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相变对流换热相变对流换热第1页，本讲稿共66页1 1、重点内容：、重点内容：凝结与沸腾换热机理及其特点；凝结与沸腾换热机理及其特点；膜状凝结换热分析解及实验关联式；膜状凝结换热分析解及实验关联式；大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。2 2、掌握内容、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3 3、了解内容、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。变的对流换热。工程中广泛应用工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。第2页，本讲稿共66页第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热换热和自然对流换热下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换相变换热热，目前涉及的是，目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能借助比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能借助于经验公式和实验关联式。于经验公式和实验关联式。第3页，本讲稿共66页7.1.1 7.1.1 珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，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，称放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换凝结换热热现象。有两种凝结形式。现象。有两种凝结形式。凝结换热的凝结换热的分类分类 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 7.1 凝结传热的模式第4页，本讲稿共66页(1)(1)膜状凝结膜状凝结 定义：定义：凝结液体能很好地湿润凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。成膜的凝结形式，称膜状凝结。g(2)(2)珠状凝结珠状凝结 定义：定义：凝结液体不能很好地湿凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。称珠状凝结。g第5页，本讲稿共66页凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。珠状凝结珠状凝结的表面换热系数 膜状凝结，但是一般无法长久保持。2.55105 500025000第6页，本讲稿共66页7.1.2 7.1.2 凝结液主要热阻凝结液主要热阻 膜状凝结特点：膜状凝结特点：壁面上有一层液膜，凝结壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻。热阻。珠状凝结特点：珠状凝结特点：凝结放出的潜热不须穿过液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。膜的阻力即可传到冷却壁面上。gg在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。数定大于膜状凝结的传热系数。第7页，本讲稿共66页7.1.3 7.1.3 膜状凝结是工程设计依据膜状凝结是工程设计依据 实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。结。工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。式作为设计的依据。强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度 第8页，本讲稿共66页 1916 1916年，年，NusseltNusselt提出的简单层流膜状凝结换热分析提出的简单层流膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自19161916年以来，年以来，各种修正或发展都是针对各种修正或发展都是针对NusseltNusselt分析的限制性假设而进分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先行了，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先得了解得了解NusseltNusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。7-2 7-2 膜状凝结分析解及关联式膜状凝结分析解及关联式 第9页，本讲稿共66页7.2.1 7.2.1 纯净蒸汽层流膜状凝结分析解纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 假设假设：1 1）常物性；常物性；2 2）蒸气静止，蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；气液界面上无对液膜的粘滞应力；3 3）液膜的惯性力忽略；液膜的惯性力忽略；4 4）气液界气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；温度；5 5）膜内温度线性分布，即热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；量转移只有导热；6 6）液膜的过冷度液膜的过冷度忽略；忽略；7 7）忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；8 8）液膜液膜表面平整无波动表面平整无波动1 1、对实际问题的简化、对实际问题的简化图图7-4 努赛尔理论分析的坐努赛尔理论分析的坐标系与边界条件标系与边界条件第10页，本讲稿共66页下脚标下脚标 l l 表示液相表示液相在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：以竖壁的膜状凝结为例：以竖壁的膜状凝结为例：x x 坐标为重力方向，如图所示。