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郑州轻工业大学|曹泷,刘贺,吴学红,等:水平管内分段式多孔镀层R245fa沸腾换热特性

2026-02-26 00:54:59

水平管内分段式多孔镀层R245fa沸腾换热特性

曹泷^1,²刘贺¹郭家驹¹张义¹刘文裴¹吴学红^1,²

（1.郑州轻工业大学能源与动力工程学院，河南郑州 450002；2.河南省能源高效转化与利用国际联合实验室，河南郑州 450002 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20250472

摘要采用烧结与电镀耦合处理工艺，在不锈钢换热管内壁面制备一层在流向上呈分段式微-纳多孔镀层结构，入口处孔径较大，中间次之，出口处最小。以R245fa为工质进行水平管内流动沸腾换热实验。实验工况为：饱和压力0.6 MPa，质量流速200~700 kg/（m²·s），热通量5~75 kW/m²，实验段入口干度0.01~0.9。实验结果表明：实验管对流动沸腾换热有明显的强化效果，传热系数相较光滑管最大可达2.71倍。入口处较大的孔隙结构不仅具有较低的流动阻力，同时还能够有效地调控流动模式。出口处较小的孔隙结构可以更轻松捕获小液滴，促进小液滴吸附到换热表面，进而对换热面进行液体补给，减缓壁面干涸的形成。流型可视化分析表明实验中出现了三种流型，分别为分层流、环状流和干涸。

关键词两相流；换热；微尺度；润湿性；流动沸腾

引用本文：曹泷, 刘贺, 郭家驹, 张义, 刘文裴, 吴学红. 水平管内分段式多孔镀层R245fa沸腾换热特性[J]. 化工学报, 2025, 76(11): 5806-5815(CAO Shuang, LIU He, GUO Jiaju, ZHANG Yi, LIU Wenpei, WU Xuehong. R245fa flow boiling heat transfer characteristics in horizontal tube with segmented porous coating[J]. CIESC Journal, 2025, 76(11): 5806-5815)

引言

在全球能源需求不断攀升、环境问题愈加严峻的背景下，提升能源利用效率不仅是经济发展的必然要求，更是应对气候变化的关键措施^[1-4]。管内沸腾换热作为一种高效的热传递方式，因其具有较高的热通量和较快的热交换能力，在多个领域中得到了广泛应用，特别是在核能、电子设备冷却和工业热交换系统等领域^[5-7]。然而，传统的管内沸腾换热方式存在着不稳定、换热效率较低等瓶颈问题。

近年来，通过表面微结构设计调控流型与换热边界层，成为提升沸腾传热系数的重要途径^[8]。一些学者通过烧结、喷涂和化学刻蚀等方法在换热表面构建了一系列多孔结构，并进行了流动沸腾实验研究^[9-11]。Tian等^[12]通过实验和数值模拟研究了多孔结构对超临界RP-3航空煤油微通道换热的增强作用。研究表明，多孔结构的换热面积增加了一倍以上，同时多孔结构的引入进一步改变了流动模式，破坏了边界层的构型，并激发了更多的涡流和二次流动模式。多孔微通道使局部对流传热系数提高了18.6%。Sarwar等^[13]在换热表面上构建了一层微纳米多孔结构并进行了流动沸腾实验。实验发现，当管内流型为分层流时，微纳米多孔结构可以促进管内工质的反重力润湿，有效提升换热初期的传热系数。同时还发现当管内流型为干涸流时，微纳米多孔结构能够有效抑制局部干涸现象的发生，从而延缓换热性能的恶化。Bai等^[14]使用固态烧结法制备了多孔平行微通道散热器，详细研究了无水乙醇在多孔微通道内的流动沸腾换热特性，并将其与裸露的微通道进行了比较。实验结果表明，多孔微通道散热器的流动沸腾换热性能得到了显著提高。多孔结构可以有效增加换热表面汽化核心的数量，增强表面润湿性，提高沸腾初期蒸汽气泡的成核和释放速度。然而，这些研究多聚焦于单一结构参数的优化，忽视了流动过程中流型动态变化对换热的差异化需求。例如，入口段以泡状流为主，而出口段易出现液膜干涸的环状流或雾状流，单一孔径结构难以在全流程中实现最优换热性能。

