第7章-相變對流傳熱

1、第七章相變對流傳熱第七章相變對流傳熱7.1 7.1 凝結(jié)傳熱的模式凝結(jié)傳熱的模式7.2 7.2 膜狀凝結(jié)分析解及計算關(guān)聯(lián)式膜狀凝結(jié)分析解及計算關(guān)聯(lián)式7.3 7.3 膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化7.4 7.4 沸騰傳熱模式沸騰傳熱模式7.5 7.5 大容器沸騰傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式大容器沸騰傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式7.6 7.6 沸騰傳熱的影響因素及其強化沸騰傳熱的影響因素及其強化7.7 7.7 熱管簡介熱管簡介1 1、重點內(nèi)容：、重點內(nèi)容： 凝結(jié)與沸騰換熱機理及其特點；凝結(jié)與沸騰換熱機理及其特點； 膜狀凝結(jié)換熱分析解及實驗關(guān)聯(lián)式；膜狀凝結(jié)換熱分析解及實驗關(guān)聯(lián)式； 大容器飽和核

2、態(tài)沸騰及臨界熱流密度。大容器飽和核態(tài)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：了解強化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動態(tài)。了解強化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動態(tài)。 蒸汽遇冷凝結(jié)，液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點是：蒸汽遇冷凝結(jié)，液體受熱沸騰屬對流換熱。其特點是：伴隨有相變的對流換熱。伴隨有相變的對流換熱。 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)器、再沸器、水冷的是：冷凝器及蒸發(fā)器、再沸器、水冷壁等。壁等。第五、六章我們分析了無相變的對流換熱，包括強制第五、六章我們分析了無相變的對流換熱

3、，包括強制對流換熱和自然對流換熱對流換熱和自然對流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱相變換熱，目前涉及的是，目前涉及的是凝結(jié)凝結(jié)換熱和換熱和沸騰沸騰換熱兩種。換熱兩種。相變換熱的相變換熱的特點特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程雜性，比單相對流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能借助于經(jīng)驗公式和實驗關(guān)聯(lián)式。上也只能借助于經(jīng)驗公式和實驗關(guān)聯(lián)式。7.1.1 7.1.1 珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié) 蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋蒸汽與低

4、于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換凝結(jié)換熱熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式?，F(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。 凝結(jié)換熱的凝結(jié)換熱的分類分類 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： 7.1 7.1 凝結(jié)傳熱的模式凝結(jié)傳熱的模式(1)(1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)(2)(2)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) (1) (1)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)定義：定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。 gswtt(2)

5、(2)珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié) 定義：定義：凝結(jié)液體不能很好地濕凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。稱珠狀凝結(jié)。gswtt 7.1.2 7.1.2 凝結(jié)液構(gòu)成了蒸汽與壁面間的主要熱阻凝結(jié)液構(gòu)成了蒸汽與壁面間的主要熱阻 膜狀凝結(jié)特點：膜狀凝結(jié)特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻熱阻。珠狀凝結(jié)特點：珠狀凝結(jié)特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液凝結(jié)放出的潛

6、熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。gswttgswtt在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯翟谄渌鼦l件相同時，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)。數(shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。7.1.3 7.1.3 膜狀凝結(jié)是工程設(shè)計依據(jù)膜狀凝結(jié)是工程設(shè)計依據(jù) 實驗證明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在內(nèi)，實驗證明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在內(nèi)，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)。得到膜狀凝結(jié)。 工業(yè)時間應(yīng)用上都只能實現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計工業(yè)時間應(yīng)用上都只能實現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計的觀點出發(fā)，

7、為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的的觀點出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計算式作為設(shè)計的依據(jù)。計算式作為設(shè)計的依據(jù)。 強化膜狀凝結(jié)的途徑減薄液膜的厚度強化膜狀凝結(jié)的途徑減薄液膜的厚度 1916 1916年，年，NusseltNusselt提出的簡單層流膜狀凝結(jié)換熱分析提出的簡單層流膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。自是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。自19161916年以來，年以來，各種修正或發(fā)展都是針對各種修正或發(fā)展都是針對NusseltNusselt分析的限制性假設(shè)而進分析的限制性假設(shè)而進行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先行了，并形成了各種實用的計算方

