第六章凝结和沸腾换热2.ppt
a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由表面的加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；液体中所发生的沸腾；b 强制对流沸腾：强制对流沸腾强制对流沸腾：强制对流沸腾加热表面加热表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow6-2-2 气泡动力学简介气泡动力学简介不管哪种沸腾传热，在液体内部均产生气泡。因此了解沸腾不管哪种沸腾传热，在液体内部均产生气泡。因此了解沸腾传热必先了解气泡在沸腾过程中的行为，即气泡动力学。传热必先了解气泡在沸腾过程中的行为，即气泡动力学。1.气泡的成长过程气泡的成长过程 实验表明，实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为面，这些产生气泡的点称为汽化核心汽化核心，一般认为，壁面的凹穴，一般认为，壁面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。2.气泡存在的条件气泡存在的条件气泡半径气泡半径R必须满足下列条件必须满足下列条件(克拉克拉贝龙方程贝龙方程)才能存在：才能存在：可见，随过热度（可见，随过热度（twts)增加，增加，Rmin减少，于是在减少，于是在同一加热面上同一加热面上R Rmin的的凹坑数将增多，即汽化核凹坑数将增多，即汽化核心数增加，产生气泡的密心数增加，产生气泡的密度增加。换热得到增强。度增加。换热得到增强。通过对水在一个大气压下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可通过对水在一个大气压下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出如下图所示的曲线，称为以画出如下图所示的曲线，称为饱和沸腾曲线饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为曲线的横坐标为沸腾沸腾温差温差，或称为加热面的，或称为加热面的过热度过热度；纵坐标为热流密度；纵坐标为热流密度。该图。该图表征了大表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个不同换热规律阶段：自然对流、个不同换热规律阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，6-2-3 大容器沸腾饱和沸腾曲线大容器沸腾饱和沸腾曲线a.自然对流自然对流当沸腾温差当沸腾温差 比较小时（一般比较小时（一般55）（图中）（图中AB段），加热面段），加热面上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地按自然对流换热计算。按自然对流换热计算。b.核态沸腾核态沸腾如果沸腾温差如果沸腾温差 继续增加，加热面上产生的汽泡将迅速增多，继续增加，加热面上产生的汽泡将迅速增多，并逐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。并逐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。这时的液体已达到饱和，并这时的液体已达到饱和，并具有一定的过热度具有一定的过热度，因此汽泡在穿，因此汽泡在穿过液体时会继续被加热并长大，直至冲出液体表面而进入气相过液体时会继续被加热并长大，直至冲出液体表面而进入气相空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡剧烈地扰空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡剧烈地扰动，换热非常强烈，热流密度动，换热非常强烈，热流密度q q 随随 t t 迅速增加，直至出现迅速增加，直至出现峰值峰值q qmaxmax（图中图中C点）。从点）。从B到到C这一阶段的这一阶段的沸腾状态被称为核沸腾状态被称为核态沸腾（或泡态沸腾）。态沸腾（或泡态沸腾）。其其汽泡的生成、长大及运动对换热汽泡的生成、长大及运动对换热起决定作用。起决定作用。核态沸腾的温差小（核态沸腾的温差小（55 t t505050），则热流密度，则热流密度 q q不仅没不仅没有增加，反而迅速降低至一有增加，反而迅速降低至一极小值极小值q qminmin（图中图中D点）。这是由于点）。这是由于产生的汽泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易产生的汽泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面，其换热状态是不稳定的。离壁面，其换热状态是不稳定的。从从C到到D这一阶段这一阶段称为称为过渡沸过渡沸腾。腾。e.稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾在在D D点之后，随着温差点之后，随着温差 t t的继续提高，加热面上开始形成一的继续提高，加热面上开始形成一层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以导导热和对流热和对流的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，热辐射传热辐射传热热方式的作用也随着方式的作用也随着 温差的增加而加大，因此热流密度温差的增加而加大，因此热流密度q q也随也随之增大。从之增大。从D D点以后的沸腾换热状态称为膜态沸腾。点以后的沸腾换热状态称为膜态沸腾。两点说明：两点说明：（1）上上述述热热流流密密度度的的峰峰值值qmax 称称为为临临界界热热流流密密度度，亦亦称称烧烧毁毁点点，在在现现实实中中具具有有重重要要意意义义。