传热学沸腾强化
强化沸腾传热的方法
沸腾传热强化技方法及比较摘要针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。
关键词沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；粉末多孔表面Boiling heat transfer enhancement techniques and comparisonAbstract:To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray method .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect.Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface1 前言在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。
常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。
其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。
本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。
传热学7-2
热管中各个传递环节的热阻分析
设热管的外径 do =25mm， 内径 di =21mm，蒸发段长度 le及冷 凝段长度 lc均为 1m，碳钢导热系数 =43.2 W/(m· K)。热量从热 流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下： (1). 从热流体到蒸发段外壁的换热热阻 R1 设蒸发段外表面总表面传热系数为 ho，e，则：
D
F
A B E
6/45
三 气泡动力学简介
1 沸腾传热具有较高传热强度的原因 气泡的形成、成长、脱离壁面所引起的各种 扰动而造成的。 要进一步强化沸腾传热就要设法增加加热表 面上产生气泡的地点----汽化核心 2 汽化核心产生地点
加热表面上凹坑、裂穴最有可能成为汽化核心
7/45
3 加热表面上要产生气泡液体必须过热
C
D
F
A B E
t q
5/45
沸腾传热有：
（1）壁温可以控制的情况 （2）热流密度可以控制的情况
C
临界热流密度 qmax
对于依靠控制热流密度来改 变工况的加热设备（电加热器 和核反应堆），一旦热流密度 超过峰值，工况将沿qmax 虚线 跳至稳定膜态沸腾线， t 将 猛升至近1000 º C，可能导致设 备的烧毁，所以qmax亦称烧毁点。 必须严格监视并控制热流密度。
R7
1
d o l c ho,c
在 R1~R7中，属于热管内部的热阻为R2~R6，其和为 6.78 10-3 K/W。一根长2m、直径为25mm的铜棒的热阻是上述钢-水 热管的1500倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为“超导 热性”。
本章作业
7-5、7-8、7-21、7-24、730、7-32
《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943
gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13
gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729
gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数
沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法是近年来受到越来越多的关注的技术，它能够显著提高传热效率，降低传热过程中的能耗。
沸腾传热强化技术及方法是一种在热传导过程中利用沸腾现象改善传热效率的技术，它主要通过改变传热介质的状态，使流体进入沸腾状态来提高传热效率。
沸腾传热强化技术及方法的主要方法包括：一种是通过改变传热介质的压力来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态，从而提高传热效率；另一种是通过改变流体的流速来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态；还有一种是可以通过改变流体的物性来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态。
沸腾传热强化技术及方法的应用场合非常广泛，主要用于控制热传导过程中的温度场、改善传热介质的流量分布、缩短传热过程的时间，以及在高压和超高压条件下的传热研究等。
沸腾传热强化技术及方法的使用，不仅可以提高传热效率，而且还可以节约能源，改善热能利用效率。
此外，沸腾传热强化技术及方法还具有一定的局限性，比如传热过程中存在较大的压力损失，同时也存在一定的操作风险，因此在沸腾传热强化技术及方法的运用中，必须谨慎操作，以避免因不当操作而可能带来的损失。
总之，沸腾传热强化技术及方法是一种可以显著提高传热效率的技术，它的应用场景非常广泛，可以节约能源，改善热能利用效率，但是在运用中也应该谨慎操作，以免造成不必要的损失。
传热学第六章凝结与沸腾换热
珠状凝结：凝结液体不能很好地润湿壁面，凝结 液体在壁面上形成一个个小液珠。珠状凝结时， 所形成的液珠不断长大，在非水平的壁面上，因 受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中，一方面会合相遇的液珠， 合并成更大的液滴，另一方面也扫清了沿途的液 珠，更利于蒸汽的凝结。凝结液只是局部隔断了 蒸汽与壁面间的换热，因此其热阻要远小于膜状 凝结。
层的导热热阻是主要热阻这一特点，忽略次要因 素，是分析求解换热问题的一个典范。 Nusselt膜状理论：凝结换热系数h只决定于膜的 厚度。
合理简化假设： 1）常物性； 2）蒸汽静止，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3）液膜的惯性力可以忽略；
4）汽液界面无温差，界面上液膜温度等于饱和温度，tδ=ts；
7.凝结表面的几何形状
纯净水蒸气凝结表面传热系数很大，凝结侧热阻不是主要部 分。若实际运行中有空气漏入，则表面传热系数明显下降。
对制冷剂凝结，主要热阻在凝结一侧，必须对凝结换热进行 强化。方法：
(1)用各种带有尖锋的表面，使在其上凝结的液膜减薄； (2)使已凝结的液体尽快从换热表面排泄掉。 (3)对水平管外凝结，可采用各种类型锯齿管或低肋管冷凝
亦适用。实验表明：当膜层Re<1600时为层流。
2.湍流膜状凝结换热实验关联式
Nu = Ga1/(
Prw Prs
)
1 4
(Re
3 4
−
253)
+
9200
式中：Ga — 伽里略数，Ga = gl 3 .
