第七章 相變傳熱7-2

1、第七章第七章 相變對流傳熱相變對流傳熱 7-4 沸騰傳熱的模式沸騰傳熱的模式液體的汽化有兩種，蒸發(fā)和沸騰液體的汽化有兩種，蒸發(fā)和沸騰沸騰的定義：沸騰的定義：液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。過程稱為沸騰。 沸騰的特點沸騰的特點 1 1 ）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；）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帶走熱量，使加熱表）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面受到強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無面受到強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。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）

2、大容器沸騰（池內(nèi)沸騰） ； 2 2 ）強(qiáng)制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）強(qiáng)制對流沸騰（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： 理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件：理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件： 1 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：特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體

3、自由面產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器氣體空間。進(jìn)入容器氣體空間。 （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。 特點特點 : : 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 個換熱個換熱規(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

4、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： （圖（圖7-147-14）物理實驗的建立！）物理實驗的建立！ 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個換熱規(guī)律不同的階段：個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰渡沸騰和和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：，如圖所示：如圖如圖 7-14 7-14 所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度。標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度。 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

5、、將整個曲線分成四個特定的換將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下：熱過程，其特性如下： 1 1 ）單相自然對流段（液面汽化段）單相自然對流段（液面汽化段） 壁面過熱度小時（圖中壁面過熱度小時（圖中 ）沸騰尚未開始）沸騰尚未開始（沒有氣泡產(chǎn)生），換熱服從單相自然對流規(guī)律。（沒有氣泡產(chǎn)生），換熱服從單相自然對流規(guī)律。4t2 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上開的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是：為起始沸點。其特點是： t開始階段開始階段

6、，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，當(dāng)增大，當(dāng) 增大到一定值增大到一定值時，時， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡擾動劇烈，汽化核心，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡態(tài)沸核態(tài)沸騰（泡態(tài)沸騰，泡狀沸騰）。騰，泡狀沸騰）。 t其特點：其特點：溫壓小，

7、換熱強(qiáng)度大，其終點的熱流密度溫壓小，換熱強(qiáng)度大，其終點的熱流密度 q q 達(dá)最大值達(dá)最大值 。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。 t 3 3 ）過渡沸騰）過渡沸騰 從峰值點進(jìn)一步提高從峰值點進(jìn)一步提高 ，熱流密度，熱流密度 q q 減?。粶p小；當(dāng)當(dāng) 增大到一定值時，熱流密度減小到增大到一定值時，熱流密度減小到 ，這一，這一階段稱為階段稱為過渡沸騰過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。過程。 tminq原因：原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速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，形成一層蒸汽度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一

8、層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使膜，而蒸汽排除過程惡化，致使 q q 下降。下降。 4 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，在加熱面上形成穩(wěn)度與躍離速度趨于平衡。此時，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)律地脫離膜層，致使使 上升時，熱流密度上升時，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：其特點：（ 1 1 ）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；

9、 （ 2 2 ）輻射熱量隨著溫差的加大而劇增，使熱流密度）輻射熱量隨著溫差的加大而劇增，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：前者熱量必）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點：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較須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。小的液膜。 幾點說明：幾點說明：（1 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。一般用核態(tài)沸騰臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點DNBDNB作為監(jiān)視接近作為監(jiān)視接近q qmaxmax的警

10、戒。這一點對的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控?zé)崃髅芏瓤煽睾蜏囟瓤煽氐膬煞N情況都非常重的兩種情況都非常重要。要。（2 2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過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) 汽泡的成長過程及生成部位汽泡的成長過程及生成部位 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心汽化核心

11、，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。(2) (2) 汽泡的產(chǎn)生的條件（必須要有一定的過熱度）汽泡的產(chǎn)生的條件（必須要有一定的過熱度） 2vsRpp2vsppR2()2vlRppR 力的平衡：由熱平衡：lvsttt()vlspp p氣泡外液體壓力（忽略液柱靜壓）：lspp氣泡內(nèi)壓力：vvpt有一定的過熱度：lsttwstt（壁面處最大 ）產(chǎn)生氣泡的半徑條件：或汽泡半徑汽泡半徑R R必須滿足下列條件才能存活必須滿足下列條件才能存活( (克勞修斯克勞修斯- -克克拉貝龍方程拉貝龍方

12、程) )(2minswvsttrTRR式中：式中： 表面張力，表面張力，N/m；r 汽化潛熱，汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，壁面溫度， C ts 對應(yīng)壓力下的飽和溫度，對應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見，可見， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加熱面上，稱為汽化同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加汽化核心數(shù)增加 換熱增強(qiáng)換熱增強(qiáng)2vsRpp7-5 大容器沸騰換熱的實驗關(guān)聯(lián)式大容器沸騰換熱的實驗關(guān)聯(lián)式 沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍

13、然適用牛頓冷卻公式仍然適用，即，即thtthqsw)(但對于沸騰換熱的但對于沸騰換熱的h h卻又許多不同的計算公式卻又許多不同的計算公式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比較復(fù)雜，力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致了關(guān)聯(lián)式的研究成果分歧較大。目前存在兩導(dǎo)致了關(guān)聯(lián)式的研究成果分歧較大。目前存在兩種計算是：種計算是：（ 1 1 ）針對一種液體的計算公式；）針對一種液體的計算公式； （

