1、2022-8-101第四章第四章 池沸腾换热强化传热技术池沸腾换热强化传热技术2022-8-1024.1 核态沸腾换热核态沸腾换热气泡产生气泡产生气泡生长气泡生长气泡脱离气泡脱离2022-8-103（1）气泡成长阶段：加热面上汽化核心处成长着的气泡底部）气泡成长阶段：加热面上汽化核心处成长着的气泡底部 和加热面之间存在着一层液体微层，该和加热面之间存在着一层液体微层，该 微层的蒸发吸收了加热面放出的大量热微层的蒸发吸收了加热面放出的大量热 量，成为核态沸腾换热中最主要的一种量，成为核态沸腾换热中最主要的一种 传热方式。传热方式。（2）气泡脱离阶段：气泡脱离加热面的运动引发的液体容积）气泡脱离阶
2、段：气泡脱离加热面的运动引发的液体容积 对流换热，气泡脱离加热面时上升气泡对流换热，气泡脱离加热面时上升气泡 的尾流将加热面上的部分过热液体带走，的尾流将加热面上的部分过热液体带走，液体本体中较冷的液体进入加热面附近液体本体中较冷的液体进入加热面附近 进行补充。进行补充。（3）加热面上非沸腾区：自然对流为主要换热形式，只占整）加热面上非沸腾区：自然对流为主要换热形式，只占整 个沸腾换热的很小部分。个沸腾换热的很小部分。热量传递途径热量传递途径2022-8-104 一定数量的稳定的汽化核心一定数量的稳定的汽化核心 对于给定的传热表面、传热介质和过热度，表面对于给定的传热表面、传热介质和过热度，表
3、面上稳定的或成为上稳定的或成为“活性活性”的核化中心具有一定的最佳的核化中心具有一定的最佳尺寸和一定的形状。尺寸和一定的形状。突尖、锥形凹坑突尖、锥形凹坑瓶状空穴瓶状空穴2022-8-1051.强化表面法强化表面法 可以大幅度增加活性核化沸腾点的密度，适用于较小可以大幅度增加活性核化沸腾点的密度，适用于较小传热温差的情况。传热温差的情况。1.1 微结构表面微结构表面 将芯片直接浸将芯片直接浸没在惰性不导电没在惰性不导电的液体中进行核的液体中进行核态沸腾态沸腾4.2 核态沸腾强化传热技术核态沸腾强化传热技术2022-8-106在表面加工凹坑和喷涂多孔介质在表面加工凹坑和喷涂多孔介质2022-8-
4、107在采用在采用化学蒸化学蒸汽沉积汽沉积法在芯法在芯片表面片表面生成生成SiO2薄薄层所形层所形成的亚成的亚微米粗微米粗糙面糙面采用溅射方法在芯片表面生成采用溅射方法在芯片表面生成SiO2薄层，再对薄层，再对其进行湿式腐蚀技术处理形成的亚微米粗糙面其进行湿式腐蚀技术处理形成的亚微米粗糙面采用一采用一系列微系列微电子加电子加工技术工技术生成的生成的微米级微米级双重入双重入口洞穴口洞穴采用干式腐蚀方法生成的方柱微结构采用干式腐蚀方法生成的方柱微结构2022-8-1081.2 复合化学涂层表面复合化学涂层表面 在在Ni-P化学镀的镀液中加入一定的粒度（微米级）和一定化学镀的镀液中加入一定的粒度（微
5、米级）和一定浓度的聚四氟乙烯悬浮液。当镀层达到理想厚度后取出，表面浓度的聚四氟乙烯悬浮液。当镀层达到理想厚度后取出，表面晾干。将干燥后的传热表面用高温火焰灼烧，使表面温度急速晾干。将干燥后的传热表面用高温火焰灼烧，使表面温度急速升高到足以使聚四氟乙烯气化挥发，从而使表面在聚四氟乙烯升高到足以使聚四氟乙烯气化挥发，从而使表面在聚四氟乙烯微粒处产生微孔。微粒处产生微孔。2022-8-1091.3 微孔表面微孔表面由环氧树脂粘接由环氧树脂粘接1-20m颗粒形成的颗粒形成的0.1-1m的孔穴。的孔穴。与传统的金属涂层区别与传统的金属涂层区别可以使用更小的颗粒可以使用更小的颗粒涂层厚度更薄（涂层厚度更薄