为了更进一步提升管内流动沸腾换热效率，提出一种将分段设计原理与多孔结构相结合的优化换热新思路。池沸腾方面，莫冬传等^[15]采用电化学沉积的方法制备了一种具有径向孔径梯度的多孔蜂窝铜表面，并进行了池沸腾实验。实验结果表明，与均匀孔径表面相比，径向孔径梯度表面显著提高了热传递性能。实验数据表明径向孔径梯度表面的最大核沸腾传热系数比均匀孔径表面高1.4~1.5倍，且是纯铜表面的3.5倍。对于管内流动沸腾而言，可通过在管道不同段落采用不同孔径的多孔结构，从而形成一个多阶段的流动沸腾换热强化系统。在换热管的入口段，较大孔径的多孔结构能够有效地引导气液两相的均匀分布。较大的孔径还会引起管内工质湍流程度的增加，增强对流换热效果。在管道的中段，适中的孔径可以进一步破坏液体的热边界层，增强液体与管壁之间的热交换过程。同时，适中的孔径还能有效调节气液两相的流动状态，防止气泡的过度合并和流动不均，从而优化换热过程。出口段管内工质多为汽态及小液滴状。小孔径多孔结构具有较强的毛细力，可以更轻易捕获工质中的小液滴，通过毛细作用将液滴吸入多孔结构中，延缓干涸的发生^[16]。此设计不仅能够改善气液流动的均匀性，还能根据管道的不同位置优化流型和热交换过程，从而提高整体的换热效果。

本文在先前研究的基础上^[17-18]，提出一种换热强化方法，采用烧结工艺与电镀沉积技术耦合的制备手段，在管内构建一层沿流动方向呈现三段式微-纳米多孔镀层结构，入口段多孔结构孔径较大、中间段次之、出口段最小。旨在通过分段调控流型演变与热质传递过程，从而提升整体换热能力并抑制局部干涸现象的发生。实验以R245fa为工质进行水平方向上的管内流动沸腾换热实验，以此探究R245fa在梯度多孔镀层强化管中的流动沸腾换热特性。

1 实验材料和方法

1.1 流动沸腾实验台

实验台主要由工质循环系统、电加热系统、冷却水循环系统、数据采集系统等组成，如图1所示。

图1实验系统：(a) 系统装置图；(b) 原理图Fig.1Experimental system: (a) system device diagram; (b) principle diagram

工质循环系统以R245fa为工质，其主要循环流程如下：储液罐中的工质首先流入过滤器，经过滤器过滤后，由动力装置隔膜泵送入稳压罐中。稳压罐中的工质通过DMF-1型科里奥利质量流量计后进入到回热器当中。在回热器中，R245fa与来自实验段的高温工质进行部分热交换，工质得到第一次加热。随后进入实验装置的预热段，工质在预热段中得到第二次加热，随后进入实验段进行流动沸腾换热。从实验段流出的工质被分成两路，一路流入回热器，在回热器内经过一次热交换后流入冷凝器；另一路则直接流入冷凝器。随后在冷凝器中得到冷却，最后进入储液罐中完成一次循环。回路中的流量控制主要由隔膜泵上的调节手轮以及旁通调节阀进行调节控制。

电加热系统由2台输出功率分别为7.2 kW和6 kW的直流电源完成。直流电源通过自身调节旋钮调节预热段以及实验段的输出功率以调节加热功率，提供实验所需。另外，为了增强实验装置的保温性能、降低热扩散以及辐射换热带来的实验误差，实验装置的预热段和实验段包裹了5 cm厚的陶瓷纤维保温棉和防辐射胶条。

冷却水循环系统主要是利用冷凝器内的循环冷却水对R245fa蒸气进行冷却，循环水的冷却由最大制冷量为9.2 kW的FL-03B风冷式冷水机组完成。冷却水入口温度维持在15℃。

