第六章-凝结与沸腾换热课件.ppt

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1、1一、一、凝结换热凝结换热 蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。蒸汽在凝结过程中与固体壁面发生的换热。各种液体各种液体二、凝结换热的分类二、凝结换热的分类 1. 1. 膜状凝结膜状凝结(filmwise condensation):(filmwise condensation): 在壁面形成完整的液膜的凝结。在壁面形成完整的液膜的凝结。 2. 2. 珠状凝结珠状凝结(dropwise condensation)(dropwise condensation)： 凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。凝结液以液珠的形式向下滚落时形成的对流换热。6-1 6-1 凝结换热现象凝结换热现象2 是

2、否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，而润湿是否形成膜状凝结主要取决于凝结液的润湿能力，而润湿能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，能力又取决于表面张力。表面张力小的润湿能力强。实践表明，几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上几乎所有的常用蒸气在纯净条件下在常用工程材料洁净表面上都能得到膜状凝结。都能得到膜状凝结。3cosg ll s定值，4 珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途珠状凝结的特点是小液珠在壁面形成、长大、脱落，沿途清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。清扫液珠，壁面裸露，蒸气直接与壁接触，凝结成新的液珠。 在珠状

3、凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热在珠状凝结时，蒸气与冷却壁之间没有液膜热阻，故传热大的加强，一般大的加强，一般 在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁在工业中常用流体的润湿能力都比较强。凝结时，先在壁面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。面上凝结成液体，沿壁面下流，逐渐形成液膜。 膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须膜状凝结时，壁面总被液膜覆盖，凝结时放出的潜热必须穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。穿过液膜才能传到壁面上，故液膜是换热的主要热阻。 珠状凝结好珠状凝结好 难于获得难于获得 : :通过材料表面改性或涂憎水层。通过材料表面改性或

4、涂憎水层。df(5 10)hh5一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解一、纯净蒸气层流膜状凝结分析解凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法凝结换热是一个非常复杂的现象，如要考虑所有因素将无法进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突进行分析。传热学中惯用的方法是进行简化，忽略次要因素，突出主要因素，使理论分析可以进行。出主要因素，使理论分析可以进行。Nusselt Nusselt 于于19161916年成功地用年成功地用理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论：理论分析法求解了膜状凝结问题。下面即为此理论： 1. 1. 物理问题：蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热

5、物理问题：蒸气在冷壁面凝结，形成液膜，蒸气凝结将热量传给冷壁面，求换热系数。量传给冷壁面，求换热系数。 6-2 6-2 膜状凝结分析解及实验关联式膜状凝结分析解及实验关联式61 1）常物性；）常物性；2 2）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力；）蒸气是静止的，汽液界面上无对液膜的粘滞应力； 3 3）液膜惯性力可以忽略；）液膜惯性力可以忽略； 4 4）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度；）汽液界面上无温差，界面上液膜温度等于饱和温度；5 5）膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移只有导）膜内温度分布是线形的，即认为液膜内的热量转移只有导热，而无对流作用；热，而无对流作用；

6、6 6）液膜的过冷度可以忽略；）液膜的过冷度可以忽略； 7 7） v v l l， v可忽略不计；可忽略不计；8 8）液膜表面平整无波动。）液膜表面平整无波动。2. 2. 基本假设基本假设：7取如右图所示的坐标系，取如右图所示的坐标系，因为液膜具有边界层的特性，因为液膜具有边界层的特性，故满足边界层微分方程组，故满足边界层微分方程组，但要加上重力项。但要加上重力项。0yvxu22ytaytvxtul22yugdxdpyuvxuulll0ypBernoulliBernoulli方程方程 边界层外边界层外0 xgpvgdxdpv0)(22yuglvl022ytswttdyduyttuy, 0, 0

7、, 03.3.数学描述：数学描述：81)(cygdydulvl2122)(cycygulvl00, 02cuy0)(1cgdydulvl)21(2)(2yygulvl1cyt21cyctwwtctty2, 0wsstcttty1,wsttc1)(wswttytt4. 4. 求解求解9 ？x x 处的质量流量处的质量流量dyyygudydMMlvlll200021)(lvlllvllgyyg3)(6121)(3032X+dxX+dx 处质量流量的增加处质量流量的增加lvlldgdM)(2对微元体应用热力学第一定律对微元体应用热力学第一定律xdrdMdxttdgrwsllvll)(2即即10得得4