ν2
Prw — 以tw为定性温度的 Pr Ga、Re 、Prs — 以ts为定性温度
4.液膜过冷度及温度分布的非线性
沸腾强化换热原因
沸腾强化换热原因
沸腾强化换热是指在传统换热过程中，由于流体的沸腾现象而引起的加强换热效果。
沸腾强化换热的原因主要包括以下几点：
1.传热面积增加：在沸腾过程中，流体与换热壁面之间会形成大量的气液界面，这些界面的形成增加了传热面积，从而增强了换热效果。
2.温度梯度增大：沸腾过程中，由于液态流体与蒸汽在温度上的差异，使得传热界面上的温度梯度增大。
温度梯度的增大将导致更大的传热驱动力，从而提高换热效率。
3.对流换热增强：在沸腾过程中，由于液相的剪切作用，蒸汽的产生和泡沫的移动导致了流体的对流换热，这种对流换热机制使得热量的传递更加迅速和有效。
4.泡沫脱落热传递：在沸腾过程中，泡沫在壁面上形成并快速脱落，这种泡沫脱落会带走大量的热量，从而促进了换热过程。
5.液体搅动增强：在沸腾过程中，蒸汽的产生和泡沫的移动会引起流体的搅动，这种液体搅动可以破坏边界层，促进流体与换热面之间的传热，从而增强了换热效果。
总的来说，沸腾强化换热的原因是由于沸腾过程中产生的气液界面、温度梯度增大、对流换热、泡沫脱落和液体搅动等因
素共同作用，这些因素使得沸腾强化换热具有高效、高传热能力的特点。
7.4 相变换热的强化技术
第七章 7.4节 （22）
12
3．强迫流动沸腾的强化
• 管内流动沸腾强化的研究主要集中在制 冷工质方面
• 各种内肋管，包括内螺纹管、锯齿形内 肋管等是强化管的主要形式
• 槽间距、螺纹倾斜角以及介质的质量速 度、截面含汽率等参数对流动沸腾的表 面传热系数和沿程阻降均有重要影响
第七章 7.4节 （22）
第七章 7.4节 （22）
5
1．表面粗糙化 • 具有内凹形空穴的多孔表面（porous
surface）能够产生大量稳定的活化核化 点，同时表面积有明显的增加，相当于 表面肋化
2．表面特殊处理 • 表面用金刚砂布打毛、作喷砂处理、在
表面上刻划有规则的图案或划痕、细槽 • 沸腾滞后（boiling hysterisis）现象
（4）可注入不同工质以适应极宽的温度范 围（参见表7－3）。
（5）可以制作出能够控制热管工作温度的 “ 可变热导热管”和只能在一个方向上 传热的所谓“ 热二极管”。
第七章 7.4节 （22）
下一章
22
13
7.4.2 凝结换热的强化
凝结换热的强化技术除了具有重要的理论 价值和巨大的经济效益以外，还具有可 观的节水和环保效益。
提高膜状凝结传热效果的关键在于： 设法让液膜变薄，同时努力促进冷凝液的 排泄，即使液膜层的导热热阻尽可能地 减小。
第七章 7.4节 （22）
14
格雷戈里格（Gregorig）效应管可获得比光管大 几倍的凝结表面传热系数。 原理：利用凝结液的表面张力把液膜拉向壁表面 沟槽的凹部，并顺沟槽迅速排走，而在凸起的脊 部留下的液膜非常薄。
High-flux Thermoexcel－E
Gewa T
ECR 40
传热学-学习课件-7-6影响沸腾换热的因素及强化
换热得到某种程度的强化。
传热学 Heat Transfer
2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热
时，h (tw t f )1 4 ，因此，过冷会强化换热。
3 液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系
目前有两种常用的手段： (1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与 化学手段
在换热表面上形成多孔结构。 (2)机械加工方法。
传热学 Heat Transfer
传热学 Heat Transfer
Thanks
从0.1～1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热
规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于
Gr
gtl 3 2
Nu C(Re Gr )n
因此，g Nu 换热加强。
5、管内沸腾
传热学 Heat Transfer
锅炉水冷壁结构。
数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传 热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位)。
传热学 Heat Transfer
图中介质为一个大气压下的水
传热学 Heat Transfer
4 重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的
传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就 现有的成果表明：
传热学 He传at热Tr学ansfeHr eat Transfer
传热学 Heat Transfer
主讲老师：王舫 适用专业：能源与动力工程专业
传热学 Heat Transfer
7.6 影响沸腾换热的因素及强化
沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素 也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响 因素也只针对大容器沸腾换热。
