沸腾换热

17-2沸腾换热现象(BoilingHeatTransfer)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，homogeneousboiling):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，heterogeneousboiling):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）：34饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度twts即：twtf＝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5过冷沸腾：液体主体温度低于ts，而壁面温度twts即：twtstf6一、大空间沸腾换热（Poolboiling）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78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。4个阶段：饱和沸腾曲线:qw~t（1）自然对流（2）核态沸腾A~C（3）过渡沸腾C~D（4）膜态沸腾D～ABCDE9核态沸腾10过渡沸腾11膜态沸腾12沸腾危机:（DNB:departurefromnucleateboiling）偏离核沸腾点，安全警界点137.4.3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14假设：气泡体积膨胀了微元体积dV，相应地表面积增加了dA.()vldWppdVdA作功量为：当气泡处于平衡状态时：0dW()vlppdVdA324,43VRAR球形气泡：2()48vlppRdRRdR2vlppR152vlppR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2vlppR2()2vlppRR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（tl≥tv）172vlppR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）vlpp与pl相对应的是饱和温度为ts：tvtstwtltvtstlts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：2vlppR半径R越小的气泡需要较大的压强差0vlRpp利用克劳修斯-克拉贝龙方程，可得出：2slsvTTTTrR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)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-tsR气泡量增多hc)p、sT、rminR气泡核增多h217-5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）：2.330.51hCtp0.53.3310.122W/(mNK)Cqhttqh0.70.152hCqp0.30.30.1520.533W/(mNK)Cwsttt为过热度，p为绝对压力。22（2）罗森诺公式：0.33wvΔ()pllslllctqCrPrrg31/2vwΔ()plllsllctgqrCrPrl为饱和液体的动力粘度（Pas）；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/kgK）；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；23Cwl为根据加热面与液体种类选取的经验常数；2433％100％25（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：0.550.670.5rrrlgmhCqMpp0.330.6690W(mK)Cpμm0.120.2lgmR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。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：1/41/2maxvv()24lqrg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密度计算公式277.5.3大容器膜态沸腾换热的计算公式1/43vws()0.62()vllvgrhttd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。287.6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。295.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317.6.2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32337.6.3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LosAlamos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（－200～2200度）35（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。36热管（HeatPipe）是一种高效的传热元件。NorthChinaElectricPowerUniversity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；空气烟气空气预热器示意图大功率晶体管冷却38NorthChinaElectricPowerUniversity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39NorthChinaElectricPowerUniversityCPU纯铜热管散热器40NorthChinaElectricPowerUniversity显卡热管散热器·41NorthChinaElectricPowerUniversity热管在高寒地区的应用42NorthChinaElectricPowerUniversity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。43NorthChinaElectricPowerUniversity1994年日本学者H.Akachi发明了脉动热管（PulsatingHeatPipe)振荡流热管（Oscillating-FlowHeatPipe)LoopedUnlooped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。44NorthChinaElectricPowerUniversity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。45IntelPentium42.8GHzCPU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2mm,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