工程热力学与传热学-第十六章-各种对流换热过程的特征及其计算公式教学文案.ppt

第十六章各种对流换热过程(guchng)的特征及其计算公式本章要点：本章要点：本章要点：本章要点：1 1。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算 2 2。着重掌握凝结。着重掌握凝结。着重掌握凝结。着重掌握凝结(nngji)(nngji)、沸腾换热的基本概念及影响因素、沸腾换热的基本概念及影响因素、沸腾换热的基本概念及影响因素、沸腾换热的基本概念及影响因素本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算 凝结凝结凝结凝结(nngji)(nngji)、沸腾换热的分析解、沸腾换热的分析解、沸腾换热的分析解、沸腾换热的分析解本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节第一节第一节 受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热 第二节第二节第二节第二节 自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热 第三节第三节第三节第三节 蒸汽蒸汽蒸汽蒸汽(zhn q)(zhn q)凝结换热凝结换热凝结换热凝结换热 第四节第四节第四节第四节 液体沸腾换热液体沸腾换热液体沸腾换热液体沸腾换热 第一页，共84页。第一节第一节 受迫对流换热受迫对流换热一、流体一、流体(lit)沿平壁流动时的对流换热沿平壁流动时的对流换热定性温度定性温度定性温度定性温度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L L L L1 1 1 1。当。当。当。当Rem5105(Rem5105(Rem5105(Rem5105(层流层流层流层流(cn li)(cn li)(cn li)(cn li)）、）、）、）、Prm=0.5-50Prm=0.5-50Prm=0.5-50Prm=0.5-50时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等2 2 2 2。当。当。当。当Rem=5105-107(Rem=5105-107(Rem=5105-107(Rem=5105-107(紊流）、紊流）、紊流）、紊流）、Prm=0.550Prm=0.550Prm=0.550Prm=0.550时，空气时，空气时，空气时，空气(kngq)(kngq)(kngq)(kngq)、水和油、水和油、水和油、水和油等等等等 Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3 Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3 Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3 Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3 定性温度定性温度定性温度定性温度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L L L L第二页，共84页。管内受迫对流换热实验管内受迫对流换热实验(shyn)关联式关联式管内受迫对流流动和换热的特征管内受迫对流流动和换热的特征（1）流动有层流）流动有层流(cn li)和湍流之分和湍流之分 层流层流(cn li)：过渡区：过渡区：旺盛湍流：旺盛湍流：二、流体在管道内二、流体在管道内换热换热入口段的热边界层较薄，入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高局部换热系数比充分发展段的高，且沿，且沿着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋于稳定。于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设备的换热。备的换热。第三页，共84页。（2 2）入入口口段段的的热热边边界界层层薄薄，局局部部(jb)(jb)换换热热系系数高。数高。层流入口段长度层流入口段长度:湍流时湍流时:层流层流湍流湍流第四页，共84页。（3 3）特征速度及定性温度的确定）特征速度及定性温度的确定 特特征征速速度度：计计算算(j(j sun)Resun)Re数数时时用用到到的的流流速速，一般多取截面平均流速。一般多取截面平均流速。定定性性温温度度：计计算算(j(j sun)sun)物物性性的的定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的的平平均均温温度度（或或进进出出口口截截面面平平均均温度）。温度）。第五页，共84页。实际工程换热设备中，层流时的换热常实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于常处于(chy)入口段的范围。可采用下列入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式：齐德泰特公式：1 1。管内。管内(un ni)(un ni)层流换热关联式层流换热关联式第六页，共84页。定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度 （按按壁温壁温 确定），确定），管内径为特征长度管内径为特征长度，管，管子处于均匀壁温。子处于均匀壁温。实验(shyn)验证范围为：第七页，共84页。3.3.管内紊流时的准则方程管内紊流时的准则方程 实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式：实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式：lRtlRt 加热流体加热流体(lit)(lit)时时 冷却流体冷却流体(lit)(lit)时时 式式中中:定定性性温温度度采采用用流流体体(lit)(lit)平平均均温温度度 ，特特征长度征长度为管内径。为管内径。2.