153扣于管内丝网152，将若干组合件153的环扣1531沿周向以及纵向均匀扣于管内丝网152网孔之间。

（c）将管内丝网152以及组合件153连接后置于基管151内，并在基管151外套设一固定管，基管151一端密封，另一端与水力打压机管路连接,采用水力打压机对基管151内进行加压，将管内丝网152固定于基管151内壁面。

（d）将换热管15安装在外螺纹石英管14之间的隔热层1内，电磁阀一121和电磁阀三123关闭，电磁阀二122开启，三向旋塞阀13开启电加热循环回路，开启减压阀7，通入氮气，先以3 L /min通入15分钟后，保持管内0.5 L /min一直通气，通过计算机4设定PLC控制单元3控制直流电源一5以升温速率为5℃/min,烧结温度为600℃，保温时间为10min，后以以升温速率为5℃/min，烧结温度为1050℃，保温时间2h，后进行冷却，由于不锈钢310S的耐热性较不锈钢304较强，因此能够实现基管151与管内丝网152结合，不锈钢310S材质的组合件153由于熔点较高，不会与基管151和管内丝网152烧结一起。

（f）烧结后基管151与管内丝网152抗干扰能力虽然较好，但是结合力相对较弱，因此进行镶嵌电镀,首先将冷却后的换热管15内插入阳极棒16，电磁阀一121和电磁阀三123开启，电磁阀二122关闭，三向旋塞阀13开启电镀循环回路，将溶液槽8内倒入电镀液，开启旋拧阀9，并将磁力泵11以及冷却回路打开，直流电源二17控制0.0004A/mm²到0.0008A/mm²电流密度下电镀1h。

实施例1：选取外径14mm，壁厚2mm的304不锈钢作为基管151，选取20目紫铜丝网作为管内丝网152，选取1mm310S不锈钢丝作为组合件153，1mm310S不锈钢丝一端进行煅烧形成小球，另外一端折成环扣1531与管内丝网152连接，将管内丝网152以及组合件153连接后置于基管151内后，将换热管15放入外径30mm壁厚8mm一端密封的304不锈钢固定管内，在1.5MPa的压力下进行水力锻压，锻压完成后将换热管15取出，放置于制作装置上，进行烧结以及电镀工艺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种沸腾强化蒸发换热管，其特征在于，换热管（15）由外部的基管（151）、管内丝网（152）、组合件（153）组成，组合件（153）由环扣（1531）、牵引线（1532）、扰动球（1533）组成，管内丝网（152）网孔连接处扣有环扣（1531），环扣（1531）与牵引线（1532）的前端连接，牵引线（1532）的末端连接扰动球（1533），牵引线（1532）以及扰动球（1533）的表面设有不等距平行排列的微结构，组合件（153）沿周向以及纵向均匀分布在管内丝网（152）上组成的强化蒸发结构。

2.如权利要求1所述的沸腾强化蒸发换热管，其特征在于，基管（151）的材质为不锈钢304材料，管内丝网（152）的材质为紫铜，环扣（1531）、牵引线（1532）以及扰动球（1533）材质为不锈钢310S。

3.如权利要求1所述的沸腾强化蒸发换热管，其特征在于，管内丝网（152）目数为4目~50目之间。

4.如权利要求1所述的沸腾强化蒸发换热管，其特征在于，牵引线（1532）和扰动球（1533）表面的微结构为平行排列的纳米线，纳米线沿扰动球（1533）到牵引线（1532）的分布为由密到疏，其表面浸润性由扰动球（1533）到牵引线（1532）逐渐增强，表面粗糙度逐渐减小。

5.一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置，其特征在于，包括电加热循环回路、电镀循环回路和冷却回路；

