各种对流换热过程的特征及其计算公式课件.ppt

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1、第十六章各种对流换热过程的特征及其计算公式本章要点：本章要点：本章要点：本章要点：1 1 1 1。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算 2 2。着重掌握。着重掌握。着重掌握。着重掌握凝结、沸腾凝结、沸腾凝结、沸腾凝结、沸腾换热的基本概念及影响因素换热的基本概念及影响因素换热的基本概念及影响因素换热的基本概念及影响因素本章难点：本章难点：本章难点：本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算受迫、自然对流换热的分析计算受迫、自然对流换热的分析计算受迫

2、、自然对流换热的分析计算凝结、沸腾凝结、沸腾凝结、沸腾凝结、沸腾换热的分析解换热的分析解换热的分析解换热的分析解本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节第一节第一节 受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热受迫对流换热 第二节第二节第二节第二节 自然对流换热自然对流换热自然对流换热自然对流换热 第三节第三节第三节第三节 蒸汽凝结换热蒸汽凝结换热蒸汽凝结换热蒸汽凝结换热 第四节第四节第四节第四节 液体沸腾换热液体沸腾换热液体沸腾换热液体沸腾换热 第一节第一节受迫对流换热受迫对流换热一、流体沿平壁流动时的对流换热一、流体沿平壁流动时的对流换热定性温度定性温度定性温度定性温度

3、定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L L L L1 1 1 1。当。当。当。当RemRemRemRem5555101010105 5 5 5(层流）、层流）、层流）、层流）、PrmPrmPrmPrm=0.5-50=0.5-50=0.5-50=0.5-50时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等2 2 2 2。当。当。当。当RemRemRemRem=510=510=510=5105-5-5-5-101010107 7 7 7(紊流）、紊流）、紊流）、紊流）、PrmPrmPrmPr

4、m=0.550=0.550=0.550=0.550时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等时，空气、水和油等 Num=(0.037RemNum=(0.037RemNum=(0.037RemNum=(0.037Rem0.80.80.80.8-850)Pr-850)Pr-850)Pr-850)Pr1/3 1/3 1/3 1/3 定性温度定性温度定性温度定性温度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L L L L管内受迫对流换热实验关联式管内受迫对流换热实验关联式管内受迫管内受迫对流流动和换热的特征对流流

5、动和换热的特征（1 1）流动有层流和湍流之分）流动有层流和湍流之分 层流：层流：过渡区：过渡区：旺盛湍流：旺盛湍流：二、流体在管道内二、流体在管道内换热换热入口段的热边界层较薄，入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高局部换热系数比充分发展段的高，且沿，且沿着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋于稳定。于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设备的换热。备的换热。（2 2）入口段的热边界层薄，局部换热系数高。）入口段的热边界层薄，局部换热系数

6、高。层流入口段长度层流入口段长度:湍流时湍流时:层流层流湍流湍流（3 3）特征速度及定性温度的确定）特征速度及定性温度的确定 特特征征速速度度：计计算算ReRe数数时时用用到到的的流流速速，一一般般多取截面平均流速。多取截面平均流速。定定性性温温度度：计计算算物物性性的的定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的的平平均均温温度度（或或进进出出口口截截面面平平均均温温度）。度）。实际工程换热设备中，层流时的换热实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列常常处于入口段的范围。可采用下列齐德齐德泰特公式：泰特公式：1 1。管内层流换热关联式。管内层流换热关联式定性温度定性

7、温度为流体平均温度为流体平均温度 （按按壁温壁温 确定），确定），管内径为特征长度管内径为特征长度，管，管子处于均匀壁温。子处于均匀壁温。实验验证范围为：实验验证范围为：3.3.管内紊流时的管内紊流时的准则方程准则方程 实用上使用最广的是实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式：迪贝斯贝尔特公式：lRt 加热流体时加热流体时 冷却流体时冷却流体时 式中式中:定性温度采用流体平均温度定性温度采用流体平均温度 ，特征长度特征长度为管内径为管内径。2.管内过渡状态时的准则方程管内过渡状态时的准则方程在在Ref=2300-10Ref=2300-104 4范围内，流动为过渡状态范围内，流动为过渡状态查看查看P