例例如如，用用电电加加热热器器加加热热水水，则则一一旦旦热热流流密密度度达达到到并并超超过过峰峰值值，工工况况将将非非常常迅迅速速地地由由C点点沿沿虚虚线线跳跳到到膜膜态态沸沸腾腾线线上上的的E点点，壁壁面面温温度度会会急急剧剧升升高高到到1000以以上上，导导致致加加热热面面因因温温度度过过高高而而烧烧毁毁。一一般般用用核核态态沸沸腾腾转转折折点点DNB作作为为监监视视接接近近qmax的的警警戒戒。这这一一点点对对热热流流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。（2）对对稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，由由于于热热量量传传递递必必须须穿穿过过热热阻阻较较大大的的汽汽膜膜，所以换热系数比凝结小得多。所以换热系数比凝结小得多。6-2-4 沸腾换热计算式沸腾换热计算式1 大容器饱和核态沸腾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核心数，而汽化核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、压力等因素的支配，所以沸腾换心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了有关计算公式的分歧较大。热的情况液比较复杂，导致了有关计算公式的分歧较大。影响核态沸腾换热的因素可归纳为影响核态沸腾换热的因素可归纳为其中其中Cw为沸腾液体与接触表面材料有关的系数。为沸腾液体与接触表面材料有关的系数。常用的关于核态沸腾换热的经验计算公式有两个常用的关于核态沸腾换热的经验计算公式有两个（1 1）对于）对于水的大容器饱和核态沸腾水的大容器饱和核态沸腾，推荐采用，推荐采用米海米海 耶夫耶夫公式，适用压力范围：公式，适用压力范围：10105 54 4 10106 6 Pa Pa按按 上式可转换为上式可转换为 其中其中 米海耶夫公式米海耶夫公式上式中：上式中：（2）罗森诺公式）罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式广泛适用的强制对流换热公式考虑到沸腾换热属于强制对流换热，其换热规律可整理成考虑到沸腾换热属于强制对流换热，其换热规律可整理成St=f(Re,Pr)形式。罗森诺通过大量实验得出了如下实验形式。罗森诺通过大量实验得出了如下实验关联式：关联式：式中，式中，r 汽化潜热；汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容饱和液体的比定压热容 g 重力加速度重力加速度 l 饱和液体的动力粘度饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面液体取决于加热表面液体 组合情况的经验常数组合情况的经验常数(表表6)q 沸腾传热的热流密度沸腾传热的热流密度 s 经验指数，水经验指数，水s=1,否则，否则，s=1.7上式可以改写为：上式可以改写为：可见，可见，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公式得到的q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100，但已知，但已知q计算计算 时，则时，则可以将偏差缩小到可以将偏差缩小到 33。这一点在辐射换热中更为明显。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。计算时必须谨慎处理热流密度。（3）适用于制冷工质沸腾换热的适用于制冷工质沸腾换热的Cooper关联式关联式其中其中2 大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度推荐如下经验公式：推荐如下经验公式：经与实验比较修正，得经与实验比较修正，得3 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式（1）水平管外的膜态沸腾）水平管外的膜态沸腾式中，除了式中，除了r 和和 l 的值由饱和温度的值由饱和温度 ts 决定外，其余物性均以平均决定外，其余物性均以平均温度温度 tm(twts)/2 为定性温度，特征长度取管子外径为定性温度，特征长度取管子外径d。如。如果加热表面为球面，则把上式中的系数改为果加热表面为球面，则把上式中的系数改为0.67（2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此有必要考虑热辐射由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此有必要考虑热辐射换热的影响。热辐射的影响存在有正反两个方面，一是直接增换热的影响。热辐射的影响存在有正反两个方面，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。加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。因此，必须综合考虑热辐射效应。勃洛姆来勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：建议采用如下超越方程来计算：其中：其中：定性温度为：定性温度为：tm=(tw+ts)/26-2-5 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素沸腾换热是所有换热现象中最复杂的、影响因素最多的换热沸腾换热是所有换热现象中最复杂的、影响因素最多的换热过程。这里只针对大容器沸腾换热现象讨论影响沸腾换热的过程。