坐标为重力方向，如图所示。2 2、边界层方程组的简化、边界层方程组的简化第11页，本讲稿共66页考虑假设（考虑假设（3 3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略 考虑假设（考虑假设（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度dp/dxdp/dx为可按为可按y=y=处液膜表面蒸汽压力梯度计算，将动量处液膜表面蒸汽压力梯度计算，将动量方程应用于蒸汽。由假设（方程应用于蒸汽。由假设（2 2）蒸汽的静止的，若以）蒸汽的静止的，若以V V表表示蒸汽密度：示蒸汽密度：第12页，本讲稿共66页只有只有u u 和和 t t 两个未知量，不需补充其他方程。两个未知量，不需补充其他方程。考虑假设（考虑假设（5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热方程组化简为：方程组化简为：第13页，本讲稿共66页边界条件：边界条件：求解的基本思路求解的基本思路 （1 1）先先从从简简化化的的微微分分方方程程组组出出发发获获得得包包括括液液膜膜厚厚度度在内的流速在内的流速u u及温度及温度t t分布的表达式；分布的表达式；（2 2）再再利利用用dxdx一一段段距距离离上上凝凝结结液液体体的的质质量量平平衡衡关关系系取得液膜厚度的表达式；取得液膜厚度的表达式；（3 3）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式求出表面传热系数的表达式。第14页，本讲稿共66页3.3.主要主要求解求解过程与过程与结果结果(1)(1)液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按t ts s确定确定(2)(2)局部表面传热系数局部表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数若与水平轴有夹角（若与水平轴有夹角（0 0）的倾斜壁，式中）的倾斜壁，式中g g改为改为gsingsin。第15页，本讲稿共66页1 1、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：水平管：水平管：球：球：7.2.2 7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证竖直管与水平管的比较及实验验证 定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按t ts s确定确定第16页，本讲稿共66页2 2、水平管外凝结与竖直管外凝结的比较、水平管外凝结与竖直管外凝结的比较在其他条件相同时（直径为在其他条件相同时（直径为d d和高为和高为l l的圆管），横管与竖的圆管），横管与竖管的对流换热系数之比：管的对流换热系数之比：不同：特征长度不同；系数不同不同：特征长度不同；系数不同当当l/d=50l/d=50时，横管的平均表面时，横管的平均表面传热系数是竖管的的传热系数是竖管的的2 2倍。倍。第17页，本讲稿共66页3 3、分析解的实验验证和假设条件、分析解的实验验证和假设条件竖壁竖壁当当Re20Re20Re20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于时，实验数据越来越高于理论解，最高大于20%20%图图7-7 7-7 竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较第18页，本讲稿共66页对竖壁的修正：对竖壁的修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，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实验值比上述得理论值高2020左右。左右。修正后修正后：水平圆管、横管水平圆管、横管：实验数据与理论解相符。：实验数据与理论解相符。PrPr数接近数接近1 1或大于或大于1 1的流体，只要无量纲量的流体，只要无量纲量 时，时，微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。其他假设修正其他假设修正第19页，本讲稿共66页膜层中凝结液的流动状态膜层中凝结液的流动状态 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也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层ReRe。7.2.3 7.2.3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。直径为特征长度的雷诺数。以竖壁为例以竖壁为例u ul l为为 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；dede为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。第20页，本讲稿共66页对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 。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竖壁上层流液膜的竖壁上层流液膜的质量流量质量流量x xl l处宽为处宽为1m1m的截面上的的截面上的凝结液的质量流量凝结液的质量流量第21页，本讲稿共66页实验证明：实验证明：（1 1）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由层流转变为湍流时，液膜由层流转变为湍流 ；（2 2）横管均在层流范围内，因为管径较小。）横管均在层流范围内，因为管径较小。湍流特征湍流特征:对于湍流液膜，热量的对于湍流液膜，热量的传递：（传递：（1 1）靠近壁面极薄的层流）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；底层依靠导热方式传递热量；（2 2）层流底层以外的湍流层以湍）层流底层以外的湍流层以湍流传递的热量为主。因此，湍流液流传递的热量为主。因此，湍流液膜换热远大于层流液膜换热。膜换热远大于层流液膜换热。