8、 P198198表表16-116-1 实验验证范围：实验验证范围：此此式式适适用用与与流流体体与与壁壁面面具具有有中中等等以以下下温温差场合差场合。v一般在关联式中引进乘数一般在关联式中引进乘数v在在有有换换热热条条件件下下，截截面面上上的的温温度度并并不不均均匀匀，导致速度分布发生畸变。导致速度分布发生畸变。来考虑不均匀物性场对换热的影响。来考虑不均匀物性场对换热的影响。三、流体横掠圆管时的换热三、流体横掠圆管时的换热1.流体横掠单管时的换热流体横掠单管时的换热 外外部部流流动动：换换热热壁壁面面上上的的流流动动边边界界层层与与热热边边界界层层能能自自由由发发展展，不不会会受受到到邻邻近近壁

9、壁面面存存在的限制。在的限制。横掠单管：横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。会发生绕流脱体。虽虽然然局局部部表表面面传传热热系系数数变变化化比比较较复复杂杂，但但从从平平均均表表面面换换热热系系数数看看，渐渐变变规规律性很明显。律性很明显。可采用以下分段幂次关联式：可采用以下分段幂次关联式：式中：式中：定性温度为定性温度为特征长度特征长度为管外径；为管外径；数的数的特征速度特征速度为来流速度为来流速度2、流体横掠圆管束时的换热、流体横掠圆管束时的换热第二节第二节自然对流换热自然

10、对流换热流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热 与流体在壁面与流体在壁面 附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成 了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。在热壁面上的空气被加热而上浮在热壁面上的空气被加热而上浮,而未被加热的较冷空气因密而未被加热的较冷空气因密 度较大而下沉。度较大而下沉。所以自然对流换热时所以自然对流换热时,壁面附近的流体不像受迫壁面附近的流体不像受迫 对流换热那样朝同一方向流动。对流换热那样朝同一方向流动

11、。一一般般情情况况下下，不不均均匀匀温温度度场场仅仅发发生生在在靠靠近近换换热热壁壁面面的的薄薄层层之之内。内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度t tW W，在离开壁面，在离开壁面 的方向上逐步降低至周围环境温度。的方向上逐步降低至周围环境温度。定义：定义：定义：定义：由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。工程应用：工程应用：工程应用：工程应用：暖汽管道的散热暖汽管道的散热暖汽管道的散热暖汽管道的散

12、热不用风扇强制冷却的电器元件的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热不用风扇强制冷却的电器元件的散热事故条件下核反应堆的散热事故条件下核反应堆的散热事故条件下核反应堆的散热事故条件下核反应堆的散热产生原因：产生原因：产生原因：产生原因：不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运动的动力。动的动力。动的动力。动的动力。在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。在贴壁

13、处，流体温度等于壁面温度内。在贴壁处，流体温度等于壁面温度t tw w，在离开壁面的方向上逐在离开壁面的方向上逐步降低，直至周围环境温步降低，直至周围环境温 度度t t，如图如图526a526a所示。薄层内的速度所示。薄层内的速度分布则有两头小中间大的特点。分布则有两头小中间大的特点。自然对流亦有层流和湍流之分。自然对流亦有层流和湍流之分。以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的流动景象示出于下图流动景象示出于下图a a。在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍层流；若壁面足

14、够高，则上部流动会转变为湍流。流。不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流 时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热壁面下端开始，随着高度的增壁面下端开始，随着高度的增 加，层流薄层加，层流薄层的厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随的厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随 高度增加而减小。高度增加而减小。流体沿竖壁自然对流的流动性质和流体沿竖壁自然对流的流动性质和局部表面传热系数的变化局部表面传热系数的变化 从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换热的准则方

15、热的准则方 程式程式。原则上自然对流换热准则方程式可写为：式中式中GrGr为格拉晓夫数为格拉晓夫数 Gr格拉晓夫数是浮升力格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。粘滞力比值的一种度量。Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为Gr数数一、无限空间自然对流换热一、无限空间自然对流换热 换热面附近流体的运动状况只取决于换热面的形状、尺寸换热面附近流体的运动状况只取决于换热面的形状、尺寸和温度和温度，而与空间围护壁面无关而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间自然对流

16、因此称为无限空间自然对流换热。换热。根据自然对流换热原则性准则方程，工程中广泛根据自然对流换热原则性准则方程，工程中广泛使用的是下列形式的关联式：使用的是下列形式的关联式：定性温度：定性温度：特征长度：竖平板、竖圆柱为高度特征长度：竖平板、竖圆柱为高度H H，横圆柱为横圆柱为外径外径d d参数参数C、n的选取查看相关表格的选取查看相关表格二、有限空间自然对流换热二、有限空间自然对流换热流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时为流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时为有限空间自然对流换热。有限空间自然对流换热。讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热讨论如图所示的竖的和水平