数据采集系统主要由热电偶和压力传感器组成，仪器信息见表1。实验数据由研华Advantech-417/4118系统记录，采样周期为1 s。

表1测量参数及仪表型号Table 1Measurement parameters and instrument type

1.2 换热测试段

换热测试段主要由两部分组成：实验段和可视化窗口，实验段模型如图2(a)所示。实验段采用304不锈钢管道，有效加热长度为800 mm，内径和外径分别为10 mm和14 mm。在实验段的两端焊接两块铜板作为电极，其厚度为10 mm，通过插入的铠装热电偶测量实验段工质的进出口温度，以保证测得温度的准确性。同时，为了保证测得温度的准确性，27个热电偶均匀排列成9组（T1~T9），每组热电偶相距80 mm，分别在管道的顶部、侧面和底部，如图2(b)所示。图2(c)为本研究所设计的三梯度强化管示意图，管内镀层分为3部分，从入口到出口的镀层分别为300、150、100 μm铜粉颗粒。同时，由于管内的流动模式对气液两相流的换热性能有很大影响，因此有必要将流动模式可视化分析，并在实验过程中通过高速摄像机观察和记录。

图2实验测试段：(a)实验段的结构示意图；(b)热电偶周向布置示意图；(c)分段式粒径示意图Fig.2Experimental test section: (a) schematic diagram of the structure of the experimental section; (b) schematic diagram of the circumferential arrangement of thermocouples; (c) schematic diagram of segmented particle size

1.3 表面形貌特征

本文采用烧结和电镀耦合的方法构建了微-纳多孔结构。将固体颗粒在特定温度的情况下烧结在基底上，通过在高温下熔化金属颗粒，使得固体颗粒间以及颗粒与基层表面相互黏结，形成烧结颈。但不同材料的颗粒在表面的黏附情况往往不相同，难以形成稳定的结构，因此在烧结过程完成后，再采用电镀的方法，将铜离子以纳米颗粒的形式沉淀附着在多孔结构上，增强镀层与管道表面的黏结，使其具有更好的稳定性。

首先，对实验管的内表面精细抛光，抛光后的实验管经去离子水洗涤、干燥等预处理。随后将粘有黏合剂的棉球放入预处理的不锈钢管中，使黏合剂涂层均匀。随后在另一端浇注铜粉颗粒，黏合剂能有效促进铜粉颗粒附着在管道内壁面。处理完毕后，在管式炉中在1100℃下烧结，随后自然冷却。将冷却后的管材放入电镀循环系统进行电镀，电镀液为CuSO₄、HCl和H₂SO₄的混合物，电流密度为0.4 mA/mm²。电镀后，将管子清洗并干燥。

为更好观察管内微观结构，将不锈钢管切开观察其内部微观结构，如图3所示。图3(a)为宏观表征，图3(b)~(d)分别为300、150、100 μm铜粉微观结构图。铜粉颗粒在高温下熔化，颗粒与颗粒之间相互连接，形成烧结颈，铜粉颗粒之间形成了许多间隙，增加了表面粗糙度及表面润湿性。

图3微观结构表征：(a) 三梯度表面；(b) 300 μm铜粉多孔表面；(c) 150 μm铜粉多孔表面；(d) 100 μm铜粉多孔表面Fig.3Microstructure characterization: (a) three-gradient surface; (b) 300 μm copper powder porous surface; (c) 150 μm copper powder porous surface; (d) 100 μm copper powder porous surface

对于本实验烧结-电镀强化管，管内涂层如图2(c)所示，300 μm铜粉颗粒层位于管道进口处，100 μm铜粉颗粒层位于管道出口处，150 μm铜粉颗粒层则在中间段。对于这三种不同粒径铜粉，经过烧结-电镀处理后产生的多孔涂层均有较好的润湿性，但三者的润湿性强度存在一定的差异。润湿性表面包括润湿性梯度表面和几何梯度表面，它们被认为是创造自发定向液体输送界面的关键因素。表面的润湿性梯度通常是由微观粗糙度梯度来产生的。液滴在由表面粗糙度和表面能的差异产生的驱动力下沿着润湿性梯度运动。一般来说，形状不对称的几何梯度表面会产生拉普拉斯压差来驱动液滴的运动。由于不同界面拉普拉斯压力的差异，液体倾向于从高表面能区流向低表面能区，水滴内部的非平衡拉普拉斯压力梯度可能会促使水滴向多孔涂层孔径较小的区域移动^[19]，从而降低液滴内部的平均拉普拉斯压力，所以管内液体会在管内形成一种轴向流动的驱动力，且方向是从粒径300 μm到粒径150 μm再到100 μm。