强化传热
强化传热技术一、概述近年来，随着中国经济的快速发展，石油、化工等行业得到了长足的发展，各工业部门都在大力发展大容量、高性能设备，并且随着能源危机的进一步加大，对换热器的性能要求进一步提高，换热器向着尺寸小、重量轻、换热能力大、换热效率高的方向发展，因此强化传热技术成为一个蓬勃发展的研究领域。
强化传热技术分为无源强化技术（或被动式强化技术、无功强化技术）和有源强化技术（或主动式强化技术、有功强化技术）。
前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术；后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。
本文主要介绍了管壳式换热器的无源强化传热技术。
只要存在着温度差，热量就会自发地有高温转向低温，因此热传递是自然界中的基本物理过程之一。
因很多冶金的化学反应都需要控制在一定温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却；在冶金进程中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。
如闪速炼钢过程，为了强化熔炼反应，需将富氧气预热至500℃以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过程，由于反应放出大量的热，炉子外面需设置冷却水套，及时移走多余的热量。
此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但仍需维持在一定的温度下进行，如干燥和结晶，蒸发与热流体的输送等，都直接或间接与传热油关。
热传递过程可以分为导热、对流换热和辐射换热等三种基本方式，它们各自有不同的传热规律，实际中遇到的传热问题都常常是几种传热方式同时起作用。
二从传热学得出换热器的传热量可用下式进行计算，即TQ∆=，式中：kkF为传热系数，W/（m2*K）；F为传热面积，m2；为冷热液体的平均温差T∆，K。
从式中可以看出，欲增加传热量Q，可以增加k、F或T∆来实现。
下面对此加以讨论。
1：增加冷热液体的平均温差T∆在换热器中冷热液体的流动方式有四种，即顺流、逆流、交叉流和混合流。
在冷热流体进出温度相同时，逆流的平均温差T∆最小，因此∆最大，顺流时T为增加传热量应尽可能采用逆流或接近于逆流的布置。
传热学3-7章问答题及答案
第三章 非稳态热传导一、名词解释非稳态导热：物体的温度随时间而变化的导热过程称为非稳态导热。
数Bi ：Bi 数是物体内部导热热阻λδ与表面上换热热阻h 1之比的相对值，即：λδh Bi =o F 数：傅里叶准则数2τl a Fo =，非稳态过程的无量纲时间，表征过程进行的深度。
二、解答题和分析题1、数Bi 、o F 数、时间常数c τ的公式及物理意义。
答：数Bi ：λδh Bi =，表示固体内部导热热阻与界面上换热热阻之比。
2τl a Fo =，非稳态过程的无量纲时间，表征过程进行的深度。
hA cVc ρτ=， c τ数值上等于过余温度为初始过余温度的36.8%时所经历的时间。
2、0→Bi 和∞→Bi 各代表什么样的换热条件？有人认为0→Bi 代表了绝热工况，是否正确，为什么？答：1）0→Bi 时，物体表面的换热热阻远大于物体内部导热热阻。
说明换热热阻主要在边界，物 体内部导热热阻几乎可以忽略，因而任一时刻物体内部的温度分布趋于均匀，并随时间的推移整体地下降。
可以用集总参数法进行分析求解。
2）∞→Bi 时，物体表面的换热热阻远小于物体内部导热热阻。
在这种情况下，非稳态导热过程刚开始进行的一瞬间，物体的表面温度就等于周围介质的温度。
但是，因为物体内部导热热阻较大，所以物体内部各处的温度相差较大，随着时间的推移，物体内部各点的温度逐渐下降。
在这种情况下，物体的冷却或加热过程的强度只决定于物体的性质和几何尺寸。
3）认为0→Bi 代表绝热工况是不正确的，0→Bi 的工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热工况下边界热阻无限大。
3、厚度为δ2，导热系数为λ，初始温度均匀并为0t 的无限大平板，两侧突然暴露在温度为∞t ，表面换热系数为h 的流体中。
试从热阻的角度分析0→Bi 、∞→Bi 平板内部温度如何变化，并定性画出此时平板内部的温度随时间的变化示意曲线。
答：1）0→Bi 时，平板表面的换热热阻远大于其内部导热热阻。
强化传热技术简介
强化传热技术简介强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术，其主要内容是采用强化传热元件，改进换热器结构，提高传热效率，从而使设备投资和运行费用最低，以达到生产的最优化。
发展早在18世纪初就提出让风吹过物体表面强化对流传热。
但该技术真正引起人们重视是在20世纪60年代后，由于生产和社会发展的需要，强化传热技术载30多年来得到了广泛的发展和应用。
迄今为止，强化传热技术在动力，核能，制冷，石油，化工乃至国防工业等领域中得到广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过6000篇，获得了数百项专利，已发展成为成熟的第二代传热技术。
