沸腾换热

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热管的工作特点：
（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（－200～2200度）
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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
31Байду номын сангаас
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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
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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
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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臵位臵、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
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
由于传统热管凝结液的回流 传统热管的工作状态在很大 是依靠重力和毛细力的作用， 程度上受到汽、液工质传输 所以冷热端的位置也受到限 特性的影响。由于运行极限 制，通常必须底部加热。 的存在，使它的传热率受到 一定的限制，达到这些极限 随着热管管径的减小，热管 值时，传热量无法再增加， 单位面积的传热能力也越来 否则会出现毛细芯的干涸和 越低。另外由于内部有吸液 过热现象。 芯 ，微型化难度大。当流 通截面直径为1mm2时，传 输极限为50W/cm2。
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CPU纯铜热管散热器
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显卡热管散热器·
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热管在高寒地区的应用
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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
1
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）：
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热管（Heat Pipe）是一种高效的传热元件。
热管的工程应用：
（1）温度控制（如：航天器）； （2）热量传递；
空气 烟气 空气预热器示意图 大功率晶体管冷却
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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
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热表面沉浸在具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）：
2
3
饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度 tw> ts 即： tw> tf＝ts
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
4
过冷沸腾：液体主体温度低于ts，而壁面温度 tw> ts 即： tw> ts >tf
26
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： 1/ 4 3 g v l ( l v )r h 0.62 ( t t ) d v w s 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。
t tw ts 为过热度，p为绝对压力。 q ht t q h 0.7 0.15 h C2q p
C2 0.533W /(m N
0.3 0.3 0.15
K)
21
（2）罗森诺公式：
c pl Δt q Cwl s rPrl l r g ( l v )
25
7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度计算公式 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 ：
qmax

24
r
1/2 v

g ( l v )
1/ 4
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。
13
假设：气泡体积膨胀了微元体积dV， 相应地表面积增加了dA. 作功量为：
dW ( pv pl )dV dA
当气泡处于平衡状态时：
dW 0 ( pv pl )dV dA
球形气泡：
4 V R 3 , A 4 R 2 3
( pv pl )4 R2dR 8 RdR 2 pv pl R
5
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
6
7
大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成，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。 饱和沸腾曲线: qw~t
、 Ts 、 r
Rmin 气泡核增多
h
20
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105～4×106压力下大容器饱和 沸腾）：
h C1t 2.33 p0.5
C1 0.122 W /(m N0.5 K3.33 )
Looped
Unlooped
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振荡流热管（Oscillating-Flow Heat Pipe) 当管径足够小时，在真空下封装在管内的工质将在管 1994年日本学者 H.Akachi发明了脉动热管 （Pulsating Heat Pipe) 内形成液、汽相间的柱塞。在加热段，汽泡或汽柱与 振荡流热管原理 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。
4个阶段： （1）自然对流 （2）核态沸腾A~C （3）过渡沸腾C~D
C
E
（4）膜态沸腾D～
A
B D
8
核态沸腾
9
过渡沸腾
10
膜态沸腾
11
沸腾危机:
（DNB: departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点， 安全警界点
12
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σ、压强 p 表面张力σ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
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气泡能够存在而不消失的条件： 2 pv pl R 如果压强差作用力大于表面张力，气泡就能继续长大 2 pv pl R ( pv pl ) R2 2 R
15
（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
R 0 pv pl
利用克劳修斯-克拉贝龙方程，可得出： 2Ts T T l Ts r v R
19
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) 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。 b) Δt=tw-ts 气泡量增多 h R c) p
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。
17
气泡难于脱离壁；传热量低
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（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： 2 pv pl R 半径R越小的气泡需要较大的压强差
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Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
23
33％
100％
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（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：
h Cq
0.67
M
0.5 r
p
m r
lg pr
0.55
C 90W0.33 ( m0.66 K)
m 0.12 0.2lg Rp
μm
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=0.3~0.4 m。
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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。
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 （tl ≥tv ）
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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（tl≥tv）
2 pv pl R 与pl相对应的是饱和温度为ts：tv>ts tw >tl >tv >ts pv pl
重力热管示意图
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（6）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。
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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 由于其良好的传热特性，得到人们的重视并加以广 起来，热管被大量用于工业余热回收、 泛应用。 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 地热利用等领域得到了广泛应用。

0.33
g ( l v ) c pl Δt q l r s Cwl rPrl l 为饱和液体的动力粘度（Pas）；
1/ 2
3
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，对其它液体，s=1.7；