无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流第22页，本讲稿共66页式中：式中：h hl l为层流段的传热系数；为层流段的传热系数；h ht t为湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数；x xc c为层流转变为湍流时转折点的高度为层流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计算方法计算方法对于对于竖壁湍流竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的膜状换热，沿整个壁面上的平均平均表面传热系数表面传热系数第23页，本讲稿共66页可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式式中：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24页，本讲稿共66页6-3 6-3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化2.2.管子排数管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。横管管束凝结换热情况比较复杂。横管管束凝结换热情况比较复杂。工工程程实实际际中中所所发发生生的的膜膜状状凝凝结结过过程程往往往往比比较较复复杂杂，受受各各种因素的影响。种因素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不不凝凝结结气气体体增增加加了了传传递递过过程程的的阻阻力力，同同时时使使饱饱和和温温度度下降，减小了凝结的驱动力。下降，减小了凝结的驱动力。例例：水水蒸蒸汽汽中中质质量量含含量量占占1 1的的空空气气能能使使表表面面传传热热系系数数降低降低6060，后果是很严重的。，后果是很严重的。第25页，本讲稿共66页 3.3.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。蒸气流速低蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于时，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。流速较高流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。四周，中心为蒸气核。第26页，本讲稿共66页 6.6.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如如果果考考虑虑过过冷冷度度及及温温度度分分布布的的实实际际情情况况，要要用用下下式式代代替计算公式中的替计算公式中的r r，4.4.蒸气流速蒸气流速 流速较高时（对于水蒸汽流速大于流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s10m/s），蒸气流对液），蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，动同向时，使液膜拉薄，h h增大；反之使增大；反之使h h减小。减小。5.5.过热蒸气过热蒸气 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。第27页，本讲稿共66页强化凝结换热的原则强化凝结换热的原则用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄拉薄使已凝结的液体尽快从换热表面上使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉排泄掉。7.3.27.3.2膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度第28页，本讲稿共66页第29页，本讲稿共66页第30页，本讲稿共66页第31页，本讲稿共66页7.4 沸腾换热现象沸腾的定义：沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。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；2 2）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受）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，所以沸腾换热强度远大于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。无相变的换热。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）管内沸腾（强制对流沸腾）管内沸腾（强制对流沸腾）上述每种又分为上述每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。第32页，本讲稿共66页（1 1）大容器沸腾）大容器沸腾 定义：定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的指加热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。沸腾称为大容器沸腾。特点：特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。（3 3）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。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个换热规律全然不个换热规律全然不同的区域。同的区域。（4 4）过冷沸腾）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。（2 2）管内沸腾）管内沸腾 流体的运动需加外加的压差才能维持。流体的运动需加外加的压差才能维持。第33页，本讲稿共66页 在在盛盛水水的的烧烧杯杯中中置置入入一一根根不不锈锈钢钢细细管管，通通电电加加热热以以使使其其表表面面产产生生汽汽泡泡，烧烧杯杯底底下下的的电电热热器器用用于于将将水水加加热热到到饱饱和和温温度度，这这样样在在不不锈锈钢钢表表面面上上进进行行的的沸沸腾腾为为饱饱和和沸沸腾腾。