图4为烧结-电镀层润湿性及毛细力表征图。图4(a)为将烧结-电镀半管加热至一定温度后与常温酒精液体表面接触，摄像机所拍摄的温度变化，借助温度变化来反映镀层表面对液体的润湿吸附特性。从图中可以看出，在相同时间内，100 μm铜粉表面相较300 μm表面温度变化更为明显，说明100 μm镀层表面对液体有更大的吸附特性，相较300 μm镀层表面有更好的润湿性，能促进管壁面液体向100 μm镀层段移动，有效促进出口处管壁液相的及时补充，进而提升沸腾传热系数。

图4烧结/电镀层润湿性及毛细力表征：(a) 润湿性表征；(b) 毛细力特征图Fig.4Characterization of wettability and capillary force of sintered/electroplated layers: (a) wettability characterization; (b) capillary force characteristic diagram

2 实验数据处理及实验验证

3 结果与讨论

3.1 流型分析

实验条件下所观察到的流型如图5所示。共观察到三种流型。分层流出现在较低入口干度和较低质量流速时，随着质量流速和入口干度的增加出现环状流。随着入口干度进一步增加，液膜会蒸发并吸收热量，导致管内壁与气相直接接触，管内液膜干涸^[25]。

图5流型分布Fig.5Flow distribution

3.2 热通量对换热特性的影响

图6为不同热通量对传热系数的影响。同一干度下，传热系数随热通量的增加呈先增加后减小的趋势。这是由于热通量的增加激活了多孔结构中的成核位点，促使管内壁上生成更多气泡，从而显著增强了沸腾换热过程。然而，随着热通量的进一步升高，工质的相变速率加快，导致蒸气含量显著上升。由于多孔结构限制了气泡沿径向扩展的空间，局部气相滞留加剧，换热机制逐渐由以成核沸腾为主转变为以蒸气主导的受限对流换热。气相在孔隙中的不稳定积聚和气泡脱离受阻不仅降低了成核频率，还造成热阻增大，从而使传热系数下降，整体换热性能出现恶化^[26]。

图6热通量对传热系数的影响Fig.6The effect of heat flux on the heat transfer coefficient

3.3 质量流速对换热特性的影响

图7所示为不同质量流速对传热系数的影响。如图所示，随着质量流速的增加，传热系数显著提升，这表明质量流速在强化换热方面具有积极作用，尤其在较高热通量条件下，这种促进效应更加显著。在高热通量下，管内工质的相变速率加快，壁面干涸现象更易发生，从而导致局部传热性能劣化。而较高的质量流速能够提供更强的剪切力与更快的液相再润湿能力，有助于及时补充和维持加热壁面上的液体供给，从而有效抑制干涸的发生，维持成核沸腾换热机制，提高整体换热效率。

图7质量流速对传热系数的影响Fig.7The effect of mass flux on the heat transfer coefficient

3.4 入口干度对换热特性的影响

图8为入口干度对传热系数的影响。从图中可以看出，在较低热通量下，传热系数随着入口干度的增加而增大，但当热通量q=60、75 kW/m²时，传热系数随着入口干度的增大整体呈现出先增大后减小的趋势，换热情况恶化。在较低干度范围内，气液界面接触面积的扩大和气泡活动增强有助于强化成核沸腾，从而提高换热效率。当入口干度进一步增加时，液相含量逐渐减少，导致管壁润湿性降低，尤其在管道上部，受重力和气相加速影响易率先发生干涸现象。此时换热机制由成核沸腾转变为以蒸气主导的对流换热，导致局部传热系数降低，该过程体现了干度对沸腾换热行为的双重影响^[27]。

图8入口干度对传热系数的影响Fig.8The effect of inlet vapor quality on the heat transfer coefficient