能源存在形式：矿物核能，地热能，化石燃料的化学能，太阳辐射能，海洋温差能，潮汐能，生物能，江河水利能，风能等，能量实质上就是各种运动形式相互联结，作用，转化的唯一媒介和桥梁，而能量利用的本质则是人为的以自然发生的变化去促成人类所需要的变化。
能源不仅是人类社会生存与发展的最基本的物质基础，而且是发展社会生产力的基本条件。
由于多年来对能源进行了不适当的开发利用，自20世纪70年代初中东石油危机爆发以来，以能源为中心的环境，生态和社会经济问题日益加剧，世界各国从发认识到节能的重要意义，能源的合理利用已成为当今世界各国应如何良性发展工业的核心问题，各种节能技术如雨后春笋般竞相出现。
强化传热技术的分类强化传热技术分为被动式强化技术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术)。
前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术; 后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术。
2.1被动式强化传热技2.1.1 处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。
可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面, 如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。
此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度, 通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。
强化沸腾传热的原则和方法
强化沸腾传热的原则和方法
沸腾传热是一种重要的热传导过程，其中包括液态变为气态的蒸发过程。
如何
有效地强化沸腾传热，在温度调节和热交换系统等四处都得到了广泛的应用。
目前，常用的方法有提高沸点，增加吸热表面积，用增压方法改善沸腾传热效果，制作陶瓷蒸发板，利用气泡的参与机理以及利用表面引发物质的效应来强化沸腾传热的技术和方法。
提高沸点是提升沸腾传热效率的基本方法，通常可以通过添加合适的溶剂来实
现这一目标，例如添加硼酸或硫酸可以提高水沸点，使沸腾传热效率有所提高。
另外，增加吸热表面积也是一种有效的提高传热效果的方法。
可以采用多维或双侧的撞击设计，增加传热表面的撞击区域，从而提高传热效率。
另外，增压的方法也可以改善沸腾传热的效果，通过把蒸发的物体的压力提高，可以有效提升沸腾传热的传热系数。
此外，增加表面引发物质可以改善沸腾传热，因为这种物质可以形成蒸汽气泡和液体表面之间的另类接触界面，从而改善沸腾传热。
同时，采用特殊膜结构的蒸发板，可以增大蒸发表面积，增强气泡现象，从而提高沸腾传热效率。
总之，强化沸腾传热的原则和方法有提高沸点，增加吸热表面积，用增压的方
法以及制作陶瓷蒸发板，利用气泡的参与机理以及利用表面引发物质的效应。
同时，可以利用多维或双侧的撞击设计，增加传热表面的撞击区域，提高沸腾传热的效率。
总之，如果综合运用上述原则和方法，将能有效地强化沸腾传热。
传热学沸腾强化
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。形成小通道内的液膜蒸发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。
第28页/共30页
在光管中插入扭带一般可使临界热流密度值增加30%。
工质温度
工质焓值
第29页/共30页
感谢您的观看。
第30页/共30页
第10页/共30页
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。
第11页/共30页
Gewa-T管将肋管上肋片顶部压成T型，管子上形成凹槽。
第12页/共30页
先制成螺旋形肋片，然后再压成图示双重凹陷结Байду номын сангаас。
第13页/共30页
K Fujie, 等,日立公司
第14页/共30页
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。
性能优异的E管在DNC性能方面相当差
第4页/共30页
8.2沸腾强化的基本原则
降低表面的润湿性一些液体（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.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。
沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法
1沸腾传热强化技术
沸腾传热强化技术是一项用于提高传热效率的技术，它的工作原理是利用沸腾运动来加速传热。
沸腾是液体中气体粒子的游动，其中气态微粒子随机移动，就像水里漂浮的木屑。
然后，蒸汽颗粒将被冲入液体中，催生更多的新空气微粒，形成一个正负电荷的吸引力。
随着电荷的积聚，蒸汽颗粒将穿过液体分子的空隙，加快传热速度。
