第七章----沸騰換熱

1、第七章第七章 凝結(jié)與沸騰換熱凝結(jié)與沸騰換熱1 1 、重點(diǎn)內(nèi)容：、重點(diǎn)內(nèi)容： 凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn)；凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn)； 膜狀凝結(jié)換熱分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；膜狀凝結(jié)換熱分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式； 大容器飽和核狀沸騰及臨界熱流密度。大容器飽和核狀沸騰及臨界熱流密度。 2 2 、掌握內(nèi)容：、掌握內(nèi)容：掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素。掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素。 3 3 、了解內(nèi)容：、了解內(nèi)容： 了解強(qiáng)化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)了解強(qiáng)化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)。展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)。 蒸汽遇冷凝結(jié)，液體受熱沸騰屬對(duì)流蒸汽遇冷凝結(jié)，液體受熱沸騰屬對(duì)流換熱。其特點(diǎn)是：伴隨有相變的對(duì)流換熱。換熱。

2、其特點(diǎn)是：伴隨有相變的對(duì)流換熱。 工程中廣泛應(yīng)用工程中廣泛應(yīng)用的是：冷凝器及蒸發(fā)的是：冷凝器及蒸發(fā)器、再沸器、水冷壁等。器、再沸器、水冷壁等。 7-1 7-1 凝結(jié)換熱現(xiàn)象凝結(jié)換熱現(xiàn)象凝結(jié)換熱實(shí)例凝結(jié)換熱實(shí)例鍋爐中的水冷壁鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程凝結(jié)換熱的凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱

3、的因素影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會(huì)分析豎壁和橫管的換熱過程，及會(huì)分析豎壁和橫管的換熱過程，及NusseltNusselt膜膜狀凝結(jié)理論狀凝結(jié)理論gswtt 1 1 、凝結(jié)換熱現(xiàn)象、凝結(jié)換熱現(xiàn)象 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。 2 2 、凝結(jié)換熱的分類、凝結(jié)換熱的分類 根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種 (1) (1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié) 定義：定義：凝結(jié)液體能很好地

4、濕潤壁面，并凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。稱膜狀凝結(jié)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，卻壁面上， 此時(shí)液膜成為主要的換熱此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻熱阻 gswtt(2)(2)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 定義：定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿

5、過液膜的阻力即凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上?？蓚鞯嚼鋮s壁面上。所以，在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)魉?，在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。熱系數(shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。 gswtt 7-2 7-2 膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式 1 1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解 假定假定：1 1）常物性；）常物性；2 2）蒸氣靜止；）蒸氣靜止；3 3）液膜的慣性）液膜的慣性力忽略；力忽略；4 4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；飽和溫度；5 5）膜內(nèi)溫度線性分布，

6、即熱量轉(zhuǎn)移只）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；有導(dǎo)熱；6 6）液膜的過冷度忽略；）液膜的過冷度忽略； 7 7）忽略蒸汽密）忽略蒸汽密度；度；8 8）液膜表面平整無波動(dòng)）液膜表面平整無波動(dòng)gswtt根據(jù)以上根據(jù)以上 8 8 個(gè)假設(shè)從邊界層微分方程組推出努個(gè)假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組，從而保持對(duì)流換熱理論的塞爾的簡化方程組，從而保持對(duì)流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動(dòng)和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。邊界層的薄層性質(zhì)。 以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：以豎壁的膜狀凝結(jié)為例： x x 坐標(biāo)為重力方向，如坐標(biāo)為重力方向，如圖所示。圖所示。 在穩(wěn)態(tài)

7、情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為微分方程組為 ：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標(biāo)下腳標(biāo) l l 表示液相表示液相考慮假定（考慮假定（3 3）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略 2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll0)(yuvxuul將動(dòng)量方程應(yīng)用于邊界層外的蒸汽將動(dòng)量方程應(yīng)用于邊界層外的蒸汽, ,并考慮假定并考慮假定（7 7）忽略蒸汽密度，邊界層外的壓力變化更大）忽略蒸汽密度，邊界層外的壓力變化更大0gdxdpv0ytvxtu002222ytayuglll 只有只有u u 和和

8、t t 兩個(gè)未知量，于是，上面得方兩個(gè)未知量，于是，上面得方程組化簡為：程組化簡為： 考慮假定（考慮假定（5 5） 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱邊界條件：邊界條件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0時(shí)，時(shí)，1/ 4llsw2l4(tt )xgr 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溫度：定性溫度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定(2) (2) 局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個(gè)豎壁的

9、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 定性溫度：定性溫度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定(3) (3) 修正：修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高2020左右左右1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后：修正后：（4 4）當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時(shí)，）當(dāng)是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時(shí)，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為： 1/ 423llHlswgrh