这里只针对大容器沸腾换热现象讨论影响沸腾换热的因素。因素。1 不凝结气体不凝结气体与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体存在会使沸腾与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体存在会使沸腾换热得到某种程度的强化；换热得到某种程度的强化；2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时有只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时有 ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随表面传热系数会明显地随液液 位的降低而升高位的降低而升高(临界临界液位液位)。液位高度对传热。液位高度对传热的影响见右图。的影响见右图。4 重力加速度重力加速度研究表明：从研究表明：从0.1 100 9.8 m/s2 的范围内，的范围内，g对核态沸腾换对核态沸腾换热规律没有影响，但对液体自然热规律没有影响，但对液体自然对流换热有显著影响。对流换热有显著影响。图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微笑笑凹凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹坑坑多多，汽汽化化核核心心多多，换换热热就就会会得得到到强强化化。近近几几十十年年来来的的强强化化沸沸腾腾换换热热的的研研究究思思路路主主要要是是增增加加表表面面凹凹坑坑。目目前前有有两两种种常常用用的的手手段段：(1)用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与化化学学手手段段在在换换热热表表面面上上形形成成多多孔孔结结构构。(2)采采用用机机械械加工方法造成多孔结构。加工方法造成多孔结构。（例（例6-36-3）一直径为一直径为0.3m0.3m的铜平底锅的底用电加热器保的铜平底锅的底用电加热器保持持118118。试计算。试计算：(1)(1)此锅内煮沸水所需的功率；此锅内煮沸水所需的功率；(2)(2)由于沸腾，水在此锅内的蒸发速率？由于沸腾，水在此锅内的蒸发速率？(3)(3)在此条件在此条件下的临界热流密度？下的临界热流密度？分析：分析：已知条件已知条件(a)稳定条件，稳定条件，(b)水暴露在标准大气压下，水暴露在标准大气压下，(c)水温均匀，水温均匀，ts=100；(d)接触面为磨光铜接触面为磨光铜查饱和水参数：查饱和水参数：957.9kg/m3,=279 10-6N S/m2,=58.9 10-3N/m,Cpl=4.217KJ/kg K,Prl=1.76,r=2257KJ/kg 饱和水汽态饱和水汽态（100）参数：）参数：v=1/vg=0.5955kg/m3,te=tw-ts=118-100=18由于由于5 te50,可知发生可知发生了核态沸腾。选择下式了核态沸腾。选择下式计算计算代入已知数据可得代入已知数据可得对于给定的锅底面积，沸腾传热所需电功率为对于给定的锅底面积，沸腾传热所需电功率为（2）稳态条件下，由能量平衡）稳态条件下，由能量平衡即即于是可得蒸发速率为于是可得蒸发速率为（3）临界热流密度）临界热流密度可依下式计算可依下式计算代入相关数据，得代入相关数据，得（例（例6-46-4）水平铂线通电加热，在水平铂线通电加热，在1atm1atm水中产生稳定膜水中产生稳定膜态沸腾。已知态沸腾。已知tw-ts=654，导线直径为，导线直径为1.27mm1.27mm，求沸，求沸腾换热表面传热系数。腾换热表面传热系数。分析：分析：已知条件已知条件(a)稳定条件，稳定条件，(b)水暴露在标准大气压下，水暴露在标准大气压下，(c)水温均匀，水温均匀，ts=100；(d)接触面为铂线接触面为铂线定性温度：定性温度：tm=(tw+ts)/2=427。查表知。查表知 v0.314kg/m3,=0.0505W/m K,=0.0243 10-3kg/(m s),按按ts=100查饱和水查饱和水表，得表，得 l=958kg/m3,r=2257KJ/kg 则水平管外膜态沸腾换热表面传热系数可依下式计算则水平管外膜态沸腾换热表面传热系数可依下式计算代入相关数据，得代入相关数据，得hconv=281W/(m2 K)注意：如果设表面发射率为注意：如果设表面发射率为 0.9，则由下式，则由下式计算得计算得hrad=85.3W/(m2 K)于是，在综合考虑对流和辐射影响条件下的沸腾换热系于是，在综合考虑对流和辐射影响条件下的沸腾换热系数可按下式计算数可按下式计算代入上述计算结果，得代入上述计算结果，得h=2814/3+85.34/3=322.9W/(m2 K)思考题：思考题：1.1.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域?有那些特性点有那些特性点?各各 个区域在换热原理上有何特点个区域在换热原理上有何特点?2.2.气化核心的概念气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件沸腾气泡产生的物理条件.3.3.画出水的池内饱和沸腾曲线画出水的池内饱和沸腾曲线.掌握特性点的基本数值范围掌握特性点的基本数值范围.4.什么是临界热流密度什么是临界热流密度?什么是烧毁点什么是烧毁点?如果是定壁温加热如果是定壁温加热 条件条件,还会有烧毁现象出现吗还会有烧毁现象出现吗?5.为什么对于不同的表面粗糙度为什么对于不同的表面粗糙度,核态沸腾换热系数有很核态沸腾换热系数有很 大的不同大的不同?6.那些因素影响核态沸腾换热那些因素影响核态沸腾换热?7.沸腾换热的基本计算方法沸腾换热的基本计算方法?作业作业：6-256-25；6-336-33；6-366-36；6-466-46；6-476-47