6、（50m）获得的多孔结构具有较低获得的多孔结构具有较低的有效热导率的有效热导率2022-8-10102022-8-10111.4 肋片管肋片管2022-8-1012较低的热流密度下，加热面上无气泡产生，加较低的热流密度下，加热面上无气泡产生，加热面热量分别通过接触导热传给固体颗粒和颗热面热量分别通过接触导热传给固体颗粒和颗粒间隙之间的液体，自然对流传给液体。这时粒间隙之间的液体，自然对流传给液体。这时液体自然对流引起的上升运动不足以带动固体液体自然对流引起的上升运动不足以带动固体颗粒，此时固体颗粒床在加热面是静止的。颗粒，此时固体颗粒床在加热面是静止的。随着加热面上热流密度的增大，加热面上一些
7、随着加热面上热流密度的增大，加热面上一些汽化活化点以及固体颗粒与加热面的某些储气汽化活化点以及固体颗粒与加热面的某些储气接触点满足起始沸腾的条件而产生气泡。随着接触点满足起始沸腾的条件而产生气泡。随着气泡在颗粒缝隙中长大，气泡对颗粒产生作用。气泡在颗粒缝隙中长大，气泡对颗粒产生作用。在颗粒层的底部形成蒸汽的局部聚集区。当汽在颗粒层的底部形成蒸汽的局部聚集区。当汽区的压力超过颗粒层的重力时，汽区内蒸汽产区的压力超过颗粒层的重力时，汽区内蒸汽产生向上运动，形成鼓励的蒸汽通道，并使附近生向上运动，形成鼓励的蒸汽通道，并使附近的固体颗粒产生局部的流化运动。的固体颗粒产生局部的流化运动。2.加入添加剂法
8、加入添加剂法2.1 加入固体颗粒法加入固体颗粒法2022-8-1013随着热流密度的进一步增大，加热面上产生大随着热流密度的进一步增大，加热面上产生大量的气泡核心，气泡成长周期缩小，在加热面量的气泡核心，气泡成长周期缩小，在加热面上形成较多的连续上升蒸汽柱。在上升蒸汽流上形成较多的连续上升蒸汽柱。在上升蒸汽流的作用下，整个颗粒床进入充分流化状态。的作用下，整个颗粒床进入充分流化状态。一部分固体颗粒在蒸汽流带动下离开加热面上一部分固体颗粒在蒸汽流带动下离开加热面上升，另一部分固体颗粒随着向下流动的液体又升，另一部分固体颗粒随着向下流动的液体又回到加热面上。固体颗粒的这种上下运动使加回到加热面上。
9、固体颗粒的这种上下运动使加热面附近的液体对流大大强化。热面附近的液体对流大大强化。热流密度继续增大，上升气泡柱之间相互作用，热流密度继续增大，上升气泡柱之间相互作用，在加热面上方形成蒸汽垫上升，这种块状的蒸在加热面上方形成蒸汽垫上升，这种块状的蒸汽垫对固体颗粒的下降起到阻碍作用，使下降汽垫对固体颗粒的下降起到阻碍作用，使下降颗粒很难到达加热面附近的过热液层，从而使颗粒很难到达加热面附近的过热液层，从而使加热面附近的颗粒附加容积对流减弱。加热面附近的颗粒附加容积对流减弱。2022-8-10142.2 加入表面活性剂加入表面活性剂 在液体沸腾过程中，在固体表面上有气泡不断地产生，从在液体沸腾过程中
