沸騰換熱課件

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沸騰換熱現(xiàn)象(BoilingHeatTransfer)蒸發(fā)：液－汽界面上液體汽化的相變過程沸騰：液體內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的劇烈汽化過程2根據(jù)熱力學(xué)理論：只要液體內(nèi)部的溫度等于或高于對(duì)應(yīng)壓力下液體的飽和溫度，該處液體就會(huì)發(fā)生相變，并可能產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象

液體沸騰可以分為兩大類：容積沸騰、表面沸騰容積沸騰（均相沸騰，homogeneousboiling):沸騰直接發(fā)生在液體容積內(nèi)部，且不存在固體加熱壁面表面沸騰（非均相沸騰，heterogeneousboiling):沸騰發(fā)生在與液體接觸的加熱面上

表面沸騰（非均相沸騰）分類：大空間沸騰（或大容器沸騰、池沸騰）：

熱表面沉浸在具有自由表面的液體中的沸騰有限空間沸騰（或受迫對(duì)流沸騰、管內(nèi)沸騰）：35

過冷沸騰：液體主體溫度低于ts，而壁面溫度

tw>ts即：tw>ts>tf6

一、大空間沸騰換熱（Poolboiling）

1、飽和沸騰過程與沸騰曲線Nukiyama(拔三四郎)1934年鎳鉻合金絲熔點(diǎn)：1500K鉑(白金)絲熔點(diǎn)：2045K沸騰溫差：飽和沸騰時(shí)△t=tw-ts沸騰曲線：沸騰時(shí)熱流通量（熱流密度）q隨沸騰溫差變化的關(guān)系曲線78

大容器飽和沸騰的特點(diǎn)：加熱表面上有汽泡生成，隨著汽泡長(zhǎng)大和脫離壁面，容器內(nèi)的液體受到劇烈擾動(dòng)，換熱強(qiáng)度很高。4個(gè)階段：飽和沸騰曲線:qw~t（1）自然對(duì)流（2）核態(tài)沸騰A~C（3）過渡沸騰C~D（4）膜態(tài)沸騰D～ABCDE10過渡沸騰12沸騰危機(jī):（DNB:departurefromnucleateboiling）偏離核沸騰點(diǎn)，安全警界點(diǎn)14假設(shè)：氣泡體積膨脹了微元體積dV，相應(yīng)地表面積增加了dA.作功量為：當(dāng)氣泡處于平衡狀態(tài)時(shí)：球形氣泡：15氣泡能夠存在而不消失的條件：如果壓強(qiáng)差作用力大于表面張力，氣泡就能繼續(xù)長(zhǎng)大16（2）氣泡被加熱的途徑熱量一方面由壁面與氣泡直接接觸的表面?zhèn)鹘o氣泡；另一方面熱由壁面?zhèn)鹘o液體，再由液體傳到氣泡表面氣泡內(nèi)飽和蒸汽壓力pv相對(duì)應(yīng)的飽和溫度為tv；為使氣泡長(zhǎng)大，氣泡壁須不斷蒸發(fā)，所以氣泡壁周圍的液體溫度tl大于或至少等于tv（tl≥tv）17氣泡內(nèi)飽和蒸汽壓力pv相對(duì)應(yīng)的飽和溫度為tv；為使氣泡長(zhǎng)大，氣泡壁須不斷蒸發(fā)，所以氣泡壁周圍的液體溫度tl大于或至少等于tv（tl≥tv）與pl相對(duì)應(yīng)的是飽和溫度為ts：tv>tstw>tl>tv>tstl>ts氣泡存在和長(zhǎng)大的動(dòng)力條件是液體的過熱度氣泡膨脹長(zhǎng)大，受到的浮升力也增加；當(dāng)浮升力大于氣泡與壁面的附著力時(shí)，氣泡就脫離壁面升入液體，附著力與液體對(duì)壁面的濕潤(rùn)能力有關(guān)。18氣泡難于脫離壁；傳熱量低20加熱壁面上總是存在各種傷痕、裂縫和加工的痕跡。這些地點(diǎn)中容易殘留氣體，這種殘留氣體就自然成為產(chǎn)生氣泡的核心。所以，增加表面上狹縫、空穴與凹坑成為工程中開發(fā)強(qiáng)化傳熱的基本目標(biāo)。a)最小的氣泡在壁面上；即：壁面上的凹縫，空隙等是生成氣泡核的最好地點(diǎn)。b)Δt=tw-ts

氣泡量增多c)氣泡核增多217-5大容器沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式7.5.1.大容器飽和核態(tài)沸騰換熱計(jì)算公式（1）米海耶夫公式（適用于水在105～4×106壓力下大容器飽和沸騰）：為過熱度，p為絕對(duì)壓力。23Cwl

為根據(jù)加熱面與液體種類選取的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；2433％100％26

朱伯（N.Zuber）給出了大空間核態(tài)飽和沸騰臨界熱流密度的計(jì)算公式

：

適用條件：大空間核態(tài)飽和沸騰，加熱表面的特征尺寸遠(yuǎn)大于汽泡平均直徑。

臨界熱流密度的數(shù)值與壓力密切相關(guān)，在比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比）大約等于0.3處臨界熱流密度具有極大值。7.5.2大容器沸騰的臨界熱流密度計(jì)算公式277.5.3大容器膜態(tài)沸騰換熱的計(jì)算公式膜態(tài)沸騰中氣膜的流動(dòng)和換熱類似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動(dòng)與換熱，可用類似的分析方法分析，得到的解的函數(shù)形式也很相似：定性溫度：l和r采用飽和溫度ts，其余物性參數(shù)用tm=(tw+ts)/2。對(duì)于球面，系數(shù)0.62改為0.67。287.6

沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化1.不凝結(jié)氣體與膜狀凝結(jié)不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使傳熱得到某種強(qiáng)化。2.過冷度如果大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，則這種沸騰稱為過冷沸騰。3.液位高度當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位無關(guān)。當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，沸騰傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨液位降低而升高。30水平管內(nèi)沸騰：流速較高時(shí)，情形與垂直管類似；流速低時(shí)，由于重力的影響，氣液將分別趨于集中在管的上半部和下半部管內(nèi)沸騰換熱還取決于管的放置位置、管長(zhǎng)與管徑、壁面狀況、液體的初參數(shù)、流量、汽液的比例等。比大空間沸騰復(fù)雜317.6.2

強(qiáng)化沸騰傳熱的原則和技術(shù)1、強(qiáng)化大容器沸騰的表面結(jié)構(gòu)1）燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)方法在換熱表面上造成一層多孔結(jié)構(gòu)2）采用機(jī)械加工方法在換熱表面上造成多孔結(jié)構(gòu)32337.6.3

熱管1942年，美國(guó)俄亥俄通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司的Gargler首次提出熱管設(shè)想1964年，美國(guó)LosAlamos科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Grover等發(fā)明了第一根傳統(tǒng)熱管34熱管的工作特點(diǎn)：重力熱管示意圖

（1）傳熱能力強(qiáng)：一根鋼－水熱管的傳熱能力大致相當(dāng)于同樣尺寸紫銅棒導(dǎo)熱能力的1500倍；

（2）傳熱溫差?。?/p>

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、傳輸距離長(zhǎng)；

（4）熱流密度可調(diào)（通過改變加熱段和放熱段的長(zhǎng)度或加裝肋片）；

（5）采用不同的工質(zhì)可適用不同的溫度范圍（－200～2200度）35

（6）熱管應(yīng)用中存在的主要問題：密封性、熱管管材與工質(zhì)間的相容性。36熱管（HeatPipe）是一種高效的傳熱元件。NorthChinaElectricPowerUniversity

由于其良好的傳熱特性，得到人們的重視并加以廣泛應(yīng)用。1967年熱管首次空間試驗(yàn)成功，美國(guó)第一次將熱管用于衛(wèi)星的溫度控制。

70年代以后，在空間應(yīng)用熱管成功的基礎(chǔ)上，熱管在地面民用領(lǐng)域的應(yīng)用也快速發(fā)展起來，熱管被大量用于工業(yè)余熱回收、空調(diào)低溫余熱回收、空氣預(yù)熱器等等。目前，在世界范圍內(nèi)，從空間到地面，從軍工到民用，在航天、航空、電子、電機(jī)、核工業(yè)、熱工、電力、建筑、醫(yī)療、溫度調(diào)節(jié)、余熱回收以及太陽(yáng)能與地?zé)崂玫阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

37熱管的工程應(yīng)用：

（1）溫度控制（如：航天器）；

（2）熱量傳遞；

空氣

煙氣

空氣預(yù)熱器示意圖大功率晶體管冷卻38NorthChinaElectricPowerUniversity傳統(tǒng)熱管的廣泛應(yīng)用與局限加熱爐煙氣余熱回收熱管換熱器39NorthChinaElectricPowerUniversityCPU純銅熱管散熱器40NorthChinaElectricPowerUniversity顯卡熱管散熱器·41NorthChinaElectricPowerUniversity熱管在高寒地區(qū)的應(yīng)用42NorthChinaElectricPowerUniversity傳統(tǒng)熱管的局限性運(yùn)行極限加熱位置受限制微型化難度大傳統(tǒng)熱管的工作狀態(tài)在很大程度上受到汽、液工質(zhì)傳輸特性的影響。由于運(yùn)行極限的存在，使它的傳熱率受到一定的限制，達(dá)到這些極限值時(shí)，傳熱量無法再增加，否則會(huì)出現(xiàn)毛細(xì)芯的干涸和過熱現(xiàn)象。由于傳統(tǒng)熱管凝結(jié)液的回流是依靠重力和毛細(xì)力的作用，所以冷熱端的位置也受到限制，通常必須底部加熱。隨著熱管管徑的減小，熱管單位面積的傳熱能力也越來越低。另外由于內(nèi)部有吸液芯，微型化難度大。當(dāng)流通截面直徑為1mm2時(shí)，傳輸極限為50W/cm2。43NorthChinaElectricPowerUniversity1994年日本學(xué)者H.Akachi發(fā)明了脈動(dòng)熱管（PulsatingHeatPipe)振蕩流熱管（Oscillating-FlowHeatPipe)LoopedUnlooped振蕩流熱管原理當(dāng)管徑足夠小時(shí)，在真空下封裝在管內(nèi)的工質(zhì)將在管內(nèi)形成液、汽相間的柱塞。在加熱段，汽泡或汽柱與管壁之間的液膜因受熱而不斷蒸發(fā)，導(dǎo)致汽泡膨脹，并推動(dòng)汽液柱塞流向冷端冷凝收縮，從而在冷、熱端之間形成較大的壓差。由于汽液柱塞交錯(cuò)分布，因而在管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高效熱傳遞。44NorthChinaElectricPowerUniversity振蕩流熱管的優(yōu)點(diǎn)管徑小，體積小，強(qiáng)化傳熱，易于實(shí)現(xiàn)微型化。不需要毛細(xì)芯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。運(yùn)行可靠，液體回流