《沸腾传热过程》PPT课件.ppt

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1、1沸腾传热过程沸腾传热过程周帼彦周帼彦 副教授副教授2011-10-182011-10-18安全工程系列讲座安全工程系列讲座传热强化新技术及其工程应用提提 纲纲沸腾传热过程简介1沸腾传热机理23影响沸腾传热的主要因素4沸腾传热系数计算5沸腾传热过程强化2物物质质由液由液态变为态变为气气态时发态时发生的生的换热换热与冷凝是相反与冷凝是相反过过程程沸沸腾腾比凝比凝结结复复杂杂得多得多沸腾传热过程简介沸腾传热：液体内部有气泡产生。液体内部有气泡产生。主要特征：实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。实验发现实验发现气泡是在气泡是在粗糙加粗糙加热

2、热面上面上过热过热度最大的度最大的细细小凹小凹缝缝上上产产生，生，这这些点称些点称为为汽化核心汽化核心。汽化核心：3沸腾传热分类：大容器大容器(或池或池)沸沸腾腾(Pool boiling)加加热热壁面沉浸在有自由表面液体中所壁面沉浸在有自由表面液体中所发发生的沸生的沸腾腾。液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。强强制制对对流沸流沸腾腾(Forced convection boiling)液体在外力的作用下，以一定的流速流液体在外力的作用下，以一定的流速流过过壁面壁面时时所所发发生的沸生的沸腾换热腾换热。汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形汽泡

3、不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽成汽液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。按流动动力分：沸腾传热过程简介4过过冷沸冷沸腾腾(Subcooled boiling)液体的主体温度低于相液体的主体温度低于相应压应压力下力下饱饱和温度和温度时时的沸的沸腾换热腾换热。气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。饱饱和沸和沸腾腾(Saturated or bulk boiling)液体的主体温度等于相液体的主体温度等于相应压应压力

4、下力下饱饱和温度和温度时时的沸的沸腾换热腾换热。从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中不会再重新凝结。不会再重新凝结。如：烧开水如：烧开水 按主体温度分：沸腾传热过程简介5沸腾传热机理 气泡生成的必要条件：液体必须过热，即液体必须过热，即液体的温度高于相液体的温度高于相应压应压强强下的下的饱饱和温度和温度ts；加热壁面上应存在有汽化核心。加热壁面上应存在有汽化核心。传热表面的汽化核心：传传热热表表面面的的汽汽化化核核心心与与该该表表面面的的粗粗糙糙程程度度、氧氧化化情情况况以及以及材质材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。等诸多因素有关，是一个

5、十分复杂的问题。一一般般认认为为：粗粗糙糙表表面面上上微微细细的的凹凹缝缝或或裂裂穴穴最最可可能能成成为为汽汽化化核核心心，在在凹凹穴穴中中吸吸附附了了微微量量的的气气体体或或蒸蒸汽汽，这这里里就成为孕育新生汽泡的胚胎。就成为孕育新生汽泡的胚胎。6 由于壁温由于壁温较较高、周高、周围过热围过热液体温度也略高于气泡内液体温度也略高于气泡内的温度，的温度，热热量不断量不断传传入气泡，使周入气泡，使周围围液体液体继续继续汽化，气汽化，气泡不断泡不断长长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围围液体便涌来填液体便涌来填补补空位，空位，经过经过加加热热后又后又产产生

6、新的气泡。生新的气泡。沸沸腾给热时腾给热时，由于气泡的生成和脱离，由于气泡的生成和脱离，对对近壁近壁处处的的液液层产层产生生强强烈的烈的扰动扰动，使，使热热阻大阻大为为降低，降低，沸腾传热机理 沸腾曲线：液体主体达到液体主体达到饱饱和温度和温度ts，随壁面随壁面过热过热度度t=tw-ts的的增加，沸增加，沸腾传热腾传热表表现现出不同的出不同的传热规传热规律。液体在一个大律。液体在一个大气气压压力下沸力下沸腾传热热腾传热热流密度流密度q与壁面与壁面过热过热度度t的的变变化关化关系，称系，称为为沸沸腾腾曲曲线线。7 A 然然对对流区流区pure convection t4 过热液体对流到自由液过热

7、液体对流到自由液 面后蒸发面后蒸发 B,C核态沸腾核态沸腾区区Nucleate boiling B 孤立汽泡区孤立汽泡区：汽泡彼此不干扰汽泡彼此不干扰，对液体扰动大对液体扰动大，换热强换热强 C 汽汽块块区：区：扰动更强扰动更强q上升上升F ABCDE大容器饱和沸腾曲线：沸腾传热机理8 D过过度沸度沸腾腾区区 Transition boiling regime 汽泡迅速形成，许多汽泡连成汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽膜，汽一片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜的导热系数低。膜的导热系数低。E,F稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾区区 Stable film boiling regime 汽