8、法。所以，我們首先得了解得了解NusseltNusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。對純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。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 7.2.1 7.2.1 努塞爾的蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解努塞爾的蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解假設(shè)假設(shè)：1 1）常物性；常物性；2 2）蒸氣靜止，蒸氣靜止，氣液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力；氣液界面上無對液膜的粘滯應(yīng)力； 3 3）液膜的慣性力忽略；液膜的慣性力忽略；4 4）氣液界氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；溫度；5 5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；

9、量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6 6）液膜的過冷度液膜的過冷度忽略；忽略； 7 7）忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；8 8）液膜液膜表面平整無波動表面平整無波動1 1、對實際問題的簡化、對實際問題的簡化圖圖7-4 努賽爾理論分析努賽爾理論分析的坐標系與邊界條件的坐標系與邊界條件2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標下腳標 l l 表示液相表示液相在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為 ：以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：以豎壁的膜狀凝結(jié)為例： x x 坐標為重力方向，如圖所示。坐標為重力方向，如圖所示。 2 2、邊界層方程組的簡化、邊界層方

10、程組的簡化2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll考慮假設(shè)（考慮假設(shè)（3 3）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略0)(yuvxuul考慮假設(shè)（考慮假設(shè)（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度/0dpdx dp/dxdp/dx為可按為可按y=y=處液膜表面蒸汽壓力梯度計算，將動量處液膜表面蒸汽壓力梯度計算，將動量方程應(yīng)用于蒸汽。由假設(shè)（方程應(yīng)用于蒸汽。由假設(shè)（2 2）蒸汽的靜止的，若以）蒸汽的靜止的，若以V V表表示蒸汽密度：示蒸汽密度： 0Vdp dxg 0ytvxtu只有只有u u 和和 t t 兩個未知量，不需補充其他方程。兩個未知量，不需補充其他方程。( (

11、可以不可以不用連續(xù)性方程用連續(xù)性方程) )考慮假設(shè)（考慮假設(shè)（5 5） 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll002222ytayuglll方程組化簡為：方程組化簡為：邊界條件：邊界條件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0時，時，求解的基本思路求解的基本思路 （1 1）先從簡化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度）先從簡化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度在內(nèi)的流速在內(nèi)的流速u u及溫度及溫度t t分布的表達式；分布的表達式； （2 2）再利用）再利用dxdx一段距離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平

12、衡關(guān)系一段距離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液膜厚度的表達式；取得液膜厚度的表達式； （3 3）最后根據(jù)對流換熱微分方程式，利用傅立葉定）最后根據(jù)對流換熱微分方程式，利用傅立葉定律求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達式律求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達式。 3.3.主要主要求解求解過程與過程與結(jié)果結(jié)果1/ 4llsw2l4(tt )xgr (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 )整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1/ 4

13、23lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt ) 若與水平軸有夾角（若與水平軸有夾角（ 0 0）的傾斜壁，式中）的傾斜壁，式中g(shù) g改為改為gsingsin。 1 1、水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：、水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： 1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 水平管：水平管：球：球：7.2.2 7.2.2 豎直管與水平管的比較及實驗驗證豎直管與水平管的比較及實驗驗證 定性溫度：定性溫度：2wsmttt注意：注意：r r 按按t ts s確定確定相變潛熱相變潛熱2