3.5 摩擦压降特性分析

图9为不同热通量条件下，入口干度对摩擦压降（ΔP_f）的影响。在换热表面引入多孔结构会导致流动阻力的增加。从图中可以看出，三种质量流速下摩擦压降均随入口干度的增加而升高。入口干度的升高意味着进入管内的蒸气含量增加。相较于液相，气相虽黏度较低但体积更大，容易引发流动不稳定性并增强局部湍流，从而导致摩擦阻力增大^[28-29]。在干度较低时，液相占主导，气泡尺寸较小，对壁面的摩擦影响有限；而随着干度升高，管内流型逐渐转变为环状流，气相主要集中在管中心，液膜则分布在管壁附近。高速气流对液膜施加较强剪切作用，从而进一步增加摩擦压降^[30]。热通量的变化对摩擦压降并没有造成太大的影响。

图9摩擦压降影响分析Fig.9Analysis of the influence on frictional pressure drop

3.6 强化换热综合分析

为了更直观表征强化管的换热强化效果，定义了强化换热因子(EF)和综合评价因子(PEC)：

(11)

(12)

其中，h_强化管和h_光滑管分别代表强化管和光滑管的传热系数，1/6为压降的幂指数^[31]。

图10为换热强化因子与综合评价因子分析示意图，实验条件下质量流速G=400 kg/( m²·s)。除个别工况外，EF和PEC均大于1，最大分别为2.71和2.98，说明三梯度强化管具有较好的增强换热效果。当入口干度较低时，管内主要为液相，强化效果较弱，随着入口干度的提升，管内流型转变为环状流，同时强化管内壁的三梯度多孔镀层也具有较好的主动润湿性，可以促进换热面供液补给，进而提高传热系数。

图10换热强化因子与综合评价因子分析Fig.10Analysis of EF and PEC

对于管内流动沸腾换热，工质在加热表面上的气泡成核是换热强化的关键环节。成核点的数量、尺寸及分布直接影响气泡的生成频率和换热效率^[32-33]。通过在管内壁面烧结铜粉构建多孔结构，可以显著增加可用的成核位点，从而强化流动沸腾换热。在光滑壁面上，气泡成核主要依赖于表面微观缺陷，但其数量有限，导致成核点稀疏。同时气泡成核往往比较随机，气泡尺寸不均匀，进而导致换热不稳定。通过烧结铜粉颗粒形成的多孔结构具有丰富的微纳米级孔隙，其内部可以捕获工质中的微小气体，使得大量微小气泡可以在较低的过热度下快速成核，显著提高气泡成核频率。同时，烧结产生的多孔结构所形成的成核点位分布均匀，气泡能够在整个加热表面上均匀生成和脱离，从而减少局部过热，提高换热均匀性。与此同时，多孔表面高密度的气泡生成，使得气泡脱离后能够引发局部流体扰动，提高管内工质的湍流程度，加快换热表面的流体更新速率。这种扰动不仅增强了液体补充，还能加速换热表面与工质之间的热交换，提高整体传热系数。

图11为沿程换热性能变化。为深入探究分段式多孔结构对流动沸腾换热的沿程调控作用，将实验段按镀层孔径分布划分为入口段(300 μm)、中间段(150 μm)和出口段(100 μm)，分别计算了各段的局部传热系数。如图所示，随着入口干度的增加，各段传热系数呈现不同的变化趋势：入口段在低干度区域(x_in<0.3)，传热系数较高，主要得益于较大孔径结构引发的湍流增强效应与气泡成核促进；中间段传热系数在整个干度范围内较为稳定，适中孔径结构有效维持了环状流液膜稳定性，避免了局部干涸早期发生；出口段在高干度区域(x_in>0.6)，传热系数显著高于其余段，说明小孔径结构通过强毛细作用有效捕获液滴、补充液膜，延缓了干涸现象的发生。

图11沿管程换热性能变化分析Fig.11Analysis of heat transfer performance variation along the path

入口段大孔径多孔结构在流动沸腾换热中的作用，主要体现在流动模式的优化上。通过增强气液流动的均匀性、引起湍流并促进气泡行为的变化，较大孔径的多孔结构能够有效地调控流动模式，推动气泡流、泡状流或环状流的形成，从而增强换热效率。在中段，适中的孔径有助于气泡的形成和增长，同时不会像入口段过于打散气泡，保持适中的气泡尺寸有助于增强热交换过程中的气泡蒸发和液体的加热效率。同时适中的孔径设计使得两相分布更加均匀，避免局部流动不稳定导致的换热效率下降。出口段的小孔径结构具有较大的毛细力，能够有效吸附出口段管内工质的漂浮小液滴。在流动沸腾中，工质中的小液滴可能由于流动不稳定或气液分布不均而漂浮在气相中。小孔径的设计通过增加管壁与液滴之间的接触面积、增强毛细力等方法可以有效促进小液滴吸附到换热表面。进而对换热面进行液体补给，减缓壁面干涸的形成。

