泡沫金属强化沸腾传热性能试验研究experimentalstudyonboilingheattransferperfor
注1、如页面不够可加附页 2、以上一～五项由指导教师填写摘 要注1、如页面不够可加附页 2、以上一～五项由指导教师填写摘 要多孔泡沫金属是一种新型多功能复合材料，由于其具有比表面积大的优点，气体在流动时会受到金属骨架的扰动，使得湍流程度加强，达到强化换热的效果，因此针对这一优点，泡沫金属用在解决微电子器件的散热问题上有望取得有效的进展。但目前对泡沫金属强化沸腾传热的研究主要在宏观层面展开，实验研究为主，本文拟探究不同厚度、孔密度、梯度孔的泡沫金属对其沸腾换热性能的影响，为解决微电子器件散热难的问题提供数据基础。本文先对试验装置进行了设计，首先对蒸发加热段进行了设计，其次根据蒸发器所产生的热量设计了冷凝器，通过试验进一步探究了不同构造参数泡沫铜对沸腾换热性能的影响。通过试验测试得出以下结论（1）当光滑表面的过热度为12℃-20℃时，热流密度随过热度的增加明显增加，当过热度为31.7℃时达到临界热流密度，数值为107.75w/cm2。（2）在一个标准大气压下对孔隙率为0.92、孔密度为20PPI、厚度为5mm的泡沫金属铜对沸腾换热的强化效果最好。（3）在热流密度较低时，增大泡沫金属的孔密度可以使沸腾换热性能得到提高，但在热流密度较高时，孔密度的提高对换热的强化效果有所下降，尤其是当孔密度为100PPI时还会出现换热系数降低的情况。（4）梯度孔泡沫铜的沸腾换热性能同时兼备了高孔密度泡沫铜和低孔密度泡沫铜的沸腾换热优点。（5）光滑壁面的沸腾换热系数随压力的增大而增大，在低热流密度下，光滑壁面受压力的影响较小，在高热流密度下，光滑壁面的沸腾换热性能有了明显的提升;随着泡沫铜厚度的增加，压力对泡沫铜沸腾换热性能的影响并未发生明显的变化。关键词孔密度；厚度；梯度孔；压力；沸腾换热性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题的背景及研究意义 1
1.2 沸腾换热的概述及发展过程 3
1.3本课题国内外沸腾传热研究的现状及存在的问题 4
1.4 本课题主要工作及研究内容 5
第二章 试验系统的设计 7
2.1 试验总体系统设计 7
2.2 试验蒸发段的设计 8
2.3 试验冷凝段的设计 10
2.3.1 试验冷凝段的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
设计原理 10
2.3.2 冷凝段的设计数据及过程 10
2.4 试验系统设计的校核 12
2.5 测试系统及数据采集系统 14
2.6 实验仪器参数 15
2.7 本章小结 16
第三章 试验方案的设计和具体步骤 16
3.1 试验方案的设计 16
3.2 试验的具体步骤 17
3.3 试验数据的处理方法 17
3.4 试验误差分析 18
3.5 本章小结 19
第四章 不同构造参数下泡沫铜的沸腾换热性能研究 19
4.1 光滑表面沸腾换热性能 20
4.2 厚度对沸腾换热性能的影响 21
4.3 孔密度对沸腾换热性能的影响 22
4.4 梯度孔泡沫铜对沸腾换热性能的影响 23
4.5 本章小结 25
第五章 不同压力对沸腾换热性能的影响 26
5.1 压力对光滑壁面沸腾换热性能的影响 26
5.2 压力对不同厚度泡沫铜沸腾换热性能的影响 27
5.3 本章小结 28
结论与展望 1
致 谢 3
参考文献 4
绪论
1.1 本课题的背景及研究意义
泡沫金属是一种由金属本体和气孔组成的新式多孔金属材料，正是因为它具有很多其他金属材料不具有的热物理性能，尤其是以金属铜为基体的泡沫金属，具有较高的比表面积、换热性能和较低流动阻力，从而能够有保证气体或者液体在金属孔中通过时能够进行迅速的热交换，从而使沸腾换热得到强化。