14、 2、水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較、水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較在其他條件相同時，橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：在其他條件相同時，橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：4177. 0 dlhhVH1/ 423llVlswgrh0.943l(tt ) 1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 不同：特征長度不同；系數(shù)不同不同：特征長度不同；系數(shù)不同當當l/d=50l/d=50時，橫管的平均表面時，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的的傳熱系數(shù)是豎管的的2 2倍。倍。HVHVHVhhdlhhdlhhdl,86. 2,86. 286. 23 3、分析解的實驗驗證和假設(shè)條件、分析解的實驗驗證和假

15、設(shè)條件豎壁豎壁當當Re20Re20Re20時，實驗數(shù)據(jù)越來越高于理論解，最高大于時，實驗數(shù)據(jù)越來越高于理論解，最高大于20%20%圖圖7-7 7-7 豎壁上水蒸汽膜狀凝結(jié)的理論式與實驗結(jié)果比較豎壁上水蒸汽膜狀凝結(jié)的理論式與實驗結(jié)果比較對豎壁的修正：對豎壁的修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高實驗值比上述得理論值高2020左右。左右。1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 修正后修正后：水平圓管、橫管水平圓管、橫管：實驗數(shù)據(jù)與理論解相符。：實驗數(shù)據(jù)與理論解相符。1/ 423llHlswgr

16、h0.729d(tt ) PrPr數(shù)接近數(shù)接近1 1或大于或大于1 1的流體，只要無量綱量的流體，只要無量綱量 時，時，微分方程中的慣性力項，液膜過冷度的影響均可忽略。微分方程中的慣性力項，液膜過冷度的影響均可忽略。 1pswrc (tt )其他假設(shè)修正其他假設(shè)修正膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài) 20Re 1600Rec無波動層流無波動層流有波動層流有波動層流湍流湍流凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)為膜層凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)為膜層ReRe。eleld uduRe7.2.3 7.2.3 湍流膜狀凝結(jié)換熱湍流膜狀凝結(jié)換熱膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點取當量

17、膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點取當量直徑為特征長度的雷諾數(shù)。直徑為特征長度的雷諾數(shù)。 以豎壁為例以豎壁為例u ul l為為 處液膜層的平均流速；處液膜層的平均流速；dede為該截面處液膜層的當量直徑。為該截面處液膜層的當量直徑。xllml4u4qRel對水平管，用對水平管，用 代替上式中的代替上式中的 。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)ecd4A / P4b/ b4如圖如圖swmlh(tt )lrq由熱平衡由熱平衡sw4hl(tt )Rer所以所以豎壁上層流液膜的豎壁上層流液膜的質(zhì)量流量質(zhì)量流量x xl l處寬為處寬為1m1m的截面上的截面上的凝結(jié)液的質(zhì)量流量的凝結(jié)液的質(zhì)量流量

18、d寬為寬為1m1m，面積為，面積為l1 1實驗證明：實驗證明：（1 1）膜層雷諾數(shù)）膜層雷諾數(shù) Re=1600 Re=1600 時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?； （2 2）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。 湍流特征湍流特征 : :對于湍流液膜，熱量的對于湍流液膜，熱量的傳遞：（傳遞：（1 1）靠近壁面極薄的層流）靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（2 2）層流底層以外的湍流層以湍流傳遞層流底層以外的湍流層以湍流傳遞的熱量為主。因此，湍流液膜換熱的熱量為主。因此，湍流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。遠大于

19、層流液膜換熱。 20Re 1600Rec無波動層流無波動層流有波動層流有波動層流湍流湍流1ccltxxhhhll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為湍流段的傳熱系數(shù)；為湍流段的傳熱系數(shù)； x xc c為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度 l為豎壁的總高度為豎壁的總高度計算方法計算方法對于對于豎壁湍流豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的膜狀換熱，沿整個壁面上的平均平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1/ 31/ 41/ 23/ 4wssReNuGaPr58 Pr(Re253)9200Pr可供計算整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實驗關(guān)聯(lián)式可供計算整