管内过渡状态管内过渡状态(zhungti)时的准则方程时的准则方程在在Ref=2300-104范围内，流动为过渡状态范围内，流动为过渡状态(zhungti)查看查看P198表表16-1第八页，共84页。实验验证范围：实验验证范围：此式适用与流体此式适用与流体(lit)(lit)与壁面具有中等以下温差场合。与壁面具有中等以下温差场合。v一般在关联式中引进乘数一般在关联式中引进乘数v在在有有换换热热条条件件下下，截截面面上上的的温温度度并并不不均均匀匀(jnyn)(jnyn)，导致速度分布发生畸变。，导致速度分布发生畸变。v 来来考考虑虑不不均均匀匀(jnyn)(jnyn)物物性性场场对对换换热热的的影影响。响。第九页，共84页。三、流体三、流体(lit)横掠圆管时的换热横掠圆管时的换热1.流体流体(lit)横掠单管时的换热横掠单管时的换热第十页，共84页。第十一页，共84页。外外部部流流动动：换换热热壁壁面面上上的的流流动动边边界界层层与与热热边边界界层层能能自自由由(zyu)(zyu)发展，不会受到邻近壁面存在的限制。发展，不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管：流体横掠单管：流体(lit)沿着垂直于管子轴线沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。会发生绕流脱体。第十二页，共84页。虽虽然然局局部部表表面面传传热热系系数数变变化化(binhu)比比较较复复杂杂，但但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。可采用可采用(ciyng)以下分段幂次关以下分段幂次关联式：联式：式式 中中：定定 性性(dng xng)温度为温度为 特征长度特征长度为管外径；为管外径；数的数的特征速度特征速度为来流速度为来流速度第十三页，共84页。2、流体、流体(lit)横掠圆管束时横掠圆管束时的换热的换热第十四页，共84页。第二节第二节 自然自然(zrn)对流换热对流换热流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热与流体在壁面附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。在热壁面上的空气被加热而上浮,而未被加热的较冷空气因密度较大而下沉。所以自然对流换热时,壁面附近的流体不像受迫对流换热那样朝同一方向流动。一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁处，流体温度等于(dngy)壁面壁面温度tW，在离开壁面的方向上逐步降低至周围环境温度。第十五页，共84页。定义：定义：由流体自身温度场的不均匀所引起由流体自身温度场的不均匀所引起(ynq)(ynq)的流动称为自然的流动称为自然对流。对流。工程应用：工程应用：暖汽管道的散热暖汽管道的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热事故条件事故条件(tiojin)(tiojin)下核反应堆的散热下核反应堆的散热产生原因：产生原因：不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运动的动力。动的动力。第十六页，共84页。在一般在一般(ybn)(ybn)情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁处，流体温度等于壁面温度薄层之内。在贴壁处，流体温度等于壁面温度twtw，在离开壁面的方，在离开壁面的方向上逐步降低，直至周围环境温向上逐步降低，直至周围环境温 度度tt，如图，如图526a526a所示。薄层内所示。薄层内的速度分布则有两头小中间大的特点。的速度分布则有两头小中间大的特点。第十七页，共84页。自然自然(zrn)(zrn)对流亦有层流和湍流之分。对流亦有层流和湍流之分。以一块热竖壁的自然以一块热竖壁的自然(zrn)(zrn)对流为例，其自下而上对流为例，其自下而上的流动景象示出于下图的流动景象示出于下图a a。在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。若壁面足够高，则上部流动会转变为湍流。不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流 时，时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热壁面下端换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热壁面下端开始，随着高度的增开始，随着高度的增 加，层流薄层的厚度也逐渐增加，层流薄层的厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随加。局部表面传热系数也随 高度增加而减小。高度增加而减小。第十八页，共84页。流体沿竖壁自然对流的流动性质和流体沿竖壁自然对流的流动性质和局部表面局部表面(biomin)(biomin)传热系数的变化传热系数的变化 第十九页，共84页。从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然(zrn)(zrn)对流换对流换热的准则方热的准则方 程式程式 。原则上自然对流(duli)换热准则方程式可写为：式中式中GrGr为格拉为格拉(l)(l)晓夫数晓夫数 Gr格拉晓夫数是浮升力格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。粘滞力比值的一种度量。Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为Gr数数第二十页，共84页。一、无限空间自然一、无限空间自然(zrn)对流对流换热换热 换热面附近流体的运动状况换热面附近流体的运动状况(zhungkung)只取决于换热面的只取决于换热面的形状、尺寸和温度，而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间形状、尺寸和温度，而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间自然对流换热。自然对流换热。第二十一页，共84页。