17、的两种封闭夹层的自然对流换热 。夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度夹层内流体的流动，主要取决于以夹层厚度 为特征长度的为特征长度的GrGr数数 般关联式具有般关联式具有 :对于竖空气夹层对于竖空气夹层:（H/的实验验证范围为的实验验证范围为1142）对于水平空气夹层，推荐以下关联式：对于水平空气夹层，推荐以下关联式：值得指出，对于竖直夹层，当值得指出，对于竖直夹层，当GrGr Pr2000 Pr2000、对水平夹层对水平夹层GrGr PrPr 17001700时，夹层中的热量传递过程为纯导热。时，夹层中的热量传递过程为纯导热。除了自然对流以外，夹层除了自然对流以外，夹层 的热量传递还有辐射

18、换热。通过夹的热量传递还有辐射换热。通过夹层的换热量应是两者之和。层的换热量应是两者之和。第三节第三节 蒸汽凝结换热蒸汽凝结换热凝结换热实例凝结换热实例锅炉中的水冷壁锅炉中的水冷壁寒冷冬天窗户上的冰花寒冷冬天窗户上的冰花许多其他的工业应用过程许多其他的工业应用过程凝结换热的凝结换热的关键点关键点凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠状凝结状凝结冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式影响膜状凝结换热的因素影响膜状凝结换热的因素会分析竖壁和横管的换热过程，

19、及会分析竖壁和横管的换热过程，及NusseltNusselt膜膜状凝结理论状凝结理论1 1、凝结换热现象、凝结换热现象蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化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潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。2 2、凝结换热的分类、凝结换热的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 (1)(1)膜状凝结膜状凝结定义：定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，能在壁面

20、上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。称膜状凝结。特点：特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，却壁面上，此时液膜成为主要的换热此时液膜成为主要的换热热阻热阻 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润壁凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成一个个面，凝结液体在壁面上形成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。小液珠的凝结形式，称珠状凝结。特点：特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即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。可传到冷却壁面上。所以，在其它

21、条件相同时，珠状凝结的表面传所以，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。热系数定大于膜状凝结的传热系数。g一、膜状凝结分析解及关联式一、膜状凝结分析解及关联式1 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 假定假定：1 1）常物性；）常物性；2 2）蒸气静止；）蒸气静止；3 3）液膜的惯性）液膜的惯性力忽略；力忽略；4 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；饱和温度；5 5）膜内温度线性分布，即热量转移只）膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；有导热；6 6）液膜的过冷度忽略；）液膜的过冷度忽略；7 7）忽略

22、蒸汽密）忽略蒸汽密度；度；8 8）液膜表面平整无波动）液膜表面平整无波动根据以上根据以上 9 9 个假设从边界层微分方程组推出努个假设从边界层微分方程组推出努塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合边界层的薄层性质。边界层的薄层性质。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，如坐标为重力方向，如图所示。图所示。在稳态情况下，凝结液膜流动的在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为微分方程组为 ：下脚标下脚标 l l 表示液相表示液相考虑假定（考虑假定（

23、3 3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略考虑假定（考虑假定（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度 只有只有u u 和和 t t 两个未知量，于是，上面得方两个未知量，于是，上面得方程组化简为：程组化简为：考虑假定（考虑假定（5 5）膜内温度线性分布，即热量膜内温度线性分布，即热量转移只有导热转移只有导热边界条件：边界条件：求解上面方程可得：求解上面方程可得：(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定性温度：定性温度：注意：注意：r r 按按 t

24、 ts s 确定确定(3)(3)修正：修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结实验表明，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换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高2020左右左右修正后：修正后：（4 4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时，其平均表面传热系数为：其平均表面传热系数为：水平管：水平管：球：球：横管与竖管的对流换热系数之比：横管与竖管的对流换热系数之比：2 2 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，并且其判断依据凝结液体流动也

25、分层流和湍流，并且其判断依据仍然时仍然时ReRe，式中：式中：u ul l 为为 x=lx=l 处液膜层的平均流速；处液膜层的平均流速；de de 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。对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。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3 3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热实验证明：实验证明：（1 1）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由层流转时，液膜由层流转变为紊流变为紊流 ；（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