20、個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實驗關(guān)聯(lián)式式中：式中：。除。除用壁溫用壁溫計算外，其余物理量的定性溫度均為計算外，其余物理量的定性溫度均為Nuhl /;32Gagl /wPrwtst。伽利略數(shù)伽利略數(shù)7-3 7-3 膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強化2. 2. 管子排數(shù)管子排數(shù) 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。橫管管束凝結(jié)換熱情況比較復(fù)雜。橫管管束凝結(jié)換熱情況比較復(fù)雜。工程實際中所發(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

21、凝結(jié)氣體 不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力。下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力。 例：水蒸汽中質(zhì)量含量占例：水蒸汽中質(zhì)量含量占1 1的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低降低6060，后果是很嚴重的。，后果是很嚴重的。 3. 3. 管內(nèi)冷凝管內(nèi)冷凝 此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。 蒸氣流速低蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于時，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，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分

22、布在管子 四周，中心為蒸氣核。四周，中心為蒸氣核。 6. 6. 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際情況，要用如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的下式代替計算公式中的r r，pswrr0.68c (tt ) 4. 4. 蒸氣流速蒸氣流速 流速較高時（對于水蒸汽流速大于流速較高時（對于水蒸汽流速大于10m/s10m/s），蒸氣流對），蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動與液膜向下液膜表面產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，的流動同向時，使液膜拉薄，h h增大；反之使增大；反之使

23、h h減小。減小。5. 5. 蒸氣過熱度蒸氣過熱度 把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差。把計算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差。強化凝結(jié)換熱的原則強化凝結(jié)換熱的原則用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄拉薄使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉排泄掉。 7.3.2 7.3.2 膜狀凝結(jié)的強化原則和技術(shù)膜狀凝結(jié)的強化原則和技術(shù)盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度7.4 7.4 沸騰傳熱的模式沸騰傳熱的模式沸騰的定義：沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化沸騰指液體吸熱

24、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，使加熱表面不斷受）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。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 ）管內(nèi)沸騰（強制對流沸騰）管內(nèi)沸騰（強制對流沸騰）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。（1 1

25、）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所發(fā)生的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。沸騰稱為大容器沸騰。 特點：特點：氣泡能自由浮升穿過液體自由面進入容器空間。氣泡能自由浮升穿過液體自由面進入容器空間。 （3 3）飽和沸騰）飽和沸騰 定義：定義：液體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫液體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。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個換熱規(guī)律全然不個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。同的區(qū)域。 （4 4）過冷沸

26、騰）過冷沸騰 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，稱過冷沸騰該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。 （2 2）管內(nèi)沸騰）管內(nèi)沸騰 流體的運動需加外加的壓差才能維持。流體的運動需加外加的壓差才能維持。 在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細管，通電加熱以使其表面產(chǎn)生汽泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和其表面產(chǎn)生汽泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼表面上進行的沸騰為飽和沸騰。隨著溫度，這樣在不銹鋼表面上進行的沸騰為飽和沸騰。隨著電流密度的增大

27、，燒杯中的水與不銹鋼管表面間的熱交換電流密度的增大，燒杯中的水與不銹鋼管表面間的熱交換依次會出現(xiàn)以下依次會出現(xiàn)以下4 4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。7.4.1 7.4.1 大容器飽和沸騰三個區(qū)域大容器飽和沸騰三個區(qū)域 qmaxqmin橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術(shù)密度）。橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術(shù)密度）。核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點臨界熱流臨界熱流密度密度萊登佛羅萊登佛羅斯特點斯特點 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段從曲線變化規(guī)

28、律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段、將整個曲線分成四個特定的換熱過程。將整個曲線分成四個特定的換熱過程。1 1 ）單相自然對流段（液面汽）單相自然對流段（液面汽化段）化段） 壁面過熱度小，沸騰尚未壁面過熱度小，沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。規(guī)律。 4t 2 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，在加熱面的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。稱為起始沸點。t開始階段開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為泡互不干