根据自然对流根据自然对流(duli)(duli)换热原则性准则方程，工程中换热原则性准则方程，工程中广泛使用的是下列形式的关联式：广泛使用的是下列形式的关联式：定性温度：定性温度：特征长度：竖平板、竖圆柱为高度特征长度：竖平板、竖圆柱为高度(god)H(god)H，横圆，横圆柱为外径柱为外径d d参数参数C、n的选取的选取(xunq)查看相关表格查看相关表格第二十二页，共84页。第二十三页，共84页。二、有限空间自然二、有限空间自然(zrn)对对流换热流换热流体流体(lit)在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时为有限空间自然对流换热。热时为有限空间自然对流换热。第二十四页，共84页。讨论讨论(toln)(toln)如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热换热 。第二十五页，共84页。夹层内流体夹层内流体(lit)(lit)的流动，主要取决于以夹层厚度的流动，主要取决于以夹层厚度 为特征长度的为特征长度的GrGr数数 般关联般关联(gunlin)(gunlin)式具有式具有:对于竖空气对于竖空气(kngq)(kngq)夹夹层层:第二十六页，共84页。（H/的实验的实验(shyn)验证范围为验证范围为1142）对于水平空气夹层对于水平空气夹层(jicng)(jicng)，推荐以下关联式：，推荐以下关联式：值得指出，对于(duy)竖直夹层，当Gr Pr2000、对水平夹层Gr Pr 1700时，夹层中的热量传递过程为纯导热。除了自然对流以外，夹层 的热量传递还有辐射换热。通过夹层的换热量应是两者之和。第二十七页，共84页。第三节第三节 蒸汽蒸汽(zhn q)(zhn q)凝结换热凝结换热凝结换热实例凝结换热实例锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁寒冷寒冷(hnlng)冬天窗户上的冰花冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程第二十八页，共84页。凝结换热的关键点凝结换热的关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验层流和湍流膜状凝结换热的实验(shyn)(shyn)关联式关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，及会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜状膜状凝结理论凝结理论第二十九页，共84页。1 1、凝结、凝结(nngji)(nngji)换热现象换热现象 蒸汽与低于饱和温度蒸汽与低于饱和温度(wnd)的壁面接触时，将汽化的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。凝结换热现象。有两种凝结形式。2 2、凝结、凝结(nngji)(nngji)换热换热的分类的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 第三十页，共84页。(1)(1)膜状凝结膜状凝结(nngji)(nngji)定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式(xngsh)(xngsh)，称膜状凝结。，称膜状凝结。特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，面上，此时液膜成为主要的换热热阻此时液膜成为主要的换热热阻 g第三十一页，共84页。(2)(2)珠状凝结珠状凝结(nngji)(nngji)定义：凝结定义：凝结(nngji)液体不能很好液体不能很好地湿润壁面，凝结地湿润壁面，凝结(nngji)液体在液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结壁面上形成一个个小液珠的凝结(nngji)形式，称珠状凝结形式，称珠状凝结(nngji)。特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。传到冷却壁面上。所以，在其它条件相同所以，在其它条件相同(xin tn)(xin tn)时，珠状凝时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。g第三十二页，共84页。一、膜状凝结一、膜状凝结(nngji)(nngji)分析解及关联式分析解及关联式 1 1、纯净蒸汽层流膜状凝结、纯净蒸汽层流膜状凝结(nngji)(nngji)分析解分析解 假定：假定：1 1）常物性；）常物性；2 2）蒸气）蒸气(zhn q)(zhn q)静止；静止；3 3）液）液膜的惯性力忽略；膜的惯性力忽略；4 4）气液界面上无温差，即液膜温）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；度等于饱和温度；5 5）膜内温度线性分布，即热量转）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；移只有导热；6 6）液膜的过冷度忽略；）液膜的过冷度忽略；7 7）忽略蒸汽）忽略蒸汽密度；密度；8 8）液膜表面平整无波动）液膜表面平整无波动第三十三页，共84页。第三十四页，共84页。根据以上根据以上 9 9 个假设从边界层微分方程组推出努塞尔个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而的简化方程组，从而(cng r)(cng r)保持对流换热理论的保持对流换热理论的统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合边界层统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。的薄层性质。以竖壁的膜状凝结为例：以竖壁的膜状凝结为例：x x 坐标坐标(zubio)(zubio)为重力方为重力方向，如图所示。向，如图所示。在稳态情况下，凝结在稳态情况下，凝结(nngji)(nngji)液膜流动的微分方程组液膜流动的微分方程组为为 ：第三十五页，共84页。下脚下脚(xi jio)(xi jio)标标 l l 表示液相表示液相第三十六页，共84页。