10、0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 水平管：水平管：球：球：橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：4177. 0 dlhhVH2 2 膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)狀態(tài)膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)狀態(tài) 30Re 1800Re c無波動(dòng)層流無波動(dòng)層流有波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時(shí)仍然時(shí)ReRe，elduRe式中：式中： u ul l 為為 x = lx = l 處液膜層的平均流速；處液膜層的平均流速；de de 為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。

11、ecd4A / P4b/ b4lml4u4qReswmlh(tt )lrqsw4hl( tt)Rer如圖如圖由熱平衡由熱平衡所以所以橫管：用橫管：用 d d 代替代替 L L并且橫管一般都處于層流狀態(tài)并且橫管一般都處于層流狀態(tài)3 3 湍流膜狀凝結(jié)換熱湍流膜狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明： （ 1 1 ）膜層雷諾數(shù)）膜層雷諾數(shù) Re=1800 Re=1800 時(shí)，液膜由層流轉(zhuǎn)時(shí)，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髯優(yōu)槲闪?； （ 2 2 ）橫管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓捷^小。）橫管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓捷^小。 特征特征 : :對(duì)于紊流液膜，熱量的傳遞：（對(duì)于紊流液膜，熱量的傳遞：（ 1 1 ）靠近壁）靠近壁面極

12、薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（ 2 2 ）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因?qū)恿鞯讓右酝獾奈闪鲗右晕闪鱾鬟f的熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。此，紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。 計(jì)算方法：計(jì)算方法：對(duì)于對(duì)于豎壁紊流膜狀換熱豎壁紊流膜狀換熱，沿整個(gè)，沿整個(gè)壁面上的壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ccltxxhhh1ll式中：式中：h hl l為層流段的傳熱系數(shù)；為層流段的傳熱系數(shù)；h ht t為紊流段的傳熱系數(shù)；為紊流段的傳熱系數(shù)； x xc c為層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度 l l為

13、豎壁的總高度為豎壁的總高度1 / 31 / 41 / 23 / 4wssReNuGaPr58 Pr(Re253 )9200Pr利用上面思想，整理的利用上面思想，整理的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：式中： 。除。除 用壁溫用壁溫 計(jì)算外，其余物理量的定性溫度均為計(jì)算外，其余物理量的定性溫度均為N uhl /;32Gagl/wPrwtst。6-3 6-3 影響膜狀凝結(jié)的因素影響膜狀凝結(jié)的因素 工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。種因素的影響。1. 1. 不凝結(jié)氣體不凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下不凝

14、結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下 降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力t 。h2. 2. 蒸氣流速蒸氣流速 流速較高時(shí)，蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。流速較高時(shí)，蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。 如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄，如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 減小。減小。h 4. 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代替計(jì)算公式中的替計(jì)算公式中的 ， 5. 5. 管子排數(shù)管子排數(shù) 管束的幾

15、何布置、流體物性都會(huì)影響凝結(jié)換熱。管束的幾何布置、流體物性都會(huì)影響凝結(jié)換熱。 前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。rpswrr0.68c ( tt) 3. 3. 過熱蒸氣過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。 6. 6. 管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝 此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。 蒸氣流速低蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于 管子上半部。管子上半部。 流速較高流速較高時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管

16、子 四周，中心為蒸氣核。四周，中心為蒸氣核。 7. 7. 凝結(jié)表面的幾何形狀凝結(jié)表面的幾何形狀v強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。上的液膜的厚度。v可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。掉。6-4 沸騰換熱現(xiàn)象沸騰換熱現(xiàn)象沸騰的定義：沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。的汽化過程稱為沸騰。 沸騰的特點(diǎn)沸騰的特點(diǎn) 1 1 ）液體汽化吸收大量

17、的汽化潛熱；）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2 2 ）由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱表）由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，所以沸面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。 沸騰換熱分類：沸騰換熱分類： 1 1 ）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰） ； 2 2 ）強(qiáng)制對(duì)流沸騰（管內(nèi)沸騰）強(qiáng)制對(duì)流沸騰（管內(nèi)沸騰）上述每種又分為上述每種又分為過冷沸騰過冷沸騰和和飽和沸騰飽和沸騰。產(chǎn)生沸騰的條件：產(chǎn)生沸騰的條件： 理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件：理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1

18、 1）液體必須過熱；）液體必須過熱； 2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 1 1 大容器飽和沸騰曲線大容器飽和沸騰曲線 （1 1）大容器沸騰）大容器沸騰 定義：定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器空間。進(jìn)入容器空間。 （2 2）飽和沸騰）飽和沸騰 定義：定義：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度液體主體溫度達(dá)到飽和溫度 ，壁面溫度，壁面溫度 高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。

