传热学沸腾强化

中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7第八章沸腾换热的强化8.1沸腾过程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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7产品：•美国UnionCarbide公司的HighFlux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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7沫态也称核态热流密度q过渡阶段充分发展核沸腾区偏离核沸腾DNB中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7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。性能优异的E管在DNC性能方面相当差中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/78.2沸腾强化的基本原则①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。lvslsvσ-σ)/(cos中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7②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。③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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/78.3典型的沸腾强化表面专利持有者：RLWebb,Trane公司中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•Gewa-T管•将肋管上肋片顶部压成T型，管子上形成凹槽。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•先制成螺旋形肋片，然后再压成图示双重凹陷结构。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7KFujie,等,日立公司返回中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/78.4强化表面的性能多孔介质管普通管中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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%。E管中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7Gewa-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2020/1/7附着式强化物中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•金属丝缠绕的光滑圆管的性能没有产生热滞后现象。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/78.5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,tfts,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.αtftw中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7（2）水平管内•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/70.2MPa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，换热系数剧降。解决的办法是用分离器来完成去除最后的水分，有条件的话，可考虑在最后一段补液中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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。q增大则qcr左移中国南京能源与环境学院强化传热技术2020/1/7•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