考虑假定考虑假定(jidng)(jidng)（3 3）液膜的惯性力忽）液膜的惯性力忽略略 考虑假定考虑假定(jidng)(jidng)（7 7）忽略蒸汽密）忽略蒸汽密度度第三十七页，共84页。只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于是两个未知量，于是(ysh)(ysh)，上面，上面得方程组化简为：得方程组化简为：考虑假定考虑假定(jidng)(jidng)（5 5）膜内温度线性分布，膜内温度线性分布，即热量转移只有导热即热量转移只有导热第三十八页，共84页。边界条件：边界条件：求解求解(qi ji)(qi ji)上面方程上面方程可得：可得：(1)(1)液膜厚度液膜厚度(hud)(hud)定性定性(dng(dng xng)xng)温度：温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定第三十九页，共84页。(2)(2)局部局部(jb)(jb)表面传热表面传热系数系数整个竖壁的平均整个竖壁的平均(pngjn)表面传热系数表面传热系数定性定性(dng xng)温度：温度：注意：注意：r r 按按 t ts s 确定确定第四十页，共84页。(3)(3)修正修正(xizhng)(xizhng)：实验表明，由于液膜表面波动，：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右修正修正(xizhng)后：后：第四十一页，共84页。（4 4）当是水平圆管及球表面）当是水平圆管及球表面(biomin)(biomin)上的层流膜状上的层流膜状凝结时，其平均表面凝结时，其平均表面(biomin)(biomin)传热系数为：传热系数为：水平水平(shupng)管：管：球：球：横管横管(hn un)与竖管的对流换热系数之比：与竖管的对流换热系数之比：第四十二页，共84页。2 2 膜层中凝结膜层中凝结(nngji)(nngji)液的流液的流动状态动状态 无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动凝结液体流动(lidng)(lidng)也分层流和湍流，并且也分层流和湍流，并且其判断依据仍然时其判断依据仍然时ReRe，式中：式中：ul ul 为为 x=l x=l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 为该截面为该截面(jimin)(jimin)处液膜层的当处液膜层的当量直径。量直径。第四十三页，共84页。对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态如图如图由热平衡由热平衡所以所以(suy)第四十四页，共84页。第四十五页，共84页。3 3 湍流湍流(tunli)(tunli)膜状凝结换热膜状凝结换热实验证明：实验证明：（1 1）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由时，液膜由层流转变层流转变(zhunbin)(zhunbin)为紊流为紊流 ；（2 2）横管均在层流范围内，因为管径）横管均在层流范围内，因为管径较小。较小。特征特征:对于紊流液膜，热量的传递：（对于紊流液膜，热量的传递：（1 1）靠近壁面极）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2 2）层流底层）层流底层以外以外(ywi)(ywi)的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。流液膜换热远大于层流液膜换热。第四十六页，共84页。计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁计算方法：对于竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的平均面上的平均(pngjn)(pngjn)表面传热系数表面传热系数 式中：式中：hlhl为层流为层流(cn li)(cn li)段的传热系数；段的传热系数；htht为湍流段的传为湍流段的传热系数；热系数；xc xc为层流为层流(cn li)(cn li)转变为湍流时转折点的高度转变为湍流时转折点的高度 l l为竖壁的总高度为竖壁的总高度第四十七页，共84页。利用上面思想利用上面思想(sxing)，整理的实验关，整理的实验关联式：联式：式中：式中：。除。除 用壁温用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为计算外，其余物理量的定性温度均为第四十八页，共84页。二、影响膜状凝结二、影响膜状凝结(nngji)(nngji)的因素的因素工程(gngchng)实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。1.不凝结气体不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力2 2.蒸蒸气气流流速速 流流速速较较高高时时，蒸蒸气气流流对对液液膜膜表表面面产产生生模模型型的的粘粘滞滞应应力力。如如果果蒸蒸气气流流动动与与液液膜膜向向下下的的流流动动同同向向时时，使使液液膜膜拉拉薄薄，增增大大；反反之之使使 减减小小。第四十九页，共84页。4.液膜过冷度及温度分布(fnb)的非线性如果考虑过冷度及温度分布(fnb)的实际情况，要用下式代替计算公式中的，5.管子排数管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。3.3.过热蒸气过热蒸气 要考虑要考虑(kol)(kol)过热蒸气与饱和液的焓差。过热蒸气与饱和液的焓差。第五十页，共84页。6.管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。管子上半部。流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周四周(szhu)，中心为蒸气核。，中心为蒸气核。第五十一页，共84页。