随着各种微电子器件向高密度、微型化、功能化方向的迅速发展，使得微电子系统所产生的热量聚集、热负荷增加、散热问题日趋严重，从而制约了微电子器件的发展。此次金属沸腾传热性能试验研究拟利用泡沫金属优良的传热特性，解决目前强化电子器件散热这一难题。由于多孔表面在核态沸腾时汽化核心密集、产生汽泡体积小、数量多，使得器件表面较长时间维持较高的传热系数，从而很好的起到了降低电子元件表面温度的作用。因此泡沫金属用在解决微电子器件的散热问题上有望取得有效的进展。
目前泡沫金属强化沸腾传热的研究主要在宏观层面展开，以实验研究为主，通过对实验数据进行分析，从而获得经验理论计算公式。然而泡沫金属强化沸腾换热的实验研究还不够充分。本文拟利用泡沫金属强化沸腾传热的性能研究试验，以不同厚度、孔密度、梯度孔的泡沫金属为传热元件，在常压下进行大容积池沸腾换热性能研究，以期为解决微电子器件微型化散热难的问题提供一条新途径。
1.2 沸腾换热的概述及发展过程
沸腾换热(boiling heat transfer) 是指液体在加热面上沸腾时的换热过程，沸腾换热是具有相变的换热。当加热面的壁面温度TW超过液体的饱和温度 TS并且达到一定数值时，液体即会在加热面表面上的某些点上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。正是由于这些汽泡在成长大过程中会吸收大量汽化潜热，而且汽泡在脱离和上升动又会对液体产生剧烈扰动，使得沸腾换热比单一的流体的对流换热要强烈得多。
当汽泡脱离加热表面后，在加热表面作用下如果液体的自身温度还未达到饱和温度，则汽泡会先对液体放热然后凝结消失，这种情况下的沸腾换热称为过冷沸腾；当液体温度达到饱和温度时汽泡会继续从加热表面吸热并不断长大，直至逸出液面，这时的沸腾换热状态称为饱和沸腾。在以上提到的这两种沸腾过程中，汽化核心都起着重要的作用，所以这种沸腾又称核状沸腾。?
当通过加热面的热流密度q不断增加时,汽化核心数也会增多，此时汽泡的生成频率也将不断加快，直至加热表面上生成的汽泡由于数量太多而来不及脱离加热表面而连结成汽膜，此时沸腾换热过程即过渡到了膜状沸腾的状态。此时，这层汽膜将液体与加热面隔开，热量只能靠热辐射和汽膜的热传导由加热面传入，因此系统的传热系数大幅度降低，壁面温度也会急剧上升，甚至会导致设备烧毁。开始形成膜状沸腾时的热流密度q称为临界热流密度。在工程实践中，热流密度必须严格控制在临界值以下以防发生膜状沸腾，烧毁设备。沸腾换热曲线如图1.1所示。
图1.1 一个标准大气压下水的典型沸腾换热曲线
通过沸腾换热曲线可以看出热流密度和过热度之间的关系，整个沸腾换热过程中分为4个沸腾状态[13]：
（1）自然对流区
在此区域内，壁面过热度较小（水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt<4℃）时，壁面无气泡形成，属于自然对流，OA段为对应的自然对流区。
（2）核态沸腾区
目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题的背景及研究意义 1
1.2 沸腾换热的概述及发展过程 3
1.3本课题国内外沸腾传热研究的现状及存在的问题 4
1.4 本课题主要工作及研究内容 5
第二章 试验系统的设计 7
2.1 试验总体系统设计 7
2.2 试验蒸发段的设计 8
2.3 试验冷凝段的设计 10
2.3.1 试验冷凝段的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
设计原理 10
2.3.2 冷凝段的设计数据及过程 10
2.4 试验系统设计的校核 12
2.5 测试系统及数据采集系统 14
2.6 实验仪器参数 15
2.7 本章小结 16
第三章 试验方案的设计和具体步骤 16
3.1 试验方案的设计 16
3.2 试验的具体步骤 17
3.3 试验数据的处理方法 17
3.4 试验误差分析 18
3.5 本章小结 19
第四章 不同构造参数下泡沫铜的沸腾换热性能研究 19