8、()14()llswllvttxrg 液膜厚度液膜厚度41)()(4vllwsllrgxttxvllwslldxrgttd003)()(分离变量积分分离变量积分11竖壁的平均表面传热系数：竖壁的平均表面传热系数：41341)(4)()(4)(xttrgxttrghwslvlllwsllvlllxdxttdxtthdwslwsxx)(/xlh4130)()(943.0341wslvlllLLxvttLrghdxhLh5. 5. 局部表面传热系数局部表面传热系数 Newton cooling LawNewton cooling Law（忽略过冷度）（忽略过冷度）12倾斜壁倾斜壁22sinyugdx

9、dpyuvxuulll4123)(sin943.0wslllttLrgh水平管水平管 Nusselt Nusselt 采用图解积分得采用图解积分得4123)(729.0wslllHttdrgh4/1/77. 0dLhhVHVHhhdL,85. 2/时当球表面球表面4123)(826.0wslllSttdrgh13=定性温度，除定性温度，除r r 用用 t ts s 外其余皆为外其余皆为( (t tw w+ +t ts s) )/2/2=公式使用范围，层流公式使用范围，层流 Re1600Re20Re20）2uLLL153/1323/1323/1ghgLhLGaNuCo3/1323/1323/43

10、/1323/4)(434hgttLgrhghws3/13/147.1)(447.1RetthLrwsCondensation NumberCondensation Number3/151.1ReCo横管横管( (层流膜状，不可能湍流）层流膜状，不可能湍流）Re竖直壁18000.40.0077ReCoRe当竖直壁180016惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。工业应用场合满足此条件惯性力项及液膜过冷度的影响均可略而不计。工业应用场合满足此条件实验表明，液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为实验表明，液膜由层流转变为湍流的临界雷诺数为 16001600。1)(wspttcrJa研究表示对于研究表示

11、对于PrPr数接近于数接近于1 1或大于或大于1 1的流体，只要的流体，只要4/123)(13.12.1wslllttLrghh8. 8. 理论公式的修正理论公式的修正横管吻合很好。竖壁，横管吻合很好。竖壁，Re20Re20Re20时，实验值高时，实验值高20%20%17对于对于Re Re 1600 1600 的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的的湍流液膜，热量的传递除了靠近壁面极薄的层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热层流底层仍依靠导热方式外，层流底层以外以湍流传递为主，换热比层流时大为增强。对于底部已达到湍流状态的竖壁凝结换热，其比层流时大为增强。对于底部已达到湍

12、流状态的竖壁凝结换热，其沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：沿整个壁面的平均表面传热系数按下式计算：1ccltxxhhhLL9200)253(584/34/12/131Re/PrPrPrReGaNusw除除PrPrw w 的定性温度用的定性温度用 t tw w 外，其余均用外，其余均用t ts s，物性为凝结液的，物性为凝结液的 二、湍流膜状凝结换热二、湍流膜状凝结换热18 例题例题 6-1 6-1 压力为压力为1.0131.01310103 3Pa Pa 的水蒸气在方形竖壁上凝的水蒸气在方形竖壁上凝结。壁的尺寸为结。壁的尺寸为30cm30cm30cm30cm，壁温保持，壁温保持9898。

13、计算每小时的。计算每小时的热换量及凝结蒸汽量。热换量及凝结蒸汽量。 解：先假设液膜为层流。解：先假设液膜为层流。 根据根据 t ts s=100=100，查得，查得r r=2257kJ/kg=2257kJ/kg。其他物性按液膜平均温度其他物性按液膜平均温度 t tm m=(100+98)/2=99 =(100+98)/2=99 查取，得：查取，得： =958.4kg/m=958.4kg/m3 3, ,=2.825 2.825 1010-4-4kg/(m.s),kg/(m.s),=0.68W/(m.K)0.68W/(m.K)则有：则有：4/123)(13.1wslllttLrgh4/14323)