7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状强强化化凝凝结结换换热热的的原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上上的的液膜的厚度。液膜的厚度。可可用用各各种种(zhn)带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液液膜膜拉拉薄薄，或或者者使使已已凝凝结结的的液液体体尽尽快快从从换换热热表表面面上上排泄掉。排泄掉。第五十二页，共84页。第五十三页，共84页。第四节第四节 液体液体(yt)沸腾换热沸腾换热沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生(chnshng)(chnshng)汽泡的汽化过程称为沸腾。汽泡的汽化过程称为沸腾。沸腾的特点沸腾的特点 1 1）液体汽化吸收大量的汽化潜热）液体汽化吸收大量的汽化潜热(qinr)(qinr)；2 2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。第五十四页，共84页。沸腾换热分类：沸腾换热分类：1 1）大容器沸腾（池内沸腾）大容器沸腾（池内沸腾）；2 2）强制对流）强制对流(duli)(duli)沸腾（管内沸腾）沸腾（管内沸腾）上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。产生产生(chnshng)(chnshng)沸腾的条件：沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生理论分析与实验证明，产生(chnshng)(chnshng)沸腾的沸腾的条件：条件：1 1）液体必须过热；）液体必须过热；2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 第五十五页，共84页。一、一、大容器饱和大容器饱和(boh)(boh)沸腾曲线沸腾曲线 （1 1）大容器）大容器(rngq)(rngq)沸腾沸腾 定义：指加热定义：指加热(ji r)(ji r)壁面沉浸在具有自由表面的液体壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。中所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。器空间。（2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。特点特点:随着壁面过热度的增高，出现随着壁面过热度的增高，出现 4 4 个换热规个换热规律全然不同的区域。律全然不同的区域。第五十六页，共84页。（3 3）过冷沸腾）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和指液体主体温度低于相应压力下饱和(boh)(boh)温度，壁面温度大于该饱和温度，壁面温度大于该饱和(boh)(boh)温度所温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。发生的沸腾换热，称过冷沸腾。（4 4）大容器饱和沸腾曲线：）大容器饱和沸腾曲线：表表征征了了大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括4 4个个换换热热规规律律不不同同的的阶阶段段：自自然然(zrn)(zrn)对对流流、核核态态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：第五十七页，共84页。qmaxqmin第五十八页，共84页。如图如图 6-11 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段段、将整个曲线分成将整个曲线分成(fn chn)(fn chn)四四个特定的换热过程，其特性如下：个特定的换热过程，其特性如下：1 1）单相自然对流）单相自然对流(duli)(duli)段（液面汽化段）段（液面汽化段）壁面过热度小时（图中壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始，换热服从单相自然）沸腾尚未开始，换热服从单相自然(zrn)对流规律。对流规律。第五十九页，共84页。2 2）核态沸腾）核态沸腾(fitng)(fitng)（饱和沸腾（饱和沸腾(fitng)(fitng)）随着随着 的上升的上升(shngshng)，在加热面的一些特定点上开始出现汽化，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为称为(chn wi)(chn wi)孤立汽泡区；孤立汽泡区；随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区。相互影响区。第六十页，共84页。随着随着 的增大，的增大，q q 增大，当增大，当 增大到一定值时，增大到一定值时，q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化，汽泡扰动剧烈，汽化(qhu)(qhu)核心核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）。其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密度度 q q 达最大值达最大值 。工业设计。工业设计(shj)(shj)中应用该段。中应用该段。第六十一页，共84页。3）过渡）过渡(gud)沸腾沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热流密度，热流密度 q 减小；当减小；当 增大到一定值时，热流密度增大到一定值时，热流密度减小到减小到 ，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点，这一阶段称为过渡沸腾。该区段的特点(tdin)是属于不稳定过程。是属于不稳定过程。原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除蒸汽排除(pich)(pich)过程恶化，致使过程恶化，致使 q m q m 下降。下降。第六十二页，共84页。