传热学沸腾强化
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第八章 沸腾换热的强化
8.1沸腾过程
中国 南京
1934年日本科学家拔山(Nukiyama)发表第一条测得的沸 腾曲线 1931年Jakob研究传热表面状况对核沸腾的影响时发现表 面喷砂后，核沸腾传热可提高15%以上，但此种强化 效果只能维持一天；他还发现在表面上刻划深为 0.016mm、间距为6.48mm的浅槽，可使核沸腾传热最 初可提高三倍，但几天后强化效果不复存在。 1955年后陆续又有一些论文发表，重新研究粗糙表面对于 强化沸腾传热的作用。 1960年Griffith等指出，空穴的开口尺寸决定了初始沸腾 所需的壁面过热度，而空穴内部的形状决定了沸腾的 稳定性。 1980年Webb的综述论文可以作为进入此领域的必读文献。
强化传热技术
2016/1/8
能源与环境学院
中国 南京
② 应用带有凹陷形核化空穴的传热面
• 降低液体的润湿性的方法对于氟利昂致冷剂 等润湿性很强，接触角很小的液体难以奏效， 可采用凹陷形核化空穴原则。
小通道尺寸比核化空穴至少高一个数量级， 密布在传热表面的小通道不但增加了传热面 积，而且通道表面可能附着液膜。由于其厚 度极薄，液膜热阻几乎可以忽略，液膜在较 高的壁温下迅速蒸发，生成的蒸汽在通道内 汇合，在浮升力作用下运动并逸出通道。
过渡阶段 沫态也称核态
充分发展 核沸腾区
偏离核沸 腾DNB
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能ຫໍສະໝຸດ Baidu与环境学院
热流密度q
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• 沸腾强化过程远比单相介质传热复杂，除 了传热系数的提高外还有： – 临界热流的提高。很多场合更关心“沸 腾危机”，即提高临界热流，避免“烧 毁”的发生。 – 对“偏离自然对流”的促进。 – 膜沸腾的强化。由于应用很少，其性能 和机理的研究也不多，较薄弱。
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8.3 典型的沸腾强化表面
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专利持有者：R L Webb, Trane公司
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• 管表面有长 短不同的肋 片，然后将 肋片向相反 方向压弯， 形成陷入的 凹槽。
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• 在低肋管 表面的肋 片之间， 松驰地缠 绕金属或 非金属丝， 属附着式 强化表面。
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• 将多股纤维 组成的细索 螺旋形绕在 光管上或肋 管的肋片之 间，属附着 式强化表面。
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性能优异的E管在 强化传热技术 DNC性能方面相当差
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8.2沸腾强化的基本原则
① 降低表面的润湿性
•
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一些液体（如：有机致冷剂、液化气体），其液汽界面的表 面张力系数σlv比较小，因而其接触角θ也比较小.
cos ( sv-σ sl )/σlv
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• 7条曲线代表7种由小 到大不同的热流密度 工况。 • 曲线2 比曲线1早发生 过冷沸腾；两者的临 界热流密度工况都是 由蒸干引起，2较1早。 • 曲线3的过冷沸腾更 早发生，且在汽泡状 沸腾区就出现临界热 流密度工况。 • 曲线6和7的偏离汽泡 状沸腾工况在过冷区 域发生。
σsv和σsl分别为固体壁面同蒸汽和液体的表面张力系数
•
•
•
对于接触角比较小、润湿性强的流体，液气界面是向上凸起 的，气体容积减小时，界面曲率半径R随之减小，而需要的 过热度却提高了，部分气体会因低于饱和温度而凝结，并放 出潜热，气体容积进一步减小，不利于沸腾； 如果液体的润湿性差、接触角大，则液气界面是向下凹的， 则上述过程是稳定的，即气体容积的减小所需过热度也减小， 气核存在的可能性较大，这自然促进了沸腾。 例：传热面上做出密布的小坑，坑内有聚四氟乙烯。
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• Gewa-T管 • 将肋管上肋 片顶部压成 T型，管子 上形成凹槽。
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• 先制成螺旋 形肋片，然 后再压成图 示双重凹陷 结构。
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K Fujie, 等, 日立公司
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• 将聚四氟乙烯点散布在 不锈钢传热表面，用水 作工质，点子直径在 0.25mm以下，密度为 30~60/cm2。 • 对于非润湿表面。汽泡 的曲率半径大，因而核 化所需过热度比较低， 汽泡生长之后，影响其 邻近的润湿表面，从而 使总的平均沸腾温度差 下降。 • 但此方法对于氟利昂、 液氮等润湿性强的液体 无效。