14、98100(3.010825.268.04.9851022578.913.1421.5710 W /(mK)19核算核算ReRe准则：准则：说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计说明原来假设液膜为层流成立。换热量可按牛顿冷却公式计算：算：凝结蒸汽量为：凝结蒸汽量为：rtthLRews)(41.5910825.2102257)98100(3.01057.14464ReW1083. 223 . 01057. 1)(324wstthA33m32.83 101.25 10 kg/s4.5kg/h2257 10qr201. 1. 不凝结气体：不凝结气体： 由于不凝结气体形成气膜，故由于不凝

15、结气体形成气膜，故：1).1).蒸气要扩散过气膜，形成阻力；蒸气要扩散过气膜，形成阻力； 2).2).气膜导致蒸气分压力降低，从而使气膜导致蒸气分压力降低，从而使 t ts s 降低降低：=严重性：严重性：1% 1% 的不凝结气体能使的不凝结气体能使 h h降低降低 60%60%=凝汽器凝汽器4/123)(13.1wslllttLrgh4/34/123)(13.1)(wslllwsttLrgtthq qts 6-3 6-3 影响膜状凝结因素的讨论影响膜状凝结因素的讨论212. 2. 蒸气流速蒸气流速 前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。前面的理论分析忽略了蒸气流速的影响。= u u 向上向上

16、液膜增厚液膜增厚 h h ；u u 液膜破裂液膜破裂 h h = u u 向下向下 液膜减薄液膜减薄 h h ； u u 液膜破裂液膜破裂 h h 3. 3. 过热蒸气过热蒸气 实验证实实验证实 代替代替 r r 即可即可4. 4. 液膜过冷度及温度分布的非线形液膜过冷度及温度分布的非线形 只要用只要用 代替计算公式中的代替计算公式中的 r r，即可：，即可：)(68. 0wspttcrrglhhrr225. 5. 管子排数管子排数 n n排排, , 特征长度特征长度d d nd nd 由于凝结液落下时要产生飞溅以及由于凝结液落下时要产生飞溅以及对液膜的冲击扰动，会使对液膜的冲击扰动，会使 h

17、 h 增大。增大。6. 6. 管内冷凝管内冷凝低速高速2324257. 7. 凝结表面情况凝结表面情况 凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热凝结换热的放热系数一般比较大，故在常规冷凝器中其热阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，阻不占主导地位。但实际运行中凝汽器的泄漏是不可避免的，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，空气的漏入使冷凝器平均表面传热系数明显下降。实践表明，采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强采用强化措施可以收到实际效益。某些制冷剂的冷凝器中，强化有更大现实意义。化有更大现实意义。强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上

18、液膜的厚度。强化的原则：尽量减薄粘滞在换热表面上液膜的厚度。 实现的方法实现的方法：= 尖锋的表面尖锋的表面= 使凝结液尽快从换热表面上排泄掉使凝结液尽快从换热表面上排泄掉 如低肋管、纵向沟槽等如低肋管、纵向沟槽等= 表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结表面改性，使膜状凝结变为珠状凝结 表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入表面涂层（油脂、纳米技术）、离子注入l s（改变表面组成，使，）2627(Boiling heat transfer phenomena)(Boiling heat transfer phenomena)一、一、 定义：定义： 物质由液态变为气态时发生的换热叫物质由液态变为气态时

19、发生的换热叫沸腾换热沸腾换热。 应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；应用：电站中的水冷壁；工业锅炉中的省煤器；烧开水；冰箱中氟里昂的蒸发等。冰箱中氟里昂的蒸发等。= 沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程沸腾与前面介绍的凝结正好是正反两个过程= 许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的许多学科中正反过程的（物理机制）公式是一样的= 传热有时不一样（管内强制对流）传热有时不一样（管内强制对流）= 沸腾比凝结复杂得多沸腾比凝结复杂得多 6-4 6-4 沸腾换热现象沸腾换热现象( (本科生本科生11.9）281. 1. 按流动动力分按流动动力分 a). a). 大容器大容器( (或