4.1 光滑表面沸腾换热性能 20
4.2 厚度对沸腾换热性能的影响 21
4.3 孔密度对沸腾换热性能的影响 22
4.4 梯度孔泡沫铜对沸腾换热性能的影响 23
4.5 本章小结 25
第五章 不同压力对沸腾换热性能的影响 26
5.1 压力对光滑壁面沸腾换热性能的影响 26
5.2 压力对不同厚度泡沫铜沸腾换热性能的影响 27
5.3 本章小结 28
结论与展望 1
致 谢 3
参考文献 4
绪论
1.1 本课题的背景及研究意义
泡沫金属是一种由金属本体和气孔组成的新式多孔金属材料，正是因为它具有很多其他金属材料不具有的热物理性能，尤其是以金属铜为基体的泡沫金属，具有较高的比表面积、换热性能和较低流动阻力，从而能够有保证气体或者液体在金属孔中通过时能够进行迅速的热交换，从而使沸腾换热得到强化。
随着各种微电子器件向高密度、微型化、功能化方向的迅速发展，使得微电子系统所产生的热量聚集、热负荷增加、散热问题日趋严重，从而制约了微电子器件的发展。此次金属沸腾传热性能试验研究拟利用泡沫金属优良的传热特性，解决目前强化电子器件散热这一难题。由于多孔表面在核态沸腾时汽化核心密集、产生汽泡体积小、数量多，使得器件表面较长时间维持较高的传热系数，从而很好的起到了降低电子元件表面温度的作用。因此泡沫金属用在解决微电子器件的散热问题上有望取得有效的进展。
目前泡沫金属强化沸腾传热的研究主要在宏观层面展开，以实验研究为主，通过对实验数据进行分析，从而获得经验理论计算公式。然而泡沫金属强化沸腾换热的实验研究还不够充分。本文拟利用泡沫金属强化沸腾传热的性能研究试验，以不同厚度、孔密度、梯度孔的泡沫金属为传热元件，在常压下进行大容积池沸腾换热性能研究，以期为解决微电子器件微型化散热难的问题提供一条新途径。
1.2 沸腾换热的概述及发展过程
沸腾换热(boiling heat transfer) 是指液体在加热面上沸腾时的换热过程，沸腾换热是具有相变的换热。当加热面的壁面温度TW超过液体的饱和温度 TS并且达到一定数值时，液体即会在加热面表面上的某些点上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。正是由于这些汽泡在成长大过程中会吸收大量汽化潜热，而且汽泡在脱离和上升动又会对液体产生剧烈扰动，使得沸腾换热比单一的流体的对流换热要强烈得多。
当汽泡脱离加热表面后，在加热表面作用下如果液体的自身温度还未达到饱和温度，则汽泡会先对液体放热然后凝结消失，这种情况下的沸腾换热称为过冷沸腾；当液体温度达到饱和温度时汽泡会继续从加热表面吸热并不断长大，直至逸出液面，这时的沸腾换热状态称为饱和沸腾。在以上提到的这两种沸腾过程中，汽化核心都起着重要的作用，所以这种沸腾又称核状沸腾。?
当通过加热面的热流密度q不断增加时,汽化核心数也会增多，此时汽泡的生成频率也将不断加快，直至加热表面上生成的汽泡由于数量太多而来不及脱离加热表面而连结成汽膜，此时沸腾换热过程即过渡到了膜状沸腾的状态。此时，这层汽膜将液体与加热面隔开，热量只能靠热辐射和汽膜的热传导由加热面传入，因此系统的传热系数大幅度降低，壁面温度也会急剧上升，甚至会导致设备烧毁。开始形成膜状沸腾时的热流密度q称为临界热流密度。在工程实践中，热流密度必须严格控制在临界值以下以防发生膜状沸腾，烧毁设备。沸腾换热曲线如图1.1所示。
图1.1 一个标准大气压下水的典型沸腾换热曲线
通过沸腾换热曲线可以看出热流密度和过热度之间的关系，整个沸腾换热过程中分为4个沸腾状态[13]：
（1）自然对流区
在此区域内，壁面过热度较小（水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt<4℃）时，壁面无气泡形成，属于自然对流，OA段为对应的自然对流区。
（2）核态沸腾区
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