2传热强化技术的应用
沸腾传热强化技术主要应用于供暖和空调设备，以降低能耗改善系统性能。
目前，沸腾传热强化被广泛应用于空调系统、供暖系统、减温系统和恒温器等装置，以提高设备的传热效率。
3沸腾传热强化技术方法
沸腾传热强化技术方法主要有两种：自然沸腾传热和机械沸腾传热。
自然沸腾传热方法是利用液体的自然沸腾运动，借助蒸汽的气态变化，来加速传热；而机械沸腾传热方法是通过直接作用于液体上的机械电能，借助外加的振动源，来生成蒸汽，加速传热。
通过上述方法，沸腾传热强化技术可有效提高传热效率，为绿色供热、空调技术及能源综合利用技术的发展提供了有效可行的解决方案。
高等传热学课程论文--沸腾传热特点简介
研究生“高等传热学”论文重庆大学动力工程学院沸腾传热特点的综述摘要：介绍了水平管内及竖直管内流动沸腾的流型图，池沸腾及管内流动沸腾的传热强化技术，窄微流道内沸腾的传热特性。
并对沸腾传热的研究方进行了展望。
关键词：沸腾传热、流型图、强化技术、传热特性1、引言沸腾传热和汽液两相流是由本质上十分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种热流体流动过程，在核能、火箭、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造纸等工业中得到了广泛的应用。
管内流动沸腾按管道布置方式主要有水平管内流动沸腾，竖直管内流动沸腾两种方式；按流道结构分主要有圆管内流动沸腾与矩形流道内的流动沸腾；按流道的尺寸分主要有常规流道及窄微流道两种。
本文主要对不同管内流动方式的特点进行综述。
2、水平管内流动及竖直管内流动沸腾2.1 水平管内的流型水平流动下流场受到重力场作用，呈较显著的相分布不均匀性。
常见的水平同向流动的流型主要有弥散泡状流、层状流、间歇流和弥散环状流。
弥散泡状流的示意图如图1所示，从图中可以看出汽泡收到浮力影响，弥散在流道顶部。
随着流速增大汽泡成泡沫状弥散与整个流道。
图1 弥散泡状流的示意图层状流又可细分为纯层状流和波状层状流。
纯层状流的示意图如图2所示，从图中可以看出汽相在流道上部流动，液相在流道底部流动，重力使两相完全分离，两相交界面光滑。
随着汽相流速增大，汽液相界面呈波状，便进入波状层状流，其示意图如图3所示。
图2纯层状流示意图图3波状层状流示意图间歇流的示意图如图4所示，从图中可以看出间歇流是液相和汽相各自呈不同的构形在流道内交替出现。
其中间歇流又可细分为塞状流、半弹状流和弹状流。
塞状流：汽泡呈弹状且偏离于流道顶部流动。
弹状流：液相呈连续相，夹杂有小液滴的汽块偏置于流道顶部并与泡沫状液块相同。
这两种流型的间歇性都可能导致压力突然变化，引起工程中最感困惑的流道振荡破坏。
半弹状流与弹状流的差异仅是泡沫状液块界面呈波状且不与流道顶部相接触。
强化传热
处于均匀流化的颗粒而 言，它 们对加热面上汽泡核心的数量 和成长汽泡下面的液体微层蒸 发不产生明显的影响，但是对 于液体的对流换热则是具有重 要的作用
在充分流化的前提下，引入固体颗粒均能较为明显的起到强化换热的作用
制冷系统
R134a
中润滑油对强化管外池沸腾传热影响 的实验研究 含油率对于水平管外池沸腾换热的影响受管 结构、蒸发温度和流速等参数的影响 。在相 同流速、不同蒸发温度下 ,含油率为100×10 - 6的管外传热系数总是高于含油率为 50 ×10 - 6的管外传热系数
添加有Tio2纳米颗粒的R11池沸腾换 热研究
结果发现,纳米颗粒的添加基本使管上部粗 糙度降低,传热弱化,而使下部粗糙度增加,传 热强化 就整体换热而言,40℃的强化换热效果 好于30℃ ,0.01g/1的强化换热效果好于 0.05g/1。低热流密度下的强化换热效果好于 高热流密度。在铜管下部,当沸腾温度 40℃， 热流密度为12.5KW/m2时, 0.01g/1的纳米颗 粒添加使其换热系数比纯制冷剂提高20% 。
气泡产生并长大
气泡横向合并
气泡纵向合并
气泡的脱离直径
气泡的脱离时间
汽化核心密度
大空间和毛细管内液氮池沸腾传热的实验研究
结果表明 (1)在实验管径范围内 ,毛细管对加热丝加热的液氮核态沸腾传热有明显强化作用 , 并且管径越小 ,强化作用越明显。其强化换热的机理在于气泡在毛细管内的滑 动增强了加热丝向液氮的对流换热。 (2) ashilev关联式适用于描述倾角对于加热丝加热时液氮在大空间池沸腾的 CHF 值的影响。 (3)管径和倾角共同影响着 CHF值 ,存在一最佳管径 ,可在 30o、60o和 90o三个倾 角下获得最大 CHF值 ,且高于同等倾角下大 空间时的 CHF值。在实验管径范围内 ,CHF 值的最大值并不出现在 90o倾角 , 而是出现在 30o或60o倾角。
科技成果——无动力沸腾强化传热技术
科技成果——无动力沸腾强化传热技术
适用范围
该技术适用范围较广，在传热、散热领域，中国移动、电信、联通、铁塔，太阳能及智能手机生产企业等应用。
成果简介
公司首创的该技术经华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室、北京科技大学广州新材料研究院以及湖南科技大学材料学院等专业科研机构鉴定，极限热流密度、最大传热能力、传热距离、系统热阻等各项传热技术指标均具有国际领先水平。