同时在不同多孔结构的连接区域，孔隙尺寸的变化会导致毛细压力梯度的形成，从而驱动液体向小孔隙区域迁移，增强液体回填能力并减少局部干涸现象。根据拉普拉斯方程，毛细压力与孔隙半径成反比^[34]。当液体从大孔隙区域流向小孔隙区域时，由于小孔隙具有更大的毛细压力，液体会受到更强的毛细吸引力，形成一种毛细压力梯度。这种毛细压力梯度形成了一种自发的液体输运机制，有助于沸腾后端换热面液体的快速补给，避免局部温度过高，推迟临界热通量(CHF)的到来。这种换热面的液体补给机制对于高热通量工况尤其重要，可维持持续的换热能力，提高整体换热稳定性。

4 结论

本研究采用烧结、电镀相结合的方法，在内径为10 mm的不锈钢管内壁面制备一层梯度微-纳多孔镀层结构。以R245fa为工质，进行了管内流动沸腾换热实验，得出如下结论。

(1) 非均质多孔镀层结构不仅为换热面提供了更多的成核点位，同时镀层的润湿与吸附特性促进了液相的及时补给，使液态工质更易在表面铺展，从而增强换热。入口段的大孔径结构可优化流动模式，增强气液均匀性和湍动性；中段适中孔径有利于气泡适度生长与均匀分布，提高蒸发与加热效率；出口段小孔径依靠毛细力吸附液滴，进一步提升换热性能。

(2) 实验中观测到三种流型，分别为：分层流、环状流、干涸。实验制备的三梯度多孔镀层能有效促进水平管内的流动沸腾换热，EF和PEC最大分别为2.71和2.98。

(3) 实验中热通量、入口干度、质量流速的改变均会对传热系数带来一定的影响。当q≤45 kW/m²时，传热系数随干度先升高后降低；在更高热通量下，则随干度增大而下降。质量流速增加可显著提升传热系数，且在高热通量下作用更为显著。

R245fa flow boiling heat transfer characteristics in horizontal tube with segmented porous coating

CAO Shuang^1,²LIU He¹GUO Jiaju¹ZHANG Yi¹LIU Wenpei¹WU Xuehong^1,²

（1.College of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan, China；2.Henan International Joint Laboratory of Energy Efficient Conversion and Utilization, Zhengzhou 450002, Henan, China ）

Abstract: A segmented micro-nano porous coating structure was fabricated on the inner wall surface of a stainless-steel heat transfer tube by a combined sintering and electroplating process. Flow boiling heat transfer experiments with R245fa as the working fluid were conducted in a horizontal tube. The experimental conditions were: saturation pressure of 0.6 MPa, mass flux ranging from 200 to 700 kg/(m²·s), heat flux ranging from 5 to 75 kW/m², and inlet vapor quality between 0.01 and 0.9. Experimental results indicate that constructing porous structures with different pore sizes along the tube flow direction can effectively enhance boiling heat transfer by adapting to flow pattern transitions. The enhanced tube exhibited a significant improvement in flow boiling heat transfer performance, with a maximum enhancement of up to 2.71 times compared to a smooth tube. The smaller pore structure at the outlet facilitates the capture of micro-droplets, enhancing their adsorption onto the heat exchange surface. This mechanism ensures efficient liquid replenishment, thereby mitigating the formation of wall dry-out. Flow visualization revealed the presence of three flow patterns during the experiments: stratified flow, annular flow, and dryout.

Keywords: two-phase flow；heat transfer；microscale；wettability；flow boiling

第一作者：曹泷(1989—)，男，博士，副教授，caos@zzuli.edu.cn

通讯作者：吴学红(1979—)，男，博士，教授，wuxh1212@163.com

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水平管内分段式多孔镀层R245fa沸腾换热特性

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