20、池内或池内) )沸腾沸腾(Pool boiling)(Pool boiling)： 加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。例铝壶烧开水等例铝壶烧开水等 b). b). 强制对流沸腾强制对流沸腾(Forced convection boiling)(Forced convection boiling)： 液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此。发生的沸腾换热。工业上的沸腾换热多属于此。 例如冰箱的蒸发器、自然循环锅炉蒸发受热面传热。例如冰箱的蒸发器、自然循环

21、锅炉蒸发受热面传热。二、二、 沸腾换热的分类沸腾换热的分类292. 2. 从主体温度分：从主体温度分： a). a). 过冷沸腾过冷沸腾(Subcooled boiling)(Subcooled boiling)： 液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。沸腾换热。 b). b). 饱和沸腾饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)(Saturated or bulk boiling)： 液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。例如烧开水腾换热。例如烧开水30 4 4个区域

22、个区域( (电阻丝加热电阻丝加热) )= A A 区区 t t44 自然对流自然对流 pure convection pure convection 过热液体对流到自由液过热液体对流到自由液 面后蒸发面后蒸发 = B,C B,C核态沸腾区核态沸腾区 Nucleate boiling Nucleate boiling B B 孤立汽泡区孤立汽泡区 individual bubble individual bubble regime regime 汽泡彼此不干扰汽泡彼此不干扰, ,对液体扰动对液体扰动大大, ,换热强换热强 C C 汽块区汽块区 Continuous column Continuo

23、us column regime regime扰动更强扰动更强q q上升上升F ABCDE三、大容器饱和沸腾曲线三、大容器饱和沸腾曲线25烧毁点31= D D过度沸腾过度沸腾 Transition boiling regime Transition boiling regime 汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽 膜，汽膜的导热系数降低，膜，汽膜的导热系数降低，q q 下降。下降。= 稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾 Stable film boiling regime Stable film boiling regime 汽泡的产生和

24、脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽汽泡的产生和脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽膜膜, , 和和h h几乎是常数几乎是常数; ; 由由 t t 及及q= h t知，知， q q 。 E E区，辐射比例小，区，辐射比例小， F F区辐射所占比例越来越大区辐射所占比例越来越大= 临界热流密度临界热流密度CHFCHF（热通量）（热通量）(Critical heat flux)(Critical heat flux)： 恒热流（加热）恒热流（加热）q q=const. =const. 热流密度与换热条件无关热流密度与换热条件无关一旦热流密度超过峰值，工况将沿一旦热流密度超过峰值，工况将沿q q

25、maxmax 虚线跳至稳定膜态虚线跳至稳定膜态沸腾线，沸腾线， t t 将猛升至近将猛升至近1000 C1000 C，可能导致设备的烧毁，所，可能导致设备的烧毁，所以亦称烧毁点（以亦称烧毁点（Burnout pointBurnout point） DNB：核态沸腾上升缓慢转折点。为保证加热设备运行安全和，核态沸腾上升缓慢转折点。为保证加热设备运行安全和，电加热、反应堆恒热流、实用中设此点为安全监测点。电加热、反应堆恒热流、实用中设此点为安全监测点。32 1. 1. 汽泡稳定存在条件：汽泡稳定存在条件：设有一个容器，底面加热，上面压力设有一个容器，底面加热，上面压力p ps s 对应对应t ts

26、 s，如中间有汽泡，其内压力如中间有汽泡，其内压力p pv v，温度，温度t tv v，周围流体对应周围流体对应p pL L , t, tL L 。 稳定条件：稳定条件：热平衡热平衡 力平衡力平衡 = 热平衡热平衡 t tL L= t= tv v t tL L t t tv v 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。长大。= 力平衡力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力作用：取半个汽泡为控制体，受两个力作用：气泡内外压力差（气泡内外压力差（垂直合力垂直合力） 表面张力表面张力)(v2lppRR2四、汽泡动力学简介：四、汽泡动力学简介：33平衡时平衡时如略去液柱压力