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q增大则qcr左移
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• 在光管中插 入扭带一般 可使临界热 流密度值增 加30%。
工质焓值
工质温度
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8.4 强化表面的性能
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多孔介质管
普通管
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• 用于冷冻 机蒸发器， E管与低 肋管相比， 传热面积 下降26%， 体积缩小 30%。
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E管 强化传热技术
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• Gewa-T 管的管束 性能不如 Gewa-T 单管，但 光管的管 束性能优 于单管。
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产品： • 美国Union Carbide公司的High Flux管 • 德国Wieland –Werke公司的Gewa-T管 • 日本日立公司的Thermoexcel-E管都能使沸 腾传热得到成倍提高。
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• 热负荷较小时， 换热系数只与流 速有关，流速越 高，换热系数越 大； • 随着热负荷增大， 进入汽泡状沸腾 换热方式，流速 对换热系数已无 影响。各条曲线 汇合在一起。热 负荷增大则换热 系数也增大。
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0.2MPa压力下水沸 腾时蒸汽含量β 和换热系数α的 关系曲线。 • β 小于60%时， α为常数； • 超过60%后蒸汽 增多，流速加快， 换热系数增大； • 但接近蒸干时， 换热恶化，换热 解决的办法是用分离器来完成去 系数剧降。 除最后的水分，有条件的话，可 考虑在最后一段补液
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8.5管道中强制对流沸腾换热的强化
(1) 垂直圆管内
A区，液体温度和管壁温度都低 于饱和温度. B区, tf < ts ,但 tw 已足以产生汽泡. C区和D区， tf = ts , tw 有足够的 过热度，产生的汽泡增多， 换热靠汽泡自壁面吸收蒸发 热带入主流. E区和F区，蒸汽在管子中心形 成汽柱，管壁形成环状液膜 流动，F区液膜减薄蒸干. G区，蒸干后换热系数迅速下降， 壁温急剧升高,主流中尚有雾 状水滴. H区，单相强制对流.
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③ 形成小通道内的液膜蒸发
•
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• 以上三个原则 均用于核态沸 腾的强化。对 于过渡沸腾和 膜沸腾，使用 肋片是有效方 法。
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• 多孔金属覆 盖层存在许 多由金属颗 粒构成的凹 穴和隧道。 增多了稳定 的汽化核心， 使汽化强度 大为增加， 可以在很低 的过热度下 沸腾。
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对“偏离自然对流(DNC)”的促进
• 某个模拟集成电路片的沸腾 曲线。热流上升时壁面温度 可能大大超过正常的数值， 热流达到一定值时，沸腾突 然发生，壁温同时陡然下降， 此现象称为“温度过头”； 温度下降时沸腾曲线与上升 时不完全相同。在同样的热 流密度下壁温过热度比上升 时低。 • 这种偏离称为“热滞后” (Hysterisis)。 • 很多强化表面的“热滞后” 现象常比光滑表面更严重。
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tf
α
tw
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（2）水平管内
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• 后半程管壁上部会失水与蒸汽直接接触，管 壁温度突然升高，周期性壁温变化，对金属 材料强度不利。 • 进口流速较高时，对于改善流动结构的不均 匀性有利。
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Gewa-T管的实验数据
d-缝宽
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附着式强化物
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• 金属丝缠绕 的光滑圆管 的性能没有 产生热滞后 现象。