8、泡的产生和脱离速度几乎不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。变，在壁面上形成稳定的汽膜。E 区区：辐射比例小辐射比例小 F区区：辐射所占比例越来越大辐射所占比例越来越大F ABCDE沸腾传热机理9沸腾传热机理管内沸腾传热：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 液膜对流沸腾 湿蒸汽换热 过热蒸汽换热 竖直管内强制对流沸腾：10 水平管内强制对流沸腾：沸腾传热机理11沸腾传热机理 无相无相变变：液体液体进进入管内至开始入管内至开始产产生汽泡。生汽泡。液体开始液体开始产产生汽泡生汽泡时时，液体主体尚未达到，液体主体尚未达到

9、饱饱和温度，和温度，处处于于过过冷状冷状态态，称，称为为过过冷沸冷沸腾腾。泡状沸泡状沸腾腾区：区：继续继续加加热热而至而至饱饱和温度和温度时时。形成形成泡状流泡状流和和块块状流状流(汽泡汽泡汇汇合成合成块块)，随着蒸汽含量的，随着蒸汽含量的进进一步增加，大汽一步增加，大汽块进块进一步合并，在管中心形成汽芯，称一步合并，在管中心形成汽芯，称为为环环状流状流。环环状液膜受状液膜受热热蒸蒸发发，逐，逐渐变渐变薄，直至液膜消失，称薄，直至液膜消失，称为为蒸干。蒸干。单单相相传热传热区：区：对对湿蒸汽湿蒸汽继续继续加加热热，最后，最后进进入干蒸汽的入干蒸汽的单单相相传热传热区。区。管内沸腾传热：12对于

10、特定介质水，对于特定介质水，在在 1054106 Pa下米海耶夫推荐采用下米海耶夫推荐采用下式下式计计算：算：由由 q=h t，消去，消去 t，得，得沸腾传热系数计算大容器饱和核态沸腾：米海耶夫公式：基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流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。换热的设想。罗诺森公式：13 罗罗森森诺诺基于基于St=f(Re,Pr)也也应该应该适用于沸适用于沸腾换热腾换热的理的理念，通念，通过过大量大量实验实验得出了如下得出了如下实验实验关关联联式：式：式中，式中，r 汽化潜汽化潜热热；Cpl 饱饱和液体的比定和液体的比定压热压热容；容；g 重力加速度；重

11、力加速度；l 饱饱和液体的和液体的动动力粘度；力粘度；Cwl 取决于加取决于加热热表面表面液体组合液体组合 情况的经验常数情况的经验常数；q 沸沸腾传热腾传热的的热热流密度；流密度；s 经验经验指数，水指数，水s=1,否否则则s=1.7。沸腾传热系数计算14表表 取决于加取决于加热热表面表面液体组合情况的经验常数液体组合情况的经验常数Cwl 沸腾传热系数计算15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沸腾传热系数计算 可可见见，因此，尽管有，因此，尽管有时时上述上述计计算公式得到算公式得到的的q与与实验值实验值的偏差高达的偏差高达 100，但已知，但已知q计计算算

12、时时，则则可以将偏差可以将偏差缩缩小到小到 33。这这一点在一点在辐辐射射换热换热种更种更为为明明显显。计计算算时时必必须谨须谨慎慎处处理理热热流密度流密度。上式可以改写为：上式可以改写为：（*）16式中：式中：Mr 为为液体的分子量；液体的分子量；pr对对比比压压力（液体的力（液体的压压力与其力与其临临界界压压力之比；力之比；Rp为为表面粗糙度。表面粗糙度。沸腾传热系数计算 库珀（Cooper）公式：17例例1 在在1.013105Pa的的绝对压绝对压力下，水在力下，水在tw=113.9的的铂铂质质加加热热面上作大容器内沸面上作大容器内沸腾腾，试试求求单单位加位加热热面面积积的汽化的汽化率。

13、率。解：解：壁面壁面过热过热度度t=113.9-100，从，从图图6-6知知处处于核于核态态沸沸腾腾区，因而可按式区，因而可按式(618)求取求取 q。从附从附录查录查得，得，时时水和水蒸气的物性水和水蒸气的物性为为：从附表从附表查查得：得：对对于水于水-铂组铂组合：合：沸腾传热系数计算18代入式代入式(*)得：得：单单位加位加热热面的汽化率面的汽化率为为：沸腾传热系数计算19大容器膜态沸腾：大容器膜态沸腾：式中，除了式中，除了r 和和 l 的的值值由由饱饱和温度和温度 ts 决定外，其余物性均决定外，其余物性均以平均温度以平均温度 tm(twts)/2 为为定性温度，特征定性温度，特征长长度

14、度为为管管子外径子外径d,如果加如果加热热表面表面为为球面，球面，则则上式中的系数上式中的系数0.62改改为为0.67。膜膜态态沸沸腾腾中，汽膜的流中，汽膜的流动动和和换热换热在在许许多方面多方面类类似于膜似于膜状凝状凝结结中液膜的流中液膜的流动动和和换热换热，适宜用，适宜用简简化的化的边边界界层层作分析。作分析。对对于横管的膜于横管的膜态态沸沸腾腾，有以下公式：，有以下公式：沸腾传热系数计算20影响沸腾传热的主要因素 不凝结气体不凝结气体 过冷度过冷度 重力加速度重力加速度 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 液位高度液位高度21 与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不凝与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不