27、，则如略去液柱压力，则pplsRppRl2)(v2lppRv2sv2ppR讨论：讨论：1).1).ttlvtptpssvvsteam) Saturated(相对应相对应Saturated SteamttttpppplRssvsvsv0,0这说明在液体发生相变时，这说明在液体发生相变时， ，实际上是一种近似的说，实际上是一种近似的说法，其实法，其实 ，即有过热的。（，即有过热的。（实际上过热度存在是气化条件实际上过热度存在是气化条件）ttlslstt342). 2). 汽泡起始于壁面：汽泡起始于壁面：Rttttppll)(vssv即即汽泡总是由小至大生长的，汽泡总是由小至大生长的，R R 越小，

28、越易形成。其实液体中越小，越易形成。其实液体中 t tl l 也有分布，在壁面处也有分布，在壁面处t tl l= = t tw w。温度最高，温度最高，R 最小最小, , 故汽泡最先故汽泡最先在壁面上形成，而壁面凹处常有残存气体，故最先能满足汽泡形在壁面上形成，而壁面凹处常有残存气体，故最先能满足汽泡形成条件，这样的地方称为汽化核心（成条件，这样的地方称为汽化核心（Nucleation siteNucleation site）。）。3). 3). t tw w 汽泡增多汽泡增多壁面附近壁面附近Rptttttttlllvvvww（过热度增加，气泡核的半径雨点小。）35363738 锅炉水冷壁锅炉

29、水冷壁 管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流，管内强制对流沸腾时，由于产生的蒸气混入液流， 出现多种不同形式的两相流结构。出现多种不同形式的两相流结构。 2. 2. 管内沸腾简介管内沸腾简介39流动类型流动类型 单相水 泡状流 块状流 环状流 单相汽换热类型换热类型 单相对流换热 过冷沸腾 核态沸腾 液膜对流沸腾 湿蒸汽换热 过热蒸汽换热蒸干：液膜消失蒸干：液膜消失传热恶化（危机）：传热恶化（危机）：, ,壁温壁温提高，对材质要求提高。锅炉单提高，对材质要求提高。锅炉单独设置过热区。独设置过热区。401. 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：影响核态沸腾

30、的因素主要是： 壁面过热度壁面过热度 汽化核心数（复杂）汽化核心数（复杂）1 1）对于水，米海耶夫推荐的在）对于水，米海耶夫推荐的在 10105 5-4-410106 6 Pa Pa压力下大容压力下大容器饱和沸腾的计算式为：器饱和沸腾的计算式为：5 . 033. 21224. 0pth由由 q q= =h h t t，消去，消去 t t15. 07 . 05335. 0pqh 式中：式中：p p 沸腾绝对压力沸腾绝对压力 t=tt=tw w - t- ts s 壁面过热度壁面过热度 q q 热流密度热流密度 6-5 6-5 沸腾换热计算式沸腾换热计算式412 2）基于核态沸腾换热主要是汽泡高度

31、扰动的强制对流换热的设基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想，推荐以下适用性广的实验关联式：想，推荐以下适用性广的实验关联式：33. 0vslpl)(llwlgrqCrPrtc42该式还可以改写成以下便于计算的形式该式还可以改写成以下便于计算的形式3slpl2/1v)(rPrCtcgrqwlll 该式实际也是该式实际也是Nu=fNu=f ( (Re, PrRe, Pr ) ) 或或 St= fSt= f ( (Re, PrRe, Pr ) ) 的形式的形式. . 当由当由 t 求求 q 时误差可达时误差可达 100%；而由；而由q 求求 t 时，误差为时，误差为 33%.v (

32、) lplqRStcterg将：，代入原式得3vvv()3 ()2)()lllrgrrgg ，特征尺寸，由 壁面半球气泡 受力平衡：2，得： =3qr：特征质量流速；ReppppcNuhlStPrluhFtmucFtmctct 3sl1()wlReCPrSt式中：433 3）制冷介质，库珀制冷介质，库珀(Cooper)(Cooper)公式目前用得较多公式目前用得较多55. 05 . 067. 0)lg(rmrrppMCqh)Km/(W900.660.33C mplg21. 012. 0Rm式中：式中：Mr 为液体的分子量；为液体的分子量；pr对比压力（液体的压力与其临对比压力（液体的压力与其临