14、2 2 ）廣泛適用于各種液體的計算式；）廣泛適用于各種液體的計算式； （1 1）適用于水的米海耶夫計算式）適用于水的米海耶夫計算式 Pa6510410 在在 壓力下大容器飽和沸騰計算式：壓力下大容器飽和沸騰計算式： 5 .033.21ptCh)(122. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15.07 .02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC_Pa;p 沸騰絕對壓力，2q_W/m熱流密度，;t=t -tws，過熱度（沸騰溫差），;（2 2 ）適用于各種液體的計算式）適用于各種液體的計算式: : 既然沸騰換熱也屬于對流換熱，羅森諾既然沸騰換熱也屬于對流

15、換熱，羅森諾（RohsenowRohsenow）認(rèn)為沸騰換熱之所以強(qiáng)烈，主要是）認(rèn)為沸騰換熱之所以強(qiáng)烈，主要是由于汽泡的產(chǎn)生和脫離造成強(qiáng)烈的擾動之故。正由于汽泡的產(chǎn)生和脫離造成強(qiáng)烈的擾動之故。正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式（多種寫法）：關(guān)聯(lián)式（多種寫法）：33. 0)(PrvllwlslplgrqCrtc0.33Pr()plswllllvctqCrrg上式可以改寫為：上式可以改寫為：31 2c()PrpllvlswlltgqrC r 對于制冷介質(zhì)而言，以下的對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（庫珀（CooperCooper）公）公式式目前

16、得到廣泛的應(yīng)用：目前得到廣泛的應(yīng)用：0.670.50.550.330.66( lg)90/( )0.120.2 lgmrrrpmhCqMppCWmKmR其中：其中： 為液體的相對分子質(zhì)量；為液體的相對分子質(zhì)量； 為對比壓力（液體壓力與該液體的臨界壓力為對比壓力（液體壓力與該液體的臨界壓力之比）；之比）； 為表面平均粗糙度，（對一般工業(yè)用管材表為表面平均粗糙度，（對一般工業(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 大容器沸騰的臨界熱流密度大容器沸騰的臨界熱流密度 對于大容器沸騰的臨界熱流密度的對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如

17、下半經(jīng)驗公式：計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式：1 41 2max()24vlvqrg 所有的物性參數(shù)均按照飽和溫度查取，該式只適用于加熱面為無限大的水平壁的情況，實際上，對于加熱面特征長度大于汽泡平均直徑的3倍時，上式也可使用。3 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)沸騰與橫管的凝結(jié)傳熱相似（將與橫管的凝結(jié)傳熱相似（將7-47-4式中的系數(shù)改為式中的系數(shù)改為0.620.62，將，將 改為蒸氣的物性，并將改為蒸氣的物性，并將 用用 代替）：代替）：413)()(62. 0swvvvlvttdgrh 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由飽和溫度

18、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()vlv2l, 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算：來計算：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，壁面溫度一般較高，因此，有由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較

19、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，另一個是增大了汽膜厚度，從是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。例題例題7-3 在在1.98x105Pa絕對壓強(qiáng)下，純水在絕對壓強(qiáng)下，純水在tw=127拋光銅質(zhì)加熱拋光銅質(zhì)加熱面上進(jìn)行大空間泡態(tài)沸騰，求面上進(jìn)行大空間泡態(tài)沸騰，求q、h及臨界熱流密度及臨界熱流密度qmax。33422943.1/1.122/4250 /();2.374 10 N s/m ;5.48 10/mP

20、r1.47r2202.3kJ/kg();lvllkg mkg mJkg KNp,l；c（表9中用 表示表面張力）；查同溫度下的水蒸氣=7t由壓強(qiáng)根據(jù)附表9得，ts=120r522.82l31 2c()PrpllvlswlltgqrC r羅森諾公式：1 2()=410.43lvg3c=0.353PrplswlltC r427.57 10 W /qm421.08 10 W / ()qhmKt0.013wlC1s =17t如果3c=5.06PrplswlltC r621.09 10 W /qm426.36 10 W / ()qhmKt1 41 262max()1.45 10 W /24vlvqrgm

21、 r522.82l1 2()=410.43lvg427.57 10 W /qm421.08 10 W / ()qhmKt7-6 7-6 沸騰換熱的影響因素及其強(qiáng)化沸騰換熱的影響因素及其強(qiáng)化 （自學(xué)提交作業(yè)）（自學(xué)提交作業(yè)） 沸騰換熱是我們學(xué)過的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，沸騰換熱是我們學(xué)過的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1 1 不凝結(jié)氣體對膜狀凝結(jié)換熱的影響不凝結(jié)氣體對膜狀凝結(jié)換熱的影響 與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)與膜狀凝結(jié)換熱不同，

22、液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化2 2 過冷度過冷度 只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時，換熱時， ，因此，過冷會強(qiáng)化換熱。，因此，過冷會強(qiáng)化換熱。nfwtth)( 3 3 液位高度液位高度 當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液 位的降低位的降低而升高而升高( (臨界液位臨界液位) )。圖中介質(zhì)為一個圖中介質(zhì)為一個 大氣壓下的水大氣壓下的水 4 4 重力加速度重力加速度 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力和微重力隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力和微重力條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展，但目前還遠(yuǎn)沒條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)