29、擾，稱為孤立汽泡區(qū)；孤立汽泡區(qū)； 隨著隨著 的上升，汽化核心的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽增加，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，當增大，當 增大到一定值時，增大到一定值時，q q增加到最大增加到最大值，汽泡擾動劇烈，汽化核心值，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段對換熱起決定作用，則稱該段為為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。 t其特點：其特點：溫壓小，換熱強度大，溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度其終點的熱流密度q q達最大值。達最大

30、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。 t3 3 ）過渡沸騰）過渡沸騰 從峰值點進一步提高從峰值點進一步提高 ，熱，熱流密度流密度q q減??；當增大到一定減??；當增大到一定值時，熱流密度減小到值時，熱流密度減小到 ，這一階段稱為這一階段稱為過渡沸騰過渡沸騰。該區(qū)。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。 tminq原因：原因：汽泡的生長速度大于汽汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使熱流密度下降。化，致使熱流密度下降。 4 4

31、）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 的的上升，氣泡生長速度與躍離速度上升，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，致使有規(guī)律地脫離膜層，致使 上上升時，熱流密度升時，熱流密度 q q 上升，此階段上升，此階段稱為稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。 minqtt 其特點：其特點：a a、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；b b、輻射熱量隨著輻射熱量隨著 的加大而劇增，使熱流密度大大增加；的加大而劇增，使熱流密度大大增加

32、； c c、在、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小的液膜。膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。上述熱流密度的峰值上述熱流密度的峰值q qmaxmax 有重有重大意義，稱為臨界熱流密度，大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰亦稱燒毀點。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的的警戒。這一點對熱流密度可控警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常和溫度可控的兩種情況都非常重要。重要。7.4.2 7.4.2 臨界熱流密度及其

33、工程意義臨界熱流密度及其工程意義 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，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。所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。核態(tài)沸騰核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點轉(zhuǎn)折點臨界熱流臨界熱流密度密度萊登佛羅萊登佛羅斯特點斯特點 在實踐中，上述熱流密度的峰值有重大意義，它被稱在實踐中，上述熱流密度的峰值有重大意義，它被稱為臨界熱流密度。為臨界熱流密度。對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設(shè)備，如電加對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設(shè)備，如電加熱器、對冷卻水加熱的核反應(yīng)堆，一旦熱流密度超過峰值，熱器、對冷卻水加熱的核反應(yīng)堆，一旦熱流密度超過峰值，工況

34、將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，將猛升至近工況將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，將猛升至近10001000，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必須嚴格監(jiān)視并控制熱流密度，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必須嚴格監(jiān)視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內(nèi)。也由于超過它可能導(dǎo)致設(shè)備燒確保在安全工作范圍之內(nèi)。也由于超過它可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以亦稱燒毀點。毀，所以亦稱燒毀點。DNBDNB（Department from Nucleate BoilingDepartment from Nucleate Boiling）：核態(tài)沸騰）：核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點偏離核態(tài)沸騰規(guī)律的點，作為監(jiān)視接近的警戒，很轉(zhuǎn)折點偏離核態(tài)沸騰規(guī)律的點，作為監(jiān)視接近的

35、警戒，很可靠?？煽?。 對于蒸發(fā)冷凝器等壁面可控的設(shè)備，這種監(jiān)視也是重要的，對于蒸發(fā)冷凝器等壁面可控的設(shè)備，這種監(jiān)視也是重要的，因為一旦超過轉(zhuǎn)折點之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)沸騰，使減小。因為一旦超過轉(zhuǎn)折點之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)沸騰，使減小。 7.4.3 7.4.3 氣泡動力學(xué)簡介氣泡動力學(xué)簡介 產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，普遍認為壁面上的凹坑和產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，普遍認為壁面上的凹坑和細縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽化核心。細縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽化核心。1 1、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強度、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強度 主要是由于氣泡的形成、成長以及脫離加熱壁面所引主要是由于氣泡的