33、界压力之比；界压力之比；Rp为表面粗糙度。为表面粗糙度。临界温度：气体液化的最高临界温度：气体液化的最高温度；临界压力：临界温度对应的饱和压力。温度；临界压力：临界温度对应的饱和压力。44例题例题 6-2 6-2 图图6-11 6-11 为为1 1大气压下饱和水的沸腾曲线，试求此加大气压下饱和水的沸腾曲线，试求此加热系统的热系统的C Cwlwl值。值。 解：按式解：按式(617)(617)确定确定C Cwlwl 已知：已知：s s=1, =1, 饱和温度饱和温度 ，而饱和水的物，而饱和水的物性从附录查得为：性从附录查得为：C100st,kg598. 0,s)(mkg000283. 0,mN05

34、89. 0,kg4 .958,75. 1,K)(kgkJ22. 4mm3v3lpPrckgkJ2257r45于是：于是：)(W101 . 30589. 08 .9578 . 9)102257(000283. 04220Km75. 132732333w3Cltq从图从图 6-116-11读得：读得： 时。于是：时。于是：C10,W104m25tq00092. 010410101 . 331537wClC Cwlwl 实际为几个实际为几个Cwl平均值。平均值。0.33plslv()wlllctqCrPrrg46例题例题 6-3 6-3 在在1.0131.01310105 5PaPa的绝对压力下，水

35、在的绝对压力下，水在t tw w=113.9=113.9的的铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。解：解： 壁面过热度壁面过热度t=t=113.9-100 113.9-100 ，从图，从图6-66-6知处于核态沸知处于核态沸腾区，因而可按式腾区，因而可按式(618)(618)求取求取 q q 。013. 0wCl从附录查得，从附录查得， 时水和水蒸气的物性为：时水和水蒸气的物性为：C100stmm3v3kg594. 0kgkJ2257kg4 .958K)(kgkJ220. 4rlplc从表从表6-16-1查得：对于水查得：对

36、于水- -铂组合：铂组合：47s)(mkg102825. 075. 1mN109 .5833llPr代入式代入式(618)(618)得：得：m2533213W1079. 3)75. 1102257013. 09 .134220(0589. 0)594. 04 .958(8 . 91022570002825. 0q单位加热面的汽化率为：单位加热面的汽化率为：s)(kg168. 01022571079. 3m235rq31/2plvsl()llwlctgqrC rPr48 应用汽膜的泰勒不稳定性原理导得大容器沸腾的临界热流密应用汽膜的泰勒不稳定性原理导得大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式：度的半

37、经验公式： 例题例题 6-56-5：计算水在：计算水在1.0131.01310105 5PaPa压力下沸腾时的临界热压力下沸腾时的临界热流密度，并与图流密度，并与图6-116-11比较。比较。解：解： 水及水蒸气的物性同例题水及水蒸气的物性同例题 6-36-3。得：。得：m2441213maxW106 .1090589. 0)594. 04 .958(8 . 9594. 010225713. 0q4/1vmax)(24lvgrq图图 6-116-11知知24maxW/m10117q误差误差7%7% 2. 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49 膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在

38、许多方面类似于膜状凝膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热，适宜用简化的边界层作分析。对于横结中液膜的流动和换热，适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾，有以下公式：管的膜态沸腾，有以下公式：定性湿度：定性湿度： L L 和和r r由由t ts s 决定，其余为决定，其余为0.5(0.5(t tw w + + t ts s ) ) 由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾计算的以外，还有辐射换热。辐射换热的作用会热量除了按沸腾计算的以外，还有辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚

39、度，因此不能认为此时的总换热量是按对流换热与增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换热量是按对流换热与辐射换热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用辐射换热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的合换热的1/ 4344()0.62()vlvvwsrvwswsgrTThhd ttTT3/43/43/4rchhh3. 3. 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式50 解：解： 由由 确定。从附录查得：确定。从附录查得：C4272)(,swmvvttt0243

