1、17-2 沸腾换热现象沸腾换热现象(Boiling Heat Transfer)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生沸腾现象34饱和沸腾：液体主体温度为饱和沸腾：液体主体温度为ts，而壁面温度，而壁面温度 tw tstwtfts5过冷沸腾：液体主体温度低于过冷沸腾：液体主体温度低于ts，而壁面温度，而壁面温度 tw tstwtstf61、饱和沸腾过程与沸腾曲线、饱和沸腾过程与沸腾曲线Nukiyama(拔三四郎)1934
2、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）沸腾曲线：沸腾时热流通量（热流密度）q随沸腾温差变随沸腾温差变化的关系曲线化的关系曲线78（2）核态沸腾）核态沸腾AC（3）过渡沸腾）过渡沸腾CDABCDE91011121314()vldWpp dVdA0dW()vlpp dVdA324,43VRAR2()48vlppR dRRdR 2vlppR152vlppR2vlppR2()2vlppRR16热量一方面由壁面与热量一方面由壁面与气泡直接接触的表面气泡直接接触的表面传给气泡；另一方面传给气泡；另一
3、方面热由壁面传给液体，热由壁面传给液体，再由液体传到气泡表再由液体传到气泡表面面气泡内饱和蒸汽压力气泡内饱和蒸汽压力p pv v相对应的饱和温度为相对应的饱和温度为t tv v；为使气泡长大，；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气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度t tl l大于或至少等大于或至少等于于t tv v（t tl lt tv v）172vlppR气泡内饱和蒸汽压力气泡内饱和蒸汽压力p pv v相对应的饱和温度为相对应的饱和温度为t tv v；为使气泡长大，；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气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度
4、t tl l大于或至大于或至少等于少等于t tv v（t tl lt tv v）vlpp与与pl相对应的是饱和温度为相对应的是饱和温度为ts：tvtstw tl tv tstl ts气泡存在和长大的动力条件是液体的过热度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。对壁面的湿润能力有关。18气泡难于脱离壁；传热量低192vlppR半径半径R越小的气泡需要较大的压强差越小的气泡
5、需要较大的压强差0vlRpp 利用克劳修斯利用克劳修斯-克拉贝龙方程，可得出：克拉贝龙方程，可得出：2slsvTTTTrR20加热壁面上总是存在各种伤加热壁面上总是存在各种伤痕、裂缝和加工的痕迹。这痕、裂缝和加工的痕迹。这些地点中容易残留气体，这些地点中容易残留气体，这种残留气体就自然成为产生种残留气体就自然成为产生气泡的核心。所以，增加表气泡的核心。所以，增加表面上狭缝、空穴与凹坑成为面上狭缝、空穴与凹坑成为工程中开发强化传热的基本工程中开发强化传热的基本目标。目标。R 气泡量增多气泡量增多h p、sT、r minR气泡核增多气泡核增多h 217-5 大容器沸腾传热实验关联式大容器沸腾传热实
6、验关联式2.330.51hCtp0.53.3310.122 W/(m NK)C qh ttq h 0.70.152hC qp0.30.30.1520.533W/(mNK)C wsttt 220.33wv()pllslllctqCrPrrg31/2vw()plllsllctgqrC rPr232433100250.550.670.5rrrlgmhCqMpp0.330.6690W(mK)C pm0.120.2lgmR261/41/2maxvv()24lqrg271/43vws()0.62()vllvgrhttd 2829垂直管内沸腾时的流型：垂直管内沸腾时的流型：单相流、泡状流、块状流、环状流单相
7、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，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。比大空间沸腾复况、液体的初参数、流量、汽液的比例等。比大空间沸腾复杂杂311）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32331942
8、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Los Alamos 科学实验室的Grover等发明了第一根热管343536n热管（Heat Pipe）是一种高效的传热元件。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
9、与地热利用等领域得到了广泛应用。3738加热炉烟气余热回收热管换热器39CPU纯铜热管散热器40显卡热管散热器41热管在高寒地区的应用42n运行极限n加热位置受限制n微型化难度大传统热管的工作状态在很大传统热管的工作状态在很大程度上受到汽、液工质传输程度上受到汽、液工质传输特性的影响。由于运行极限特性的影响。由于运行极限的存在，使它的传热率受到的存在，使它的传热率受到一定的限制，达到这些极限一定的限制，达到这些极限值时，传热量无法再增加，值时，传热量无法再增加，否则会出现毛细芯的干涸和否则会出现毛细芯的干涸和过热现象。过热现象。由于传统热管凝结液的回流由于传统热管凝结液的回流是依靠重力和毛细力
10、的作用，是依靠重力和毛细力的作用，所以冷热端的位置也受到限所以冷热端的位置也受到限制，通常必须底部加热。制，通常必须底部加热。随着热管管径的减小，热管随着热管管径的减小，热管单位面积的传热能力也越来单位面积的传热能力也越来越低。另外由于内部有吸液越低。另外由于内部有吸液芯芯，微型化难度大。当流，微型化难度大。当流通截面直径为通截面直径为1mm2时，传时，传输极限为输极限为50W/cm2。431994年日本学者H.Akachi发明了脉动热管（Pulsating Heat Pipe)LoopedUnlooped当管径足够小时，在真空下封装在管内的工质将在管当管径足够小时，在真空下封装在管内的工质将
11、在管内形成液、汽内形成液、汽相间的柱塞。在加热段，汽泡或汽柱与相间的柱塞。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，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，从而实现高效热传在管内产生强烈的往复振荡运动，从而实现高效热传递。递。44n管径小，体积小，强化传热，易于实现微型化。n不需要毛细芯，结构简单，成本低。n运行可靠，液体回流自适应性强，不易烧干。n可以随意弯曲，应用范围广。n可以采用不同的加热方式和加热位置。n启动迅速。45Intel Pentium 42.8 GHz CPU 无风扇散热器无风扇散热器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2 mm,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
