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1、1,7-2 沸腾换热现象(Boiling Heat Transfer),蒸发：液汽界面上液体汽化的相变过程,沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽化过程,2,根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产生沸腾现象,液体沸腾可以分为两大类：容积沸腾、表面沸腾,容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling):沸腾直接发生在液体容积内部，且不存在固体加热壁面,表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling):沸腾发生在与液体接触的加热面上,表面沸腾（非均相沸腾）分类：,大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：,热表面沉浸在具
2、有自由表面的液体中的沸腾,有限空间沸腾（或受迫对流沸腾、管内沸腾）：,3,4,饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度 tw ts,即：tw tfts,壁面附近有很大的温度梯度；绝大部分液体的温度略高于饱和温度,5,过冷沸腾：液体主体温度低于ts，而壁面温度 tw ts,即：tw ts tf,6,一、大空间沸腾换热（Pool boiling）,1、饱和沸腾过程与沸腾曲线,Nukiyama(拔三四郎)1934年镍铬合金丝熔点：1500K铂(白金)丝熔点：2045K,沸腾温差：饱和沸腾时t=tw-ts沸腾曲线：沸腾时热流通量（热流密度）q随沸腾温差变化的关系曲线,7,8,大容器饱和沸腾的特点：加热
3、表面上有汽泡生成，随着汽泡长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。,4个阶段：,饱和沸腾曲线:,qwt,（1）自然对流,（2）核态沸腾AC,（3）过渡沸腾CD,（4）膜态沸腾D,9,核态沸腾,10,过渡沸腾,11,膜态沸腾,12,沸腾危机:,（DNB:departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点，安全警界点,13,7.4.3 汽泡动力学简介,汽化核心：加热表面上能产生汽泡的地点。,（1）气泡得以存在的力学条件,气泡受到两种力作用：,表面张力、压强 p,表面张力使气泡表面积缩小,要使气泡长大，气泡内压力需克服表面张力对外做功,14,假设：气泡体积膨
4、胀了微元体积dV，相应地表面积增加了dA.,作功量为：,当气泡处于平衡状态时：,球形气泡：,15,气泡能够存在而不消失的条件：,如果压强差作用力大于表面张力，气泡就能继续长大,16,（2）气泡被加热的途径,热量一方面由壁面与气泡直接接触的表面传给气泡；另一方面热由壁面传给液体，再由液体传到气泡表面,气泡内饱和蒸汽压力pv相对应的饱和温度为tv；为使气泡长大，气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度tl大于或至少等于tv（tltv）,17,气泡内饱和蒸汽压力pv相对应的饱和温度为tv；为使气泡长大，气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度tl大于或至少等于tv（tltv）,与pl相对应的是饱
5、和温度为ts：tvts,tw tl tv ts,tl ts,气泡存在和长大的动力条件是液体的过热度,气泡膨胀长大，受到的浮升力也增加；当浮升力大于气泡与壁面的附着力时，气泡就脱离壁面升入液体，附着力与液体对壁面的湿润能力有关。,18,气泡难于脱离壁；传热量低,19,（3）气泡的生长点及最小气泡半径,气泡能够存在不消失并继续长大的力学条件：,半径R越小的气泡需要较大的压强差,利用克劳修斯-克拉贝龙方程，可得出：,20,加热壁面上总是存在各种伤痕、裂缝和加工的痕迹。这些地点中容易残留气体，这种残留气体就自然成为产生气泡的核心。所以，增加表面上狭缝、空穴与凹坑成为工程中开发强化传热的基本目标。,a)
6、最小的气泡在壁面上；即：壁面上的凹缝，空隙等是生成气泡核的最好地点。,气泡量增多,c),气泡核增多,21,7-5 大容器沸腾传热实验关联式,7.5.1.大容器饱和核态沸腾换热计算公式,（1）米海耶夫公式（适用于水在1054106压力下大容器饱和沸腾）：,为过热度，p为绝对压力。,22,（2）罗森诺公式：,l 为饱和液体的动力粘度（Pas）；,r 为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kg）；,为液体与饱和蒸气界面上的表面张力（N/m）；,l、v 分别为饱和液与饱和蒸气的密度（kg/m3）；,cpl 为饱和液体的比定压热容（J/kgK）；,t 为壁面的过热度，即沸腾温差（）；,s 为经验指数，对水s=1，
7、对其它液体，s=1.7；,23,Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；,24,25,（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：,Mr为液体的相对分子质量（分子量）,pr为对比压力，即液体压力与其临界压力之比。,Rp为表面平均粗糙度，单位为m。对于一般工业用材料表面，Rp=0.30.4 m。,26,朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度的计算公式：,适用条件：大空间核态饱和沸腾，加热表面的特征尺寸远大于汽泡平均直径。,临界热流密度的数值与压力密切相关，在比压力（液体的压力与其临界压力之比）大约等于0.3处临界热流密度具有极大值。,7.5.2 大容器沸腾的临界热流