4 4）稳定）稳定(wndng)(wndng)膜态膜态沸腾沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上上升时，热流密度升时，热流密度 q 上升，此阶段称为上升，此阶段称为(chn wi)稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾。第六十三页，共84页。其特点：（1）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；（2）辐射热量随着的加大而剧增，使热流密度大大增加；（3）在物理上与膜状凝结具有(jyu)共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。第六十四页，共84页。几点说明：几点说明：（1）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点核态沸腾转折点DNB作为监视接近作为监视接近qmax的的警戒。这一点警戒。这一点(y din)对热流密度可控和对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。温度可控的两种情况都非常重要。（2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。得多。第六十五页，共84页。二、汽化核心的分析二、汽化核心的分析 (1)(1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些上，这些(zhxi)(zhxi)产生气泡的点被称为汽化产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。如图所示。第六十六页，共84页。第六十七页，共84页。(2)(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径汽泡半径R R必须必须(bx)(bx)满足下列条件才能存活满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程克拉贝龙方程)式中：式中：表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C可见，可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，称为同一加热面上，称为(chn wi)汽化核心的凹穴数量增加汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增换热增强强第六十八页，共84页。三、沸腾三、沸腾(fitng)换热计算式换热计算式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却顿冷却(lngqu)公式仍然适用，即公式仍然适用，即但对于但对于(duy)(duy)沸腾换热的沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式第六十九页，共84页。四、大容器饱和核态沸腾四、大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况(qngkung)液比较复杂，导致了个计算公式液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是：分歧较大。目前存在两种计算是：（1）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式；（2）广泛适用于各种液体的计算式；）广泛适用于各种液体的计算式；第七十页，共84页。（1 1）适用）适用(shyng)(shyng)于水的米海耶夫计于水的米海耶夫计算式算式 在在 压力下大容器饱和沸腾压力下大容器饱和沸腾(fitng)(fitng)计算式：计算式：按按 第七十一页，共84页。（2 2）适用于各种）适用于各种(zhn)(zhn)液体的液体的计算式计算式:既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(st=f(Re,Pr)Re,Pr)也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验通过大量实验(shyn)(shyn)得出了如下实验得出了如下实验(shyn)(shyn)关关联式：联式：第七十二页，共84页。上式可以上式可以(ky)改写为：改写为：对于制冷介质而言，以下的库珀（对于制冷介质而言，以下的库珀（CooperCooper）公式）公式目前得到目前得到(d do)(d do)广泛的应用：广泛的应用：第七十三页，共84页。其中：其中：为液体的相对分子质量为液体的相对分子质量(zhling)(zhling)；为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为为0.30.40.30.4）；）；为热流密度。为热流密度。第七十四页，共84页。五、大容器沸腾的临界热流五、大容器沸腾的临界热流(rli)(rli)密度密度 对于大容器沸腾的临界热流密度对于大容器沸腾的临界热流密度(md)的计算，推荐采用如下半经验公式：的计算，推荐采用如下半经验公式：第七十五页，共84页。六、大容器膜态沸腾六、大容器膜态沸腾(fitng)的关联式的关联式（1 1）横管）横管(hn un)(hn un)的膜态沸腾的膜态沸腾 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由饱和温度的值由饱和温度 ts ts 决定外，其决定外，其余物性均以平均温度余物性均以平均温度 tm tm(tw(twts)/2 ts)/2 为定性温度，为定性温度，特征长度为管子外径特征长度为管子外径d,d,如果加热表面如果加热表面(biomin)(biomin)为球面，为球面，则上式中的系数则上式中的系数0.620.62改为改为0.670.67第七十六页，共84页。勃洛姆来建议采用如下超越勃洛姆来建议采用如下超越(choyu)方程来计算：方程来计算：其中其中(qzhng)：（2）考虑）考虑(kol)热辐射作用热辐射作用 由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从