36、形成、成長以及脫離加熱壁面所引起的各種擾動所造成的。起的各種擾動所造成的。2 2、加熱表面上什么地點最容易形成汽化核心、加熱表面上什么地點最容易形成汽化核心 處于狹縫中的液體所受到的加熱影響要多；處于狹縫中的液體所受到的加熱影響要多；狹縫中的氣體易成為氣泡核心狹縫中的氣體易成為氣泡核心22lRPPR 3 3、加熱表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過熱、加熱表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過熱 流體中形成的汽泡，必須與液體處于力平衡和熱平衡。流體中形成的汽泡，必須與液體處于力平衡和熱平衡。由于汽泡表面張力的作用，使其內(nèi)壓大于外壓由于汽泡表面張力的作用，使其內(nèi)壓大于外壓 ，根據(jù)力平，根據(jù)力平衡條件：衡條件：若忽略液

37、柱靜壓力，若忽略液柱靜壓力，p pl l則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于似于 （飽和溫度下的液體壓力）（飽和溫度下的液體壓力）N/N/。slpp 2sRpplvtt汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為：。貼壁處液體汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為：。貼壁處液體具有最大過熱度。則壁面凹處最先能滿足具有最大過熱度。則壁面凹處最先能滿足汽泡生成的汽泡生成的條件：條件：lsttwstt產(chǎn)生半徑為產(chǎn)生半徑為R R的氣泡所需的氣泡所需過熱度（過熱度（克勞修斯克拉貝龍方程）克勞修斯克拉貝龍方程）2slsvTTTTrR由熱平衡可知：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界由熱平衡可知

38、：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內(nèi)外溫度相等，則。面內(nèi)外溫度相等，則。sss,VllVVpppppptt因為且 可見，可見， (t(tw w t ts s ) ) , , R Rminmin 同一加熱面上，同一加熱面上，成為汽化核心的凹穴數(shù)量增加成為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加汽化核心數(shù)增加 換換熱增強熱增強討論：若汽泡半徑討論：若汽泡半徑R 內(nèi)外壓差，則汽泡內(nèi)內(nèi)外壓差，則汽泡內(nèi)蒸汽凝結(jié)，汽泡不能形成。蒸汽凝結(jié)，汽泡不能形成。若汽泡半徑若汽泡半徑RR時，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。時，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。sppR22slsvTTTTrRspp7.5 7.

39、5 大容器沸騰傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式大容器沸騰傳熱的實驗關(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，牛頓冷卻公式仍牛頓冷卻公式仍然適用然適用，即，即thtthqsw)( 對于沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)許多不同的計算公式。對于沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)許多不同的計算公式。 影響核態(tài)沸騰的主要因素主要是影響核態(tài)沸騰的主要因素主要是壁面過熱度壁面過熱度和和汽化核汽化核心數(shù)心數(shù)，而汽化核心數(shù)受到壁面材料及其表面狀況、壓力、，而汽化核心數(shù)受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性等的支配，由于因素比較復(fù)雜，文獻中提出的沸騰傳物性等的支配，由于因素比較復(fù)雜，文獻中提出的沸騰傳熱的計算式分歧較大熱

40、的計算式分歧較大。目前存在兩種計算是：目前存在兩種計算是：（1 1）針對一種液體的計算公式；）針對一種液體的計算公式； （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7.5.1 7.5.1 大容器飽和核態(tài)沸騰的無量關(guān)聯(lián)式綱大容器飽和核態(tài)沸騰的無量關(guān)聯(lián)式綱 羅森諾認為，核態(tài)沸騰傳熱之所以強烈，主要是由于羅森諾認為，核態(tài)沸騰傳熱之所以強烈，主要是由于氣泡的產(chǎn)生與脫離造成強烈的擾動之故，基于這樣的思想，氣泡的產(chǎn)生與脫離造成強烈的擾動之故，基于這樣的思想，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：0.33Pr()plwlslllvctqCrrg0.33Pr(