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1934年日本科学家拔山(Nukiyama)发表第一条测得的沸 腾曲线 1931年Jakob研究传热表面状况对核沸腾的影响时发现表 面喷砂后，核沸腾传热可提高15%以上，但此种强化 效果只能维持一天；他还发现在表面上刻划深为 0.016mm、间距为6.48mm的浅槽，可使核沸腾传热最 初可提高三倍，但几天后强化效果不复存在。 1955年后陆续又有一些论文发表，重新研究粗糙表面对于 强化沸腾传热的作用。 1960年Griffith等指出，空穴的开口尺寸决定了初始沸腾 所需的壁面过热度，而空穴内部的形状决定了沸腾的 稳定性。 1980年Webb的综述论文可以作为进入此领域的必读文献。
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② 应用带有凹陷形核化空穴的传热面
• 降低液体的润湿性的方法对于氟利昂致冷剂 等润湿性很强，接触角很小的液体难以奏效， 可采用凹陷形核化空穴原则。
小通道尺寸比核化空穴至少高一个数量级， 密布在传热表面的小通道不但增加了传热面 积，而且通道表面可能附着液膜。由于其厚 度极薄，液膜热阻几乎可以忽略，液膜在较 高的壁温下迅速蒸发，生成的蒸汽在通道内 汇合，在浮升力作用下运动并逸出通道。
过渡阶段 沫态也称核态
充分发展 核沸腾区
偏离核沸 腾DNB
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• 沸腾强化过程远比单相介质传热复杂，除 了传热系数的提高外还有： – 临界热流的提高。很多场合更关心“沸 腾危机”，即提高临界热流，避免“烧 毁”的发生。 – 对“偏离自然对流”的促进。 – 膜沸腾的强化。由于应用很少，其性能 和机理的研究也不多，较薄弱。
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性能优异的E管在 强化传热技术 DNC性能方面相当差
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8.2沸腾强化的基本原则
① 降低表面的润湿性
•
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一些液体（如：有机致冷剂、液化气体），其液汽界面的表 面张力系数σlv比较小，因而其接触角θ也比较小.
cos ( sv-σ sl )/σlv
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• 7条曲线代表7种由小 到大不同的热流密度 工况。 • 曲线2 比曲线1早发生 过冷沸腾；两者的临 界热流密度工况都是 由蒸干引起，2较1早。 • 曲线3的过冷沸腾更 早发生，且在汽泡状 沸腾区就出现临界热 流密度工况。 • 曲线6和7的偏离汽泡 状沸腾工况在过冷区 域发生。
σsv和σsl分别为固体壁面同蒸汽和液体的表面张力系数
•
•
•
对于接触角比较小、润湿性强的流体，液气界面是向上凸起 的，气体容积减小时，界面曲率半径R随之减小，而需要的 过热度却提高了，部分气体会因低于饱和温度而凝结，并放 出潜热，气体容积进一步减小，不利于沸腾； 如果液体的润湿性差、接触角大，则液气界面是向下凹的， 则上述过程是稳定的，即气体容积的减小所需过热度也减小， 气核存在的可能性较大，这自然促进了沸腾。 例：传热面上做出密布的小坑，坑内有聚四氟乙烯。
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• Gewa-T管 • 将肋管上肋 片顶部压成 T型，管子 上形成凹槽。
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(1) 垂直圆管内
A区，液体温度和管壁温度都低 于饱和温度. B区, tf < ts ,但 tw 已足以产生汽泡. C区和D区， tf = ts , tw 有足够的 过热度，产生的汽泡增多， 换热靠汽泡自壁面吸收蒸发 热带入主流. E区和F区，蒸汽在管子中心形 成汽柱，管壁形成环状液膜 流动，F区液膜减薄蒸干. G区，蒸干后换热系数迅速下降， 壁温急剧升高,主流中尚有雾 状水滴. H区，单相强制对流.
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③ 形成小通道内的液膜蒸发
•
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• 多孔金属覆 盖层存在许 多由金属颗 粒构成的凹 穴和隧道。 增多了稳定 的汽化核心， 使汽化强度 大为增加， 可以在很低 的过热度下 沸腾。
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• 某个模拟集成电路片的沸腾 曲线。热流上升时壁面温度 可能大大超过正常的数值， 热流达到一定值时，沸腾突 然发生，壁温同时陡然下降， 此现象称为“温度过头”； 温度下降时沸腾曲线与上升 时不完全相同。在同样的热 流密度下壁温过热度比上升 时低。 • 这种偏离称为“热滞后” (Hysterisis)。 • 很多强化表面的“热滞后” 现象常比光滑表面更严重。
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（2）水平管内
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• 后半程管壁上部会失水与蒸汽直接接触，管 壁温度突然升高，周期性壁温变化，对金属 材料强度不利。 • 进口流速较高时，对于改善流动结构的不均 匀性有利。
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