研发出新技术装备4个：自控温铝热管技术装备、芯片散热技术装备、导冷技术装备、密闭空间节能技术装备。
技术效果
该技术高效节能量可达到79%，是其他同类技术的3-4倍。
以自控温铝热管为例，年取热面10万m2时，年可节约标准煤3812.81吨；二氧化碳年减排量为22915.34吨，二氧化硫年减排量为311.51吨，烟尘年减排量为82.55吨。
应用情况
目前该技术已经实现产业化，2020年以来，该技术市场占有率约2.5%。
示范工程名称：中国铁塔股份有限公司连云港市分公司
所在地：连云港
运行时间：1年
运行效果：单个基站全年节能率为79.36%
市场前景
该技术应用场景十分广泛，主要应用在传热、散热领域，需求量大，相较目前的热管技术有很大优势。
密闭空间节能和自控温铝热管有多应用于芯片散热，定制化程度高，具有较强的市场前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
q增大则qcr左移
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
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。
过渡阶段 沫态也称核态
充分发展 核沸腾区
ห้องสมุดไป่ตู้
偏离核沸 腾DNB
中国 南京
能源与环境学院
热流密度q
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
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.
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。
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
能源与环境学院
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
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
强化传热技术
③ 形成小通道内的液膜蒸发
•
能源与环境学院
2016/1/8
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
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。
中国 南京
• Gewa-T管 • 将肋管上肋 片顶部压成 T型，管子 上形成凹槽。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 先制成螺旋 形肋片，然 后再压成图 示双重凹陷 结构。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
K Fujie, 等, 日立公司
返回
能源与环境学院
能源与环境学院
中国 南京
性能优异的E管在 强化传热技术 DNC性能方面相当差
2016/1/8
8.2沸腾强化的基本原则
① 降低表面的润湿性
•
中国 南京
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
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
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。
2016/1/8
8.4 强化表面的性能
中国 南京
多孔介质管
普通管
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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%。
能源与环境学院
E管 强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
中国 南京
tf
α
tw
2016/1/8
（2）水平管内
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
Gewa-T管的实验数据
d-缝宽
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
附着式强化物
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
中国 南京
• 金属丝缠绕 的光滑圆管 的性能没有 产生热滞后 现象。
能源与环境学院
强化传热技术
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
8.3 典型的沸腾强化表面
中国 南京
能源与环境学院
强化传热技术
专利持有者：R L Webb, Trane公司
2016/1/8
中国 南京
• 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。
能源与环境学院
强化传热技术
2016/1/8
2016/1/8
中国 南京
• 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。