19、 特點(diǎn)特點(diǎn) : : 隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn) 4 4 個(gè)換熱個(gè)換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。規(guī)律全然不同的區(qū)域。 （3 3）過冷沸騰）過冷沸騰 指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。冷沸騰。 （4 4）大容器飽和沸騰曲線：）大容器飽和沸騰曲線： 表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4 4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰渡沸騰和和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

20、穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：，如圖所示：qmaxqmin如圖如圖 6-11 6-11 所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對(duì)數(shù)坐所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度（算術(shù)密度）。標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度（算術(shù)密度）。 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段段、將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換熱過程，其特性如下：熱過程，其特性如下： 1 1 ）單相自然對(duì)流段（液面汽化段）單相自然對(duì)流段（液面汽化段） 壁面過熱度小時(shí)（圖中壁面過熱度小時(shí)（圖中 ）沸騰尚未開始，）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律。換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律。4

21、t2 2 ）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）核態(tài)沸騰（飽和沸騰） 隨著隨著 的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點(diǎn)稱始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。其特點(diǎn)是：為起始沸點(diǎn)。其特點(diǎn)是： t開始階段開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為稱為孤立汽泡區(qū)；孤立汽泡區(qū)； 隨著隨著 的上升，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱為稱為相互影響區(qū)。相互影響區(qū)。 t隨著隨著 的增大，的增大， q q 增大，

22、當(dāng)增大，當(dāng) 增大到一定增大到一定值時(shí)，值時(shí)， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡擾動(dòng)劇烈，汽化，汽泡擾動(dòng)劇烈，汽化核心對(duì)換熱起決定作用，則稱該段為核心對(duì)換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。（泡狀沸騰）。 t其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度 q q 達(dá)最達(dá)最大值大值 。工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段。工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段。 t 3 3 ）過渡沸騰）過渡沸騰 從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高 ，熱流密度，熱流密度 q q 減小；減小；當(dāng)當(dāng) 增大到一定值時(shí)，熱流密度減小到增大到一定值時(shí)，熱流密度減小到 ，這，這一階段稱為一階段稱為過渡沸騰過渡沸

23、騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。定過程。 tminq原因：原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使 q m q m 下降。下降。 t4 4 ）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰 從從 開始，隨著開始，隨著 的上升，氣泡生長速的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時(shí)，在加熱面上形成穩(wěn)度與躍離速度趨于平衡。此時(shí)，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律

24、地脫離膜層，致使使 上升時(shí)，熱流密度上升時(shí)，熱流密度 q q 上升，此階段稱為上升，此階段稱為穩(wěn)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。定膜態(tài)沸騰。 minqtt 其特點(diǎn)：其特點(diǎn)：（ 1 1 ）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對(duì)流；）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對(duì)流； （ 2 2 ）輻射熱量隨著）輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度的加大而劇增，使熱流密度大大增加；大大增加； （ 3 3 ）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對(duì)較須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對(duì)較小的液膜。小的液膜。 t幾點(diǎn)說明：幾點(diǎn)說明：（1

25、 1）上述熱流密度的峰值）上述熱流密度的峰值q qmaxmax 有重大意義，稱為有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰臨界熱流密度，亦稱燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNBDNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近q qmaxmax的警戒。這一點(diǎn)對(duì)的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重?zé)崃髅芏瓤煽睾蜏囟瓤煽氐膬煞N情況都非常重要。要。（2 2）對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱）對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。2 2 汽化核心的分析汽化核心的分析 (1) (1) 汽泡的成長過程汽

26、泡的成長過程 實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰時(shí)汽泡只發(fā)生在實(shí)驗(yàn)表明，通常情況下，沸騰時(shí)汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面上，這些加熱面的某些點(diǎn)，而不是整個(gè)加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心汽化核心，較普遍的看法，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。好的汽化核心，如圖所示。 1. 1. 汽泡穩(wěn)定存在條件：汽泡穩(wěn)定存在條件：設(shè)有一個(gè)容器，底面加熱，上面壓力設(shè)有一個(gè)容器，底面加熱，上面壓力p ps s 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)t ts s，如中間有汽泡，其內(nèi)壓力如中間有汽泡，其內(nèi)壓力p pv v，溫度，溫度