随随着着电电流流密密度度的的增增大大，烧烧杯杯中中的的水水与与不不锈锈钢钢管管表表面面间间的的热热交交换换依依次次会会出出现现以以下下4 4个个换换热热规规律律不不同同的的阶阶段段：自自然然对对流流、核核态态沸沸腾腾、过过渡渡沸腾和稳定膜态沸腾。沸腾和稳定膜态沸腾。7.4.1 7.4.1 大容器饱和沸腾四个区域大容器饱和沸腾四个区域 第34页，本讲稿共66页传热学 Heat Transfer7-4 沸腾传热的模式 大容器饱和沸腾曲线0 t 4:单相自然对流区，无汽泡。4 t 25:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25 t 200:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200 t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHF第35页，本讲稿共66页 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段、将整个曲线分成四个特定的换热过程。将整个曲线分成四个特定的换热过程。1 1）单相自然对流段（液面汽）单相自然对流段（液面汽化段）化段）壁面过热度小，沸腾尚未壁面过热度小，沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流开始，换热服从单相自然对流规律。规律。第36页，本讲稿共66页2 2）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾）随着随着 的上升，在加热面的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。称为起始沸点。开始阶段开始阶段，汽化核心产生的汽，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为泡互不干扰，称为孤立汽泡区；孤立汽泡区；随着随着 的上升，汽化核心的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为称为相互影响区。相互影响区。第37页，本讲稿共66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增加到最大增加到最大值，汽泡扰动剧烈，汽化核心值，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段对换热起决定作用，则称该段为为核态沸腾（泡状沸腾）。核态沸腾（泡状沸腾）。其特点：其特点：温压小，换热强度大，温压小，换热强度大，其终点的热流密度其终点的热流密度q q达最大值。达最大值。工业设计中应用该段。工业设计中应用该段。第38页，本讲稿共66页 3 3）过渡沸腾）过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热，热流密度流密度q q减小；当增大到一定减小；当增大到一定值时，热流密度减小到值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为这一阶段称为过渡沸腾过渡沸腾。该区。该区段的特点是属于不稳定过程。段的特点是属于不稳定过程。原因：原因：汽泡的生长速度大于汽汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使热流密度下降。化，致使热流密度下降。第39页，本讲稿共66页4 4）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的的上升，气泡生长速度与跃离速度上升，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，产生的蒸汽成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使有规律地脱离膜层，致使 上上升时，热流密度升时，热流密度 q q 上升，此阶段上升，此阶段称为称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾。其特点：其特点：a a、汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；、汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；b b、辐射热量随着辐射热量随着t的加大而剧增，使热流密度大大增加；的加大而剧增，使热流密度大大增加；c c、在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的在物理上与膜状凝结具有共同点：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。汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。第40页，本讲稿共66页上上述述热热流流密密度度的的峰峰值值q qmaxmax 有有重重大大意意义义，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。一一般般用用核核态态沸沸腾腾转转折折点点DNBDNB作作为为监监视视接接近近q qmaxmax的的警警戒戒。这这一一点点对对热热流流密密度度可可控控和和温温度度可可控控的的两两种种情情况况都都非非常常重要。重要。7.4.2 7.4.2 临界热流密度及其工程意义临界热流密度及其工程意义 对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，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得多。所以换热系数比凝结小得多。莱登佛罗斯特点莱登佛罗斯特点第41页，本讲稿共66页第42页，本讲稿共66页 实践上，上述热流密度的峰值有重大意义，它被称为实践上，上述热流密度的峰值有重大意义，它被称为临界热流密度。临界热流密度。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加热器、对冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，热器、对冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线，将猛升至近工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线，将猛升至近10001000，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以毁，所以 亦称烧毁点。