第六章凝结和沸腾换热优秀PPT.ppt

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1、a 大容器沸腾大容器沸腾(池内沸腾池内沸腾)：加热壁面沉醉在具有自由表面：加热壁面沉醉在具有自由表面的液体中所发生的沸腾；的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

2、成长过程气泡的成长过程 试验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热试验表明，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汽化核心，一般认为，壁面的凹穴面，这些产生气泡的点称为汽化核心，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必需满足下列条件必需满足下列条件(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削减，于削减，于是在同一加热面上是在同一加热面上R Rmin的凹坑数将增多，的凹坑数将增多，即汽化核

3、心数增加，产生即汽化核心数增加，产生气泡的密度增加。换热得气泡的密度增加。换热得到增加。到增加。通过对水在一个大气压下的大容器饱和沸腾换热过程的试验视察，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试验视察，可以画出如下图所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为沸腾以画出如下图所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为沸腾温差温差 ，或称为加热面的过热度；纵坐标为热流密度，或称为加热面的过热度；纵坐标为热流密度 。该图表征了大。该图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 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

4、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.核态沸腾核态沸腾假如沸腾温差假如沸腾温差 接着增加，加热面上产生的汽泡将快速增多，接着增加，加热面上产生的汽泡将快速增多，并

5、渐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。并渐渐长大，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，并具有确定的过热度，因此汽泡在穿这时的液体已达到饱和，并具有确定的过热度，因此汽泡在穿过液体时会接着被加热并长大，直至冲出液体表面而进入气相过液体时会接着被加热并长大，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猛烈地扰空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡猛烈地扰动，换热特别猛烈，热流密度动，换热特别猛烈，热流密度q 随随 t 快速增加，直至出现峰快速增加，直至出现峰值值qmax（图中（图中C点）。从点）。从B到到C这一阶段的沸腾

6、状态被称为核这一阶段的沸腾状态被称为核态沸腾（或泡态沸腾）。态沸腾（或泡态沸腾）。其汽泡的生成、长大及运动对换热其汽泡的生成、长大及运动对换热起确定作用。核态沸腾的温差小（起确定作用。核态沸腾的温差小（5t50），则热流密度，则热流密度 q不仅没不仅没有增加，反而快速降低至一微小值有增加，反而快速降低至一微小值qmin（图中（图中D点）。这是由点）。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脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断裂开成大汽泡易脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断裂开成大汽泡脱离壁面，其换热状态是不稳

7、定的。从脱离壁面，其换热状态是不稳定的。从C到到D这一阶段称为过渡这一阶段称为过渡沸腾。沸腾。e.稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾在在D点之后，随着温差点之后，随着温差 t的接着提高，加热面上起先形成一层的接着提高，加热面上起先形成一层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以导热稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以导热和对流的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，热辐射传热和对流的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，热辐射传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也随之也随之增大。从增大。从D点以后的沸腾换热状态称为膜态沸

8、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）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值qmax 称为临界热流密度，称为临界热流密度，亦称烧毁点，在现实中具有重要意义。例如，用电亦称烧毁点，在现实中具有重要意义。例如，用电加热器加热水，则一旦热流密度达到并超过峰值加热器加热水，则一旦热流密度达到并超过峰值，工况将特别快速地由，工况将特别快速地由C点沿虚线跳到膜态沸腾线点沿虚线跳到膜态沸腾线上的上的E点，壁面温度会急剧上升到点，壁面温度会急剧上升到1000以上，导以上，导致加热面因温度过高而烧毁。一般用核态沸腾转折致加热面因温度过高而烧毁。一般用核态沸腾转折点点DNB作为监视接近作

9、为监视接近qmax的警戒。这一点对热流的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种状况都特别重要。密度可控和温度可控的两种状况都特别重要。（2）对稳定膜态沸腾，由于热量传递必需穿过热阻较）对稳定膜态沸腾，由于热量传递必需穿过热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝合小得多。大的汽膜，所以换热系数比凝合小得多。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