10、，在固体表面上有气泡不断地产生，从而不断地形成汽液、液固和汽固而不断地形成汽液、液固和汽固3种相界面。当这些相界面的性种相界面。当这些相界面的性质发生变化时，必然会对沸腾传热过程产生一定影响。质发生变化时，必然会对沸腾传热过程产生一定影响。表面活性物质的重要特性就是在相界面处富集，当其在汽表面活性物质的重要特性就是在相界面处富集，当其在汽液界面富集并形成定向排列时，就会降低表面张力。液体沸腾液界面富集并形成定向排列时，就会降低表面张力。液体沸腾时气泡的产生和成长都与表面张力有密切关系。表面张力降低时气泡的产生和成长都与表面张力有密切关系。表面张力降低意味着生成气泡所需的能量下降，气泡的等待时间
11、和成长时间意味着生成气泡所需的能量下降，气泡的等待时间和成长时间都减小，从而气泡的脱离频率增加，脱离直径变小。都减小，从而气泡的脱离频率增加，脱离直径变小。2022-8-10152022-8-10163.外加矢量场法外加矢量场法3.1 流体诱导振动流体诱导振动弹性管束弹性管束无源强化无源强化减小污垢热阻减小污垢热阻三维振动三维振动流体横向冲刷流体横向冲刷固定端固定端自由端自由端2022-8-10173.2 水基磁性流体池沸腾传热强化水基磁性流体池沸腾传热强化 由纳米级的铁磁性微细颗粒借助于表面活性剂稳定地分散由纳米级的铁磁性微细颗粒借助于表面活性剂稳定地分散于基液（水、煤油、氟利昂等）中的胶体
12、溶液，是一种新型的于基液（水、煤油、氟利昂等）中的胶体溶液，是一种新型的纳米和液体功能材料。纳米和液体功能材料。它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也会不产生分离现象。或强磁场的作用下也会不产生分离现象。目前磁性流体大量用于密封、阻尼、研磨、医疗、传感器、目前磁性流体大量用于密封、阻尼、研磨、医疗、传感器、能量转换等领域。能量转换等领域。2022-8-1018气泡小气泡小液面上大量泡沫产生液面上大量泡沫产生2022-8-1019（1）无磁场作用）无磁场作用 在沸腾换热过程中，随着热流密度的增加，壁面温度升高，在沸腾
13、换热过程中，随着热流密度的增加，壁面温度升高，从而使壁面过热度增加，加热表面上汽化核心增多，提高沸腾从而使壁面过热度增加，加热表面上汽化核心增多，提高沸腾换热系数。换热系数。固体导热系数大于液体几个数量级，磁性流体中加入的纳固体导热系数大于液体几个数量级，磁性流体中加入的纳米固体粒子可增加导热系数，从而增强沸腾过程中热量的瞬态米固体粒子可增加导热系数，从而增强沸腾过程中热量的瞬态导热能力。导热能力。沸腾时粒子与粒子、粒子与液体及粒子与换热壁面的碰撞沸腾时粒子与粒子、粒子与液体及粒子与换热壁面的碰撞有利于增强换热壁面与液相间的对流换热，促进气泡在加热面有利于增强换热壁面与液相间的对流换热，促进气泡在加热面脱离。脱离。表面活性剂能降低液体的表面张力，改善固体表面的润湿表面活性剂能降低液体的表面张力，改善固体表面的润湿性。液体润湿壁面的性能越好，接触角就越小。液体表面张力性。液体润湿壁面的性能越好，接触角就越小。液体表面张力的降低和接触角的减小有助于减小气泡的脱离直径，增加气化的降低和接触角的减小有助于减小气泡的脱离直径，增加气化核心数，增强沸腾换热。核心数，增强沸腾换热。2022-8-1020（2）有磁场作用）有磁场作用气泡脱离加速气泡脱离加速气泡生长速度加快气泡生长速度加快