亦称烧毁点。DNBDNB（Department from Nucleate BoilingDepartment from Nucleate Boiling）：核态沸腾）：核态沸腾转折点偏离核态沸腾规律的点，作为监视接近的警戒，很转折点偏离核态沸腾规律的点，作为监视接近的警戒，很可靠。可靠。对于冷凝器等壁面可控的设备，这种监视也是重要的，因对于冷凝器等壁面可控的设备，这种监视也是重要的，因为一旦超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，使传热量为一旦超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，使传热量减小。减小。第43页，本讲稿共66页7.4.3 7.4.3 气泡动力学简介气泡动力学简介 产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。1 1、为什么沸腾传热有那样高的传热强度、为什么沸腾传热有那样高的传热强度 主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的。起的各种扰动所造成的。2 2、加热表面上什么地点最容易形成汽化核心、加热表面上什么地点最容易形成汽化核心 处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；狭缝中的气体易成为气泡核心狭缝中的气体易成为气泡核心第44页，本讲稿共66页第45页，本讲稿共66页3 3、加热表面上要产生气泡液体必须过热、加热表面上要产生气泡液体必须过热 流流体体中中形形成成的的汽汽泡泡，必必须须与与液液体体处处于于力力平平衡衡和和热热平平衡衡。由由于于汽汽泡泡表表面面张张力力的的作作用用，使使其其内内压压大大于于外外压压 ，根根据据力力平平衡条件：衡条件：若若忽忽略略液液柱柱静静压压力力，p pl l则则等等于于沸沸腾腾系系统统的的环环境境压压力力，即即近近似似于于 （饱和温度下的液体压力）（饱和温度下的液体压力）N/N/。第46页，本讲稿共66页汽汽泡泡外外的的液液体体是是过过热热的的，其其过过热热度度为为：。贴贴壁壁处处液液体体具具有有最最大大过过热热度度。则则壁壁面面凹凹处处最最先先能能满满足足汽汽泡泡生生成成的的条件：条件：产生半径为产生半径为R R的气泡所需的气泡所需过热度（过热度（克劳修斯克拉贝龙方程）克劳修斯克拉贝龙方程）由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界面内外温度相等，则。面内外温度相等，则。第47页，本讲稿共66页可见，可见，(t(tw w t ts s),R,Rminmin 同一加热面上，成为汽化核心的凹穴数同一加热面上，成为汽化核心的凹穴数量增加量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强讨讨论论：若若汽汽泡泡半半径径R 内内外外压压差差，则则汽汽泡泡内内蒸汽凝结，汽泡不能形成。蒸汽凝结，汽泡不能形成。若汽泡半径若汽泡半径RR时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。第48页，本讲稿共66页7.5 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍牛顿冷却公式仍然适用然适用，即，即 对于沸腾换热的表面传热系数许多不同的计算公式。对于沸腾换热的表面传热系数许多不同的计算公式。影响核态沸腾的主要因素主要是壁面过热度和汽化核影响核态沸腾的主要因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数受到壁面材料及其表面状况、压力、心数，而汽化核心数受到壁面材料及其表面状况、压力、物性等的支配，由于因素比较复杂，文献中提出的沸腾传物性等的支配，由于因素比较复杂，文献中提出的沸腾传热的计算式分歧较大热的计算式分歧较大。目前存在两种计算是：目前存在两种计算是：（1 1）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式；（2 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49页，本讲稿共66页7.5.1 7.5.1 大容器饱和核态沸腾的无量关联式纲大容器饱和核态沸腾的无量关联式纲 罗森诺认为，核态沸腾传热之所以强烈，主要是由于罗森诺认为，核态沸腾传热之所以强烈，主要是由于气泡的产生与脱离造成强烈的扰动之故，基于这样的思想，气泡的产生与脱离造成强烈的扰动之故，基于这样的思想，通过大量实验得出了如下实验关联式：通过大量实验得出了如下实验关联式：第50页，本讲稿共66页 系数系数C Cwlwl的取值，是一个纯经验参数，取决于固体表的取值，是一个纯经验参数，取决于固体表面的性质以及沸腾液体的性质，由实验确定。面的性质以及沸腾液体的性质，由实验确定。第51页，本讲稿共66页显热显热/潜热潜热Re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 q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100100，但已知，但已知q q计算计算 ,则可以则可以将偏差缩小到将偏差缩小到 3333。这一点在辐射换热更为明显。计算。这一点在辐射换热更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。时必须谨慎处理热流密度。无量纲关联式无量纲关联式Jaf(Re,Pr)第52页，本讲稿共66页 对于制冷介质而言，以下的对于制冷介质而言，以下的库珀（库珀（CooperCooper）公式）公式目目前得到广泛的应用：前得到广泛的应用：其中：其中：为液体的相对分子质量；为液体的相对分子质量；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，为为表面平均粗糙度（对一般工业用管材表面，为 0.30.40.30.4）；）；q q为热流密度。为热流密度。