26、管径较小。特征特征 :对于紊流液膜，热量的传递：（对于紊流液膜，热量的传递：（1 1）靠近壁）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（2 2）层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因层流底层以外的紊流层以紊流传递的热量为主。因此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。此，紊流液膜换热远大于层流液膜换热。计算方法：计算方法：对于对于竖壁湍流膜状换热竖壁湍流膜状换热，沿整个，沿整个壁面上的壁面上的平均表面传热系数平均表面传热系数 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

27、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利用上面思想，整理的利用上面思想，整理的实验关联式实验关联式：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二、影响膜状凝结的因素二、影响膜状凝结的因素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，受受各各种种因因素的影响。素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下 降，减小了凝结的驱动力降，减小了凝结的驱动力2 2

28、.蒸蒸气气流流速速 流流速速较较高高时时，蒸蒸气气流流对对液液膜膜表表面面产产生生模模型型的的粘粘滞滞应应力力。如如果果蒸蒸气气流流动动与与液液膜膜向向下下的的流流动动同同向向时时，使使液液膜膜拉拉薄薄，增增大大；反反之之使使 减减小小。4.4.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 ，5.5.管子排数管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。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

29、换热的公式只适用于单根横管。3.3.过热蒸气过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。6.6.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。7.7.凝结表面的几何形状凝结表面的几何形状v强强化化凝凝结结换换热热的的原原则则是是尽尽量量减减薄薄粘粘滞滞在在换换热热表表面面上的液膜的厚度。上

30、的液膜的厚度。v可可用用各各种种带带有有尖尖峰峰的的表表面面使使在在其其上上冷冷凝凝的的液液膜膜拉拉薄薄，或或者者使使已已凝凝结结的的液液体体尽尽快快从从换换热热表表面面上上排排泄泄掉。掉。第四节第四节液体沸腾换热液体沸腾换热沸腾的定义：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。的汽化过程称为沸腾。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）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，所以沸面不断受到冷流体的冲刷和强烈的

31、扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。腾换热强度远大于无相变的换热。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）强制对流沸腾（管内沸腾）强制对流沸腾（管内沸腾）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。产生沸腾的条件：产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：1 1）液体必须过热；）液体必须过热；2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 一、一、大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 （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指加热壁面沉浸在具

32、有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。特点：特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器空间。进入容器空间。（2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温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 个换热个换热规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。（3 3）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，壁指液体主体温度低于相应压力下

33、饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。沸腾。（4 4）大容器饱和沸腾曲线：）大容器饱和沸腾曲线：表表征征了了大大容容器器饱饱和和沸沸腾腾的的全全部部过过程程，共共包包括括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、过过渡沸腾渡沸腾和和稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾，如图所示：，如图所示：qmaxqmin如图如图 6-11 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。从曲线变化规律可知：随壁面过

34、热度的增大，区从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段段、将整个曲线分成四个特定的换将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：热过程，其特性如下：1 1）单相自然对流段（液面汽化段）单相自然对流段（液面汽化段）壁面过热度小时（图中壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始，）沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。换热服从单相自然对流规律。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，在加热面的一些特定点上开的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：为起始沸点。其特点是：开始阶

35、段开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为称为孤立汽泡区；孤立汽泡区；随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡数量增加，汽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。随着随着 的增大，的增大，q q 增大，当增大，当 增大到一定增大到一定值时，值时，q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾核态沸腾（泡状沸腾）。（泡状沸腾）。其特点：其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流

36、密温压小，换热强度大，其终点的热流密度度 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。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 ，热流密度，热流密度 q q 减小；减小；当当 增大到一定值时，热流密度减小到增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一，这一阶段称为阶段称为过渡沸腾过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定。该区段的特点是属于不稳定过程。过程。原因：原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使蒸汽膜，而蒸汽

37、排除过程恶化，致使 q m q m 下降。下降。4 4）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速度的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时，热流密度上升时，热流密度 q q 上升，此阶段称为上升，此阶段称为稳定膜态稳定膜态沸腾。沸腾。其特点：其特点：（1 1）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；（2 2）辐射热量随着）辐射热量随着 的加大而剧增，使热流密度

38、大的加大而剧增，使热流密度大大增加；大增加；（3 3）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必）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须穿过热阻大 的汽膜；后者热量必须穿过热阻相的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。对较小的液膜。几点说明：几点说明：（1 1）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