41、)plswllllvctqCrrg: r s s1s1.7plwlllctCq飽和液體的定壓比熱容；：壁面過熱度；： 汽化潛熱；：常數(shù)，取決于加熱表面-液體情況；： 沸騰熱流密度；： 飽和液體的動力黏度；： 液體蒸汽界面的表面張力；、 ：飽和液體、飽和蒸汽的密度；： 經(jīng)驗指數(shù)。水 ，其他液體 系數(shù)系數(shù)C Cwlwl的取值，是一個純經(jīng)驗參數(shù)，取決于固體表的取值，是一個純經(jīng)驗參數(shù)，取決于固體表面的性質(zhì)以及沸騰液體的性質(zhì)，由實驗確定。面的性質(zhì)以及沸騰液體的性質(zhì)，由實驗確定。0.33Pr()plswllllvctqCrrg顯熱與潛顯熱與潛熱之比熱之比()lvg特征速度：單位面積蒸汽的質(zhì)量流速q r特征

42、長度：Re可見，可見， ，因此，盡管有時上述計算公式得到的，因此，盡管有時上述計算公式得到的q q與實驗值的偏差高達與實驗值的偏差高達 100100，但已知，但已知q q計算計算 , ,則可以則可以將偏差縮小到將偏差縮小到 3333。這一點在輻射換熱種更為明顯。計。這一點在輻射換熱種更為明顯。計算時必須謹慎處理熱流密度。算時必須謹慎處理熱流密度。無量綱關(guān)聯(lián)式無量綱關(guān)聯(lián)式Jaf(Re,Pr)t3tq 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 /( )

43、0.120.2lgmrrrpmhCqMppCWmKmR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（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）；為對比壓力（液體壓力與該流體的臨界壓力之比）； 為表面平均粗糙度（對一般工業(yè)用管材表面，為為表面平均粗糙度（對一般工業(yè)用管材表面，為 0.30.30.40.4）；）； q q為熱流密度。為熱流密度。rMrPpR7.5.2 7.5.2 大容器飽和沸騰臨界熱負荷計算式大容器飽和沸騰臨界熱負荷計算式對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如對于大容器沸騰的臨界熱流密度的計算，推薦采用如下半經(jīng)驗公式下半經(jīng)驗公式：1 41 2max22()(

44、)24lvlvVVvgqr 當壓力離臨界壓力較遠時，上述右端最后一項取為當壓力離臨界壓力較遠時，上述右端最后一項取為1，同時將流量分析得出的系數(shù)同時將流量分析得出的系數(shù)0.131用實驗值用實驗值0.149代替，得代替，得到以下推薦公式：到以下推薦公式：1 41 2max0.149()vlvqrg 物性均按照飽和溫度查取，無特征長度。當加熱面物性均按照飽和溫度查取，無特征長度。當加熱面的特征長度大于三倍氣泡直徑時，即可適用。的特征長度大于三倍氣泡直徑時，即可適用。7.5.3 7.5.3 大容器飽和液體膜態(tài)沸騰的傳熱計算式大容器飽和液體膜態(tài)沸騰的傳熱計算式（1 1）橫管的膜態(tài)沸騰）橫管的膜態(tài)沸騰4

45、13)()(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，其余物決定外，其余物性均以平均溫度性均以平均溫度t tm m( t( tw wt ts s )/2 )/2為定性溫度，特征長度為定性溫度，特征長度為管子外徑為管子外徑d, d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)如果加熱表面為球面，則上式中的系數(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算：來計算：343434rchhhswswrTTTTh)(44其中：其中：（2 2）考慮熱輻射作用）考慮熱輻射作用由于

46、膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換慮輻射換熱的影響，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，從而減少了換熱量。因此，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)。必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。7.6 7.6 沸騰傳熱的影響因素及其強化沸騰傳熱的影響因素及其強化沸騰換熱是我們學(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)了大容器沸騰換熱，因此，影響也最多，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。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)氣體會使沸騰換與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會使