沸騰換熱與熱管匯總

HeatTransfer

傳熱學(xué)

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主干課程之一

!§7

凝結(jié)與沸騰換熱

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主干課程之一

!Chapter7CondensationAndBoilingHeatTransfer物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)發(fā)生的換熱與冷凝是相反過程沸騰比凝結(jié)復(fù)雜得多沸騰傳熱過程簡介一、沸騰傳熱定義液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生。主要特征：實(shí)驗(yàn)表明，氣泡是在緊貼加熱表面的液層內(nèi)首先生成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡是在粗糙加熱面上過熱度最大的細(xì)小凹縫上產(chǎn)生，這些點(diǎn)稱為汽化核心。汽化核心：§7-2沸騰換熱二、沸騰傳熱分類：大容器(或池)沸騰(Poolboiling)

——加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。

液體的運(yùn)動(dòng)由自然對流和汽泡的擾動(dòng)所引起。強(qiáng)制對流沸騰(Forcedconvectionboiling)——液體在外力的作用下，以一定的流速流過壁面時(shí)所發(fā)生的沸騰換熱。汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動(dòng)，形成汽—液兩相流動(dòng)，沿途吸熱，直至全部汽化。工業(yè)上的沸騰換熱多屬于此，如：冰箱的蒸發(fā)器。按流動(dòng)動(dòng)力分：沸騰傳熱過程簡介過冷沸騰(Subcooledboiling)

——液體的主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰換熱。氣泡在脫離壁面前或脫離之后在液體中重新凝結(jié)。飽和沸騰(Saturatedorbulkboiling)——液體的主體溫度等于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰換熱。

從加熱面產(chǎn)生的氣泡在離開加熱面上升的過程中不會(huì)再重新凝結(jié)。如：燒開水按主體溫度分：沸騰傳熱過程簡介三、沸騰傳熱機(jī)理氣泡生成的必要條件：液體必須過熱，即液體的溫度高于相應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度ts；加熱壁面上應(yīng)存在有汽化核心。傳熱表面的汽化核心：

傳熱表面的汽化核心與該表面的粗糙程度、氧化情況以及材質(zhì)等諸多因素有關(guān)，是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。

一般認(rèn)為：粗糙表面上微細(xì)的凹縫或裂穴最可能成為汽化核心，在凹穴中吸附了微量的氣體或蒸汽，這里就成為孕育新生汽泡的胚胎。由于壁溫較高、周圍過熱液體溫度也略高于氣泡內(nèi)的溫度，熱量不斷傳入氣泡，使周圍液體繼續(xù)汽化，氣泡不斷長大，直至在浮力的作用下離開壁面。而后周圍液體便涌來填補(bǔ)空位，經(jīng)過加熱后又產(chǎn)生新的氣泡。沸騰換熱時(shí)，由于氣泡的生成和脫離，對近壁處的液層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，使熱阻大為降低，三、沸騰傳熱機(jī)理沸騰曲線：液體主體達(dá)到飽和溫度ts，隨壁面過熱度⊿t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。液體在一個(gè)大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過熱度⊿t的變化關(guān)系，稱為沸騰曲線。A自然對流區(qū)pureconvection

t<4℃

過熱液體對流到自由液面后蒸發(fā)

B,C核態(tài)沸騰區(qū)Nucleateboiling

B孤立汽泡區(qū)：汽泡彼此不干擾，對液體擾動(dòng)大，換熱強(qiáng)

C汽塊區(qū)：隨著的上升，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，稱為相互影響區(qū)。F

ABCDE大容器飽和沸騰曲