10、状况液比较困难，导致了有关计算公式的分歧较大。热的状况液比较困难，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阅历计算公式有两个常用的关于核态沸腾换热的阅历计算公式有两个（1 1）对于水的大容器饱和核态沸腾，举荐接受米海）对于水的大容器饱和核态沸腾，举荐接受米海 耶夫公式，适用压力范围：耶夫公式，适用压力范围：1051054 4 106 Pa106 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

11、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。罗森诺通过大量试验得出了如下试验形式。罗森诺通过大量试验得出了如下试验关联式：关联式：式中，式中，r 汽化潜热；汽化潜热；Cpl 饱和液体饱和液体的比定压热容的比定压热容 g 重力加重力加速度速度 l 饱和液体的饱和液体的动力粘度动力粘度 Cwl 取决于加取决于加热表面液体热表面液体 组合状况的阅组合状况的阅历常数历常数(表表6)q 沸腾传热的沸腾传热的热流密度热流密度 s 阅历指数，水阅历指数，

12、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与试验值的偏差高达与试验值的偏差高达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。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必需谨慎处理热流密度。显。计算时必需谨慎处理热流密度。（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举荐如下阅历公式：举荐如下阅历公式：经与试验比较修正，得经与试验比较修正，得3 大容

13、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 确定外，其余物性均以平均确定外，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。假。假如加热表面为球面，则把上式中的系数改为如加热表面为球面，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，一是干脆增换热的影响。热

14、辐射的影响存在有正反两个方面，一是干脆增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而削减了换热量。加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而削减了换热量。因此，必需综合考虑热辐射效应。因此，必需综合考虑热辐射效应。勃洛姆来建议接受如下超越方程来计算：勃洛姆来建议接受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全部换热现象中最困难的、影响因素最多的换热沸腾换热是全部换热现象中最困难的、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探讨影响沸腾换热的过程。这里只针对大容器沸腾换热现象探讨影响沸腾换热的因素

15、。因素。1 不凝合气体不凝合气体与膜状凝合换热不同，液体中的不凝合气体存在会使沸腾与膜状凝合换热不同，液体中的不凝合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。但当液位降低到确定值时，当液位降低到确定值时，表面传热系数会明显地随表面传热系数会明显地随液液

16、位的降低而上升位的降低而上升(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探讨表明：从探讨表明：从0.1 1009.8 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 沸腾表面上的微笑凹坑最简洁产生汽化核心，因此，凹坑沸腾表面上的微笑凹坑最简洁产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化多，汽化核心多，换热就会得到强化

17、。近几十年来的强化沸腾换热的探讨思路主要是增加表面凹坑。目前有两种常沸腾换热的探讨思路主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：用的手段：(1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)接受机械接受机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）始终径为）始终径为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

18、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：已知条件分析：已知条件(a)稳定条件，稳定条件，(b)水暴露在标准大水暴露在标准大气压下，气压下，(c)水温匀整，水温匀整，ts=100；(d)接触面为磨接触面为磨光铜光铜查饱和水参数：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 t

19、e50,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

20、面传热系数。分析：已知条件分析：已知条件(a)稳定条件，稳定条件，(b)水暴露在标准大水暴露在标准大气压下，气压下，(c)水温匀整，水温匀整，ts=100；(d)接触面为铂接触面为铂线线定性温度：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)留

21、意：假如设表面放射率为留意：假如设表面放射率为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)思索题：思索题：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?有那些特有那些特性点性点?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

22、.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.驾驭特性点的基本驾驭特性点的基本数值范围数值范围.4.4.什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?假如是定假如是定壁温加热壁温加热 条件条件,还会有烧毁现象出现吗还会有烧毁现象出现吗?5.5.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,核态沸腾换热系核态沸腾换热系数有很数有很 大的不同大的不同?6.6.那些因素影响核态沸腾换热那些因素影响核态沸腾换热?7.7.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：6-25 6-25；6-336-33；6-366-36；6-466-46；6-476-47