40、. 0,K)m(W0505. 0,kg314. 0v3vmls)(mkg103、r r 按按 从附录查得：从附录查得：4 .958C100sltkgJ102257,kg33mr膜态沸腾换热表面传热系数按式膜态沸腾换热表面传热系数按式(6-21)(6-21)计算，得：计算，得：K)(W28165400127. 0100243. 00505. 0)314. 04 .958(314. 01022578 . 962. 0m241333h例题例题 6-6 6-6 水平铂线通电加热，在水平铂线通电加热，在1.0131.01310105 5Pa Pa 的水中产生稳的水中产生稳定膜态沸腾。已知定膜态沸腾。已知

41、 t tw w t ts s = 654 = 654 C C，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。1/43()0.62()vlvvvwsgrhd tt 51 1. 1. 不凝结气体不凝结气体 与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气热得到某种强化。因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使泡的胚芽，从而

42、使 q q t t 沸腾曲线向着沸腾曲线向着 t t减小的方向移动，减小的方向移动，即在相同的即在相同的 t t下产生更高的热流密度，强化了换热。但对处下产生更高的热流密度，强化了换热。但对处于稳定运行下的沸腾换热设备来说，必须不断地向工作液体注于稳定运行下的沸腾换热设备来说，必须不断地向工作液体注入不凝结气体。入不凝结气体。 6-6 6-6 影响沸腾换热的因素影响沸腾换热的因素522. 2. 过冷度过冷度 在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度的沸腾称为度的沸腾称为过冷沸腾过冷沸腾。对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始。对

43、于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。在核态沸腾点附近区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当大的比例，而自然对流时起始段，自然对流的机理还占相当大的比例，而自然对流时5144wf, () ,htqh ttt 因而过冷会使该区域的换热有所增强。因而过冷会使该区域的换热有所增强。3. 3. 重力加速度重力加速度在很大的范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有在很大的范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响。但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响影响。但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响( (自然对流

44、自然对流随加速度的增加而强化随加速度的增加而强化？ ) )。在零重力场。在零重力场 ( (或接近于零重力场或接近于零重力场) ) 的情况下，沸腾换热的规律还研究得不够。的情况下，沸腾换热的规律还研究得不够。534. 4. 液位高度液位高度 在大容器沸腾中，当传在大容器沸腾中，当传热表面上的液位足够高时，热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低位高度无关。但当液位降低到一定值时，沸腾换热的表到一定值时，沸腾换热的表面传热系数会明显地随液位面传热系数会明显地随液位的降低而升高。这一特定的的降低而升高。这一特定的液位值称为液位值称为临界液位临界

45、液位。对于。对于常压下的水，其值约为常压下的水，其值约为5mm5mm。在热管和电子器件冷却中有在热管和电子器件冷却中有重要应用。重要应用。54前已指出，沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。现已前已指出，沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。现已开发出两类增加表面凹坑的方法：开发出两类增加表面凹坑的方法：(1).(1).用烧结、钎焊、火焰喷用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔涂、电离沉积等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔结构；结构；(2).(2).采用机械加工的方法在换热管表面上造成多孔结构。采用机械加工的方法在换热管表面上造成多孔结构。5.

46、5. 沸腾表面的结构沸腾表面的结构555657585960关于烟囱抽力问题关于烟囱抽力问题61221112221 2112222121122211 222111221111220021211()()()()2211()()()()22laaaaaalaahgPwhgPwhhgPhgPhhgPPPPwwhPPhhgww ，针对烟气建立柏氏方程（ ）针对烟囱外空气建立柏氏方（ ）（ ）-（抽力计算公式的推：导：）得2211211 21 2221112211 222211 2220011110 111()()(),()211()()()()2211()()()2211(222laalsalsaalasalhPPhhgwwhhHgwwhhHgPPHgwwhPwPwhhPP ，烟囱抽力：，忽略阻力和动能增量，等10 101110,)()alaaPPhwwPPP0，抽力作用：用于克服零压面到囱底部的阻力损失截。面通道零压抽力影面：响因素：