39、况都都非非常常重重要。要。（2 2）对对稳稳定定膜膜态态沸沸腾腾，因因为为热热量量必必须须穿穿过过的的是是热热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。二、汽化核心的分析二、汽化核心的分析(1)(1)汽泡的成长过程汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为气泡的点被称为汽化核心汽化核心，较普遍的看法认为，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽

40、化核心，如图所示。核心，如图所示。(2)(2)汽泡的存在条件汽泡的存在条件汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙克拉贝龙方程方程)式中：式中：表面张力，表面张力，N/m；r汽化潜热，汽化潜热，J/kg v蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw壁面温度，壁面温度，Cts对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度，C可见，可见，(t tw w t ts s),R Rminmin 同一加热面上，称为汽化核同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强三、沸腾换热计算三、沸腾换热计算式式沸腾换热也是对流换

41、热的一种，因此，沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛牛顿冷却公式仍然适用顿冷却公式仍然适用，即，即但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式四、大容器饱和核态沸腾四、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，所以沸腾换热的情况液比较复力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是：计算是：（1 1）针对一种液体的计算公式

42、；）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；（1 1）适用于水的米海耶夫计算式）适用于水的米海耶夫计算式在在 压力下大容器饱和沸腾计算式：压力下大容器饱和沸腾计算式：按按（2 2）适用于各种液体的计算式）适用于各种液体的计算式:既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，stst=f(=f(Re,Pr)Re,Pr)也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，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：上式可以改写为：上式可以改写为：对于制冷介质而言，以下的对于制冷介质

43、而言，以下的库珀（库珀（CooperCooper）公公式式目前得到广泛的应用：目前得到广泛的应用：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为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；之比）；为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为面，为0.30.40.30.4）；）；为热流密度。为热流密度。五、大容器沸腾的临界热流密度五、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：计算，推荐采用如下半经验公式：六、大容器膜态沸腾的关联式六、大容

44、器膜态沸腾的关联式（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，其决定外，其余物性均以平均温度余物性均以平均温度 t tm m (t tw wt ts s)/2 )/2 为定性温度，为定性温度，特征长度为管子外径特征长度为管子外径d,d,如果加热表面为球面，则上式中如果加热表面为球面，则上式中的系数的系数0.620.62改为改为0.670.67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）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，有由

45、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，它的影响有两部分，一必要考虑热辐射换热的影响，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，必须综合考虑热辐射效应。而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。七、影响沸腾换热的因素七、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，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，影响因素也只针对大容器沸腾换热。热，因此，影响因素也只针对大容

46、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气体会使沸腾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。但当液位降低到一面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

47、随液定值时，表面传热系数会明显地随液 位的降低位的降低而升高而升高(临界液位临界液位)。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 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，就现有的成果表明：到成熟的地步，就现有的成果表明：从从0.1 1000.1 100 9.8 m/s9.8 m/s2 2 的范围内，的范围内，g g对核态对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于响，

48、由于 因此，因此，g g NuNu 换热加强。换热加强。5 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主主要要是是增增加加表表面凹坑。目前有两种常用的手段：面凹坑。目前有两种常用的手段：(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 化化学手段在换热表面上形成多孔结构。学手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。第十六章

49、第十六章小结小结：1.1.受迫（平板、管内）、自然对流换热受迫（平板、管内）、自然对流换热(无限、有限空间）概念无限、有限空间）概念基本概念基本概念：2.2.凝结换热：膜状凝结、珠状凝结以及两者之间的比较凝结换热：膜状凝结、珠状凝结以及两者之间的比较 3.沸腾换热：大容器沸腾、泡状沸腾的特点沸腾换热：大容器沸腾、泡状沸腾的特点 饱和水沸腾的典型过程和典型曲线（四个区域）饱和水沸腾的典型过程和典型曲线（四个区域）4.受迫受迫、自然换热原则性准则方程、自然换热原则性准则方程:NuNu=f(Re,Prf(Re,Pr)、NuNu=f(Gr,Prf(Gr,Pr)基本原理基本原理：影响影响影响影响膜状凝结换热的因素（七点）膜状凝结换热的因素（七点）影响影响影响影响沸腾换热的因素（五点）沸腾换热的因素（五点）基本计算：基本计算：着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算了解凝结换热和沸腾换热的实验关联式的分析和求解了解凝结换热和沸腾换热的实验关联式的分析和求解