27、t tv v，周圍流體對(duì)應(yīng)周圍流體對(duì)應(yīng)p pl l , t, tl l 。 穩(wěn)定條件：穩(wěn)定條件：熱平衡熱平衡 力平衡力平衡 = 熱平衡熱平衡 t tl l= t= tv v t tl l t t tv v 液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹液體向汽泡傳熱，汽泡中的汽要膨脹長大。長大。= 力平衡力平衡 取半個(gè)汽泡為控制體，受兩個(gè)力取半個(gè)汽泡為控制體，受兩個(gè)力汽泡動(dòng)力學(xué)簡介：汽泡動(dòng)力學(xué)簡介：要使氣泡長大，泡內(nèi)壓力需克服表面要使氣泡長大，泡內(nèi)壓力需克服表面張力對(duì)外做功，設(shè)氣泡體積膨脹了張力對(duì)外做功，設(shè)氣泡體積膨脹了dV,dV,相應(yīng)的表面積增量為相應(yīng)的表面積增量為dAdA，則做功量，則做功量dAdVpp

28、dWlv)(氣泡處于穩(wěn)定的力平衡狀態(tài)時(shí)氣泡處于穩(wěn)定的力平衡狀態(tài)時(shí) dW=0 dW=0 224,34,)(RARVdAdVpplv上式為氣泡能存在的條件。要使氣泡逐漸長大，則上式為氣泡能存在的條件。要使氣泡逐漸長大，則 Rpplv2)(7-5 沸騰換熱計(jì)算沸騰換熱計(jì)算式式 沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用牛頓冷卻公式仍然適用，即，即thtthqsw)(但對(duì)于沸騰換熱的但對(duì)于沸騰換熱的h h卻又許多不同的計(jì)算公式卻又許多不同的計(jì)算公式1 大容器飽和核態(tài)沸騰大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度

29、和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算是：計(jì)算是：（ 1 1 ）針對(duì)一種液體的計(jì)算公式；）針對(duì)一種液體的計(jì)算公式； （ 2 2 ）廣泛適用于各種液體的計(jì)算式；）廣泛適用于各種液體的計(jì)算式； （1 1）適用于水的米海耶夫計(jì)算式）適用于水的米海耶夫計(jì)算式 Pa6510410 在在 壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式：壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式： 5 . 033. 21ptCh)(12

30、2. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15.07 .02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC（2 2 ）適用于各種液體的計(jì)算式）適用于各種液體的計(jì)算式: : 既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，st = f st = f ( Re, Pr )( Re, Pr )也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：下，通過大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：33. 0)(PrvllwlslplgrqCrtc上式可以改寫為：上式可以改寫為：321Pr)(slwlplvllrCt

31、Cgrq 對(duì)于制冷介質(zhì)而言，以下的對(duì)于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（庫珀（CooperCooper）公）公式式目前得到廣泛的應(yīng)用：目前得到廣泛的應(yīng)用： mprmrrRmKmWCppMCqhlg2 . 012. 0)/(90)lg(66. 033. 055. 05 . 067. 0其中：其中： 為液體的相對(duì)分子質(zhì)量；為液體的相對(duì)分子質(zhì)量； 為對(duì)比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力為對(duì)比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）；之比）； 為表面平均粗糙度，（對(duì)一般工業(yè)用管材表為表面平均粗糙度，（對(duì)一般工業(yè)用管材表面，為面，為0.30.40.30.4）；）； 為熱流密度。為熱流密度。rMrPpRq2 2 大

32、容器沸騰的臨界熱流密度大容器沸騰的臨界熱流密度 對(duì)于大容器沸騰的臨界熱流密度的對(duì)于大容器沸騰的臨界熱流密度的計(jì)算，推薦采用如下半經(jīng)驗(yàn)公式：計(jì)算，推薦采用如下半經(jīng)驗(yàn)公式：4121max)(24vlvgrq3 大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式（1 1）橫管的膜態(tài)沸騰）橫管的膜態(tài)沸騰413)()(62. 0swvvvlvttdgrh 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由飽和溫度的值由飽和溫度 t ts s 決定外，其決定外，其余物性均以平均溫度余物性均以平均溫度 t tm m ( t( tw wt ts s ) / 2 ) / 2 為定性溫度，為定性溫度，特征長度為管子外徑特

33、征長度為管子外徑d, d, 如果加熱表面為球面，則上式中如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)的系數(shù)0.620.62改為改為0.670.67勃洛姆來建議采用如下勃洛姆來建議采用如下超越方程超越方程來計(jì)算：來計(jì)算：343434rchhhswswrTTTTh)(44其中：其中：（2）考慮熱輻射作用）考慮熱輻射作用 由于膜態(tài)換熱時(shí)，壁面溫度一般較高，因此，有由于膜態(tài)換熱時(shí)，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個(gè)是增大了汽膜厚度，從是直接增加了換熱量，另一個(gè)是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。而減