8、密度计算公式,27,7.5.3 大容器膜态沸腾换热的计算公式,膜态沸腾中气膜的流动和换热类似于膜状凝结中液膜的流动与换热，可用类似的分析方法分析，得到的解的函数形式也很相似：,定性温度：l 和 r采用饱和温度ts，其余物性参数用tm=(tw+ts)/2。对于球面，系数0.62改为0.67。,28,7.6 沸腾传热的影响因素及其强化,1.不凝结气体,与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使传热得到某种强化。,2.过冷度,如果大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度，则这种沸腾称为过冷沸腾。,3.液位高度,当传热表面上的液位足够高时，沸腾传热表面传热系数与液位无关。,当液位降低到
9、一定值时，沸腾传热的表面传热系数会明显地随液位降低而升高。,29,5.管内沸腾,水管锅炉及制冷系统中的管式蒸发器中的沸腾,管内沸腾时，由于沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸汽与液体混合在一起，构成汽液两相混合物两相流,垂直管内沸腾时的流型：单相流、泡状流、块状流、环状流,30,水平管内沸腾：流速较高时，情形与垂直管类似；流速低时，由于重力的影响，气液将分别趋于集中在管的上半部和下半部,管内沸腾换热还取决于管的放置位置、管长与管径、壁面状况、液体的初参数、流量、汽液的比例等。比大空间沸腾复杂,31,7.6.2 强化沸腾传热的原则和技术,1、强化大容器沸腾的表面结构,1）烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等
10、物理与化学方法在换热表面上造成一层多孔结构,2）采用机械加工方法在换热表面上造成多孔结构,32,33,7.6.3 热管,1942年，美国俄亥俄通用发动机公司的Gargler首次提出热管设想1964年，美国Los Alamos 科学实验室的Grover等发明了第一根传统热管,34,热管的工作特点：,重力热管示意图,（1）传热能力强：一根钢水热管的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜棒导热能力的1500倍；,（2）传热温差小；,（3）结构简单、工作可靠、传输距离长；,（4）热流密度可调（通过改变加热段和放热段的长度或加装肋片）；,（5）采用不同的工质可适用不同的温度范围（2002200度）,35,（6）
11、热管应用中存在的主要问题：密封性、热管管材与工质间的相容性。,36,热管（Heat Pipe）是一种高效的传热元件。,North China Electric Power University,由于其良好的传热特性，得到人们的重视并加以广泛应用。,1967年热管首次空间试验成功，美国第一次将热管用于卫星的温度控制。70年代以后，在空间应用热管成功的基础上，热管在地面民用领域的应用也快速发展起来，热管被大量用于工业余热回收、空调低温余热回收、空气预热器等等。目前，在世界范围内，从空间到地面，从军工到民用，在航天、航空、电子、电机、核工业、热工、电力、建筑、医疗、温度调节、余热回收以及太阳能与地热
12、利用等领域得到了广泛应用。,37,热管的工程应用：,（1）温度控制（如：航天器）；,（2）热量传递；,大功率晶体管冷却,38,North China Electric Power University,传统热管的广泛应用与局限,加热炉烟气余热回收热管换热器,39,North China Electric Power University,CPU纯铜热管散热器,40,North China Electric Power University,显卡热管散热器,41,North China Electric Power University,热管在高寒地区的应用,42,North China Ele
13、ctric Power University,传统热管的局限性,运行极限加热位置受限制微型化难度大,传统热管的工作状态在很大程度上受到汽、液工质传输特性的影响。由于运行极限的存在，使它的传热率受到一定的限制，达到这些极限值时，传热量无法再增加，否则会出现毛细芯的干涸和过热现象。,由于传统热管凝结液的回流是依靠重力和毛细力的作用，所以冷热端的位置也受到限制，通常必须底部加热。,随着热管管径的减小，热管单位面积的传热能力也越来越低。另外由于内部有吸液芯，微型化难度大。当流通截面直径为1mm2时，传输极限为50W/cm2。,43,North China Electric Power Universi
14、ty,1994年日本学者H.Akachi发明了脉动热管（Pulsating Heat Pipe),振荡流热管（Oscillating-Flow Heat Pipe),振荡流热管原理,当管径足够小时，在真空下封装在管内的工质将在管内形成液、汽相间的柱塞。在加热段，汽泡或汽柱与管壁之间的液膜因受热而不断蒸发，导致汽泡膨胀，并推动汽液柱塞流向冷端冷凝收缩，从而在冷、热端之间形成较大的压差。由于汽液柱塞交错分布，因而在管内产生强烈的往复振荡运动，从而实现高效热传递。,44,North China Electric Power University,振荡流热管的优点,管径小，体积小，强化传热，易于实现微型化。不需要毛细芯，结构简单，成本低。运行可靠，液体回流自适应性强，不易烧干。可以随意弯曲，应用范围广。可以采用不同的加热方式和加热位置。启动迅速。,45,Intel Pentium 42.8 GHz CPU 无风扇散热器,46,笔记本电脑冷却器,47,双极晶体管冷却器,48,振荡流热管换热器(一),49,振荡流热管换热器(二),50,干燥机余热回收器,铜管内径2 mm,8弯，32 组,51,微小型振荡流热管,52,微小型振荡流热管实验系统,