第53页，本讲稿共66页7.5.2 7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度 对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如下半经验公式下半经验公式：当压力离开临界压力较远时，上述右端最后一项取为当压力离开临界压力较远时，上述右端最后一项取为1，同时将理论分析得出的系数，同时将理论分析得出的系数0.131用实验值用实验值0.149代替，代替，得到以下推荐公式：得到以下推荐公式：物性均按照饱和温度查取，无特征长度。当加热面物性均按照饱和温度查取，无特征长度。当加热面的特征长度大于三倍气泡直径时，即可适用。的特征长度大于三倍气泡直径时，即可适用。第54页，本讲稿共66页7.5.3 7.5.3 大容器饱和液体膜态沸腾的传热计算式大容器饱和液体膜态沸腾的传热计算式（1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾 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t ts s决定外，其余物决定外，其余物性均以平均温度性均以平均温度t tm m(t(tw wt ts s)/2)/2为定性温度，特征长度为定性温度，特征长度为管子外径为管子外径d,d,如果加热表面为球面，则上式中的系数如果加热表面为球面，则上式中的系数0.620.62改为改为0.670.67第55页，本讲稿共66页勃洛姆来建议采用如下勃洛姆来建议采用如下超越方程超越方程来计算：来计算：其中：其中：（2 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，有必要考由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换虑辐射换热的影响，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。因此，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。必须综合考虑热辐射效应。第56页，本讲稿共66页7.6 7.6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。素也只针对大容器沸腾换热。1 1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响不凝结气体对膜状凝结换热的影响 与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化。热得到某种程度的强化。第57页，本讲稿共66页2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，换热时，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。3 3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高(临界液位临界液位)。第58页，本讲稿共66页图中介质为一个大气压下的水图中介质为一个大气压下的水第59页，本讲稿共66页 4 4 重力加速度重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：就现有的成果表明：从从0.10.1100100 9.8 m/s9.8 m/s2 2 的范围内，的范围内，g g对核态沸腾换热对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，因此，g g Nu Nu 换热加强。换热加强。第60页，本讲稿共66页6.7.2 6.7.2 强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾传热的原则和技术基本原则：增多汽化核心基本原则：增多汽化核心 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主主要要是是增增加加表表面面凹凹坑坑。目目前前有两种常用的手段：有两种常用的手段：(1)(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 化化学学手手段在换热表面上形成多孔结构。段在换热表面上形成多孔结构。(2)(2)机械加工方法。机械加工方法。第61页，本讲稿共66页第62页，本讲稿共66页第63页，本讲稿共66页本章重点：凝结换热1.凝结换热的产生条件及两种凝结换热的形式；2.竖壁膜状凝结的分析解（最主要的两点假设），为何多水平横置；3.膜状凝结的实验关联式（凝结换热量+凝结速率），注意Re需校核；4.膜状凝结的影响因素和强化措施（减薄液膜厚度、加速凝结液膜的排出）。沸腾换热1.沸腾换热的产生条件、分类，以及与蒸发的区别；2.沸腾换热的特点；3.大容器饱和沸腾曲线（四区，核态沸腾区为理想工作区域）；4.临界热流密度的意义（沸腾曲线中虚线的含义）；5.实验关联式的应用；6.沸腾换热的影响因素及其强化措施（增加壁面汽化核心的数目）。第64页，本讲稿共66页对流传热小结原理部分：原理部分：1.对流换热是如何分类的对流换热是如何分类的?影响对流换热的主要因素影响对流换热的主要因素.2.对流换热问题的数学描写中包括那些方程对流换热问题的数学描写中包括那些方程?3.从流体的温度场分布可以求出对流换热系数从流体的温度场分布可以求出对流换热系数(表面表面 传传热系数热系数),其物理机理和数学方法是什么其物理机理和数学方法是什么?5.速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义速度边界层和温度边界层的物理意义和数学定义.6.如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组如何使用边界层理论简化对流换热微分方程组?数量级分析法数量级分析法7.使用相似分析法推导准则关系式的基本方法使用相似分析法推导准则关系式的基本方法.8.Bi,Nu,Re,Pr,Gr准则数的物理意义及定义式准则数的物理意义及定义式.第65页，本讲稿共66页实验关联式：实验关联式：流体外掠等温平板、横掠单管、横掠管束；流体外掠等温平板、横掠单管、横掠管束；圆管或其他截面管道内部流动；圆管或其他截面管道内部流动；大空间自然对流；大空间自然对流；流动特点；流动特点；局部表面换热系数的沿程变化；局部表面换热系数的沿程变化；关联式的选择；关联式的选择；定性温度、特征长度、特征速度的选取。定性温度、特征长度、特征速度的选取。对流传热小结第66页，本讲稿共66页