15、凝结结气体会使气体会使沸沸腾换热腾换热得到某种得到某种强强化。化。因因为为，随着工作液体温度的升高，不凝，随着工作液体温度的升高，不凝结结气体会从气体会从液体中液体中逸出逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化使壁面附近的微小凹坑得以活化，成，成为为汽汽泡的胚芽，从而使泡的胚芽，从而使 q t 沸沸腾腾曲曲线线向着向着 t减小的方向移减小的方向移动动，即，即在相同的在相同的 t下下产产生更高的生更高的热热流密度流密度，强强化了化了换热换热。但但对处对处于于稳稳定运行下的沸定运行下的沸腾换热设备腾换热设备来来说说，必，必须须不断地不断地向工作液体注入不凝向工作液体注入不凝结结气体。气体。影响沸腾传热的

16、主要因素 不凝气的影响：22 在大容器沸在大容器沸腾腾中中流体主要部分的温度低于相流体主要部分的温度低于相应压应压力力下的下的饱饱和温度和温度的沸的沸腾腾称称为过为过冷沸冷沸腾腾。对对于大容器沸于大容器沸腾腾，除了，除了在核在核态态沸沸腾腾起始点附近区域起始点附近区域外，外，过过冷度冷度对对沸沸腾换热腾换热的的强强度并无影响。度并无影响。在核在核态态沸沸腾腾起始段，自然起始段，自然对对流的机理流的机理还还占相当大的占相当大的比例，而自然比例，而自然对对流流时时，因而因而过过冷冷会使会使该该区域的区域的换热换热有所增有所增强强。影响沸腾传热的主要因素 过冷度的影响：23 在很大的范在很大的范围围

17、内重力加速度几乎内重力加速度几乎对对核核态态沸沸腾腾的的换换热规热规律没有影响。律没有影响。但重力加速度但重力加速度对对液体自然液体自然对对流流则则有有显显著的影响著的影响（自然（自然对对流随加速度的增加而流随加速度的增加而强强化化）。）。在零重力在零重力场场 （或接近于零重力（或接近于零重力场场）的情况下，）的情况下，沸沸腾换热腾换热的的规规律律还还研究得不研究得不够够。影响沸腾传热的主要因素 重力加速度的影响：沸沸腾腾表面上的微小凹坑最容易表面上的微小凹坑最容易产产生汽化核心。生汽化核心。沸腾表面的结构：24 在大容器沸在大容器沸腾腾中，当中，当传传热热表面上的液位足表面上的液位足够够高高

18、时时，沸沸腾换热腾换热表面表面传热传热系数与液系数与液位高度无关。位高度无关。当液位降低到一定当液位降低到一定值时值时，沸沸腾换热腾换热的表面的表面传热传热系数会系数会明明显显地地随液位的降低而升高随液位的降低而升高。这这一特定的液位一特定的液位值值称称为为临临界液位界液位。对对于常于常压压下的水，下的水，其其值约为值约为5mm。影响沸腾传热的主要因素 液位高度的影响：25强强化措施：加表面活性化措施：加表面活性剂剂（乙醇、丙（乙醇、丙酮酮等）等）温差：提高核状沸温差：提高核状沸腾阶腾阶段温差，段温差，液体的性液体的性质质：加加热热面：新的、面：新的、洁净洁净的、粗糙的加的、粗糙的加热热面，面

19、，大大 强强化措施：将表面腐化措施：将表面腐蚀蚀，烧结烧结金属粒金属粒 操作操作压压强强：沸腾传热过程强化26沸腾传热过程强化 用用烧结烧结、钎焊钎焊、火、火焰焰喷喷涂、涂、电电离沉离沉积积等等物理与化学的方法在物理与化学的方法在换热换热表面上造成一表面上造成一层层多孔多孔结结构；构；采用采用机械加工机械加工的方的方法在法在换热换热管表面上造管表面上造成多孔成多孔结结构。构。增加表面凹坑的方法：27练习题28习题习题2 水平水平铂线铂线通通电电加加热热，在，在1.013105Pa 的水中的水中产产生生稳稳定膜定膜态态沸沸腾腾。已知。已知 tw ts=654 C，导线导线直径直径为为1.27mm

20、，求，求沸沸腾换热腾换热表面表面传热传热系数。系数。习题习题1 将将110的的饱饱和蒸汽在壳和蒸汽在壳侧侧冷凝冷凝为为同温度下的水，同温度下的水，管内管内为为一定流量气体的湍流流一定流量气体的湍流流动动，其温度从，其温度从30加加热热到到50。现现因气体流量增加，而加因气体流量增加，而加热热蒸汽温度和气体蒸汽温度和气体进进口温口温度均不度均不变变，气体出口温度降到，气体出口温度降到48，试试求气体流量求气体流量为为原流原流量的倍数。量的倍数。假设管壁热阻、污垢热阻及换热器的热损失均可忽略。两假设管壁热阻、污垢热阻及换热器的热损失均可忽略。两种情况下气体物性可视为不变种情况下气体物性可视为不变。Ki，iW0.8c。