电加热循环回路由隔热层（1）、热电偶（2）、PLC控制单元（3）、计算机（4）、直流电源一（5）、储气罐（6）以及减压阀（7）组成， PLC控制单元（3）与计算机（4）、直流电源一（5）、热电偶（2）电连接，直流电源一（5）的正负极与换热管（15）两端连接，计算机（4）通过PLC控制单元（3）控制直流电源一（5）加热换热管（15），储气罐（6）通过减压阀（7）向换热管（15）通入氮气，热电偶（2）另一端连接到换热管（15）的基管（151）的外表面；

电镀循环回路由溶液槽（8）、旋拧阀（9）、Y型过滤器（10）、磁力泵（11）、电磁阀（12）、三向旋塞阀（13）、石英管（14）、阳极棒（16）以及直流电源二（17）组成，电磁阀（12）包括电磁阀一（121）、电磁阀二（122）、电磁阀三（123），换热管（15）的两端连接有石英管（14），阳极棒（16）插入到换热管（15）内且阳极棒（16）的两端卡在石英管（14）上不与换热管（15）接触，两个石英管（14）的外端通过进液管道和回液管道与溶液槽（8）连通，在进液管道上设有旋拧阀（9）、Y型过滤器（10）、磁力泵（11）、电磁阀一（121）、三向旋塞阀（13），在回液管道上设有三向旋塞阀（13）、电磁阀三（123），位于进液管道上的三向旋塞阀（13）的另一个接口与储气罐（6）连接，储气罐（6）与三向旋塞阀（13）之间还设有减压阀（7），位于回液管道上的三向旋塞阀（13）另一个接口连接进气管道，在进气管道上设有电磁阀二（122），直流电源二（17）的正负极分别与阳极棒（16）和换热管（15）连接；

冷却回路由换热器（18）、针阀（19）、储液罐（20）、水泵（21）以及冷却塔（22）、针阀（19）、所述换热器（18）依次连接组成，所述换热器（18）位于溶液槽（8）内。

6.如权利要求5所述的一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置，其特征在于，

石英管（14）带有外螺纹，石英管（14）插入到换热管（15）内并与换热管（15）螺纹连接。

7.如权利要求5所述的一种沸腾强化蒸发换热管的制作装置制作换热管的方法，其步骤如下：

（a）将基管（151）先后进行酸洗、去离子水洗、烘干、碱洗、去离子水洗、烘干的预处理以除去表面氧化部分以及油脂；

（b）采用皮秒脉冲激光器在牵引线（1532）以及扰动球（1533）表面刻若干平行排列的纳米线，将加工后的环扣（1531）、牵引线（1532）以及扰动球（1533）依次连接，取合适目数和直径的圆柱形管内丝网（152），将若干组合件（153）的环扣（1531）沿周向以及纵向均匀扣于管内丝网（152）网孔之间;

（c）将管内丝网（152）以及组合件（153）连接后置于基管（151）内，并在基管（151）外套设一固定管，基管（151）一端密封，另一端与水力打压机管路连接，采用水力打压机对基管（151）内进行加压，将管内丝网（152）固定于基管（151）内壁面;

（d）将换热管（15）安装在石英管（14）之间，电磁阀一（121）和电磁阀三（123）关闭，电磁阀二（122）开启，三向旋塞阀（13）开启电加热循环回路，开启减压阀（7），通入氮气，先以3l/min通入15分钟后，后保持管内0.5l/min一直通气，通过计算机（4）设定PLC控制单元（3）控制直流电源一（5）以升温速率为5℃/min,烧结温度为600℃，保温时间为10min后，以升温速率为5℃/min，烧结温度为1050℃，保温时间2h，后进行冷却;

（f）向冷却后的换热管（15）内插入阳极棒（16），电磁阀一（121）和电磁阀三（123）开启，电磁阀二（122）关闭，三向旋塞阀（13）开启电镀循环回路，向溶液槽（8）内倒入电镀液，开启旋拧阀（9），并将磁力泵（11）以及冷却回路打开，直流电源二（17）控制0.0004A/mm²到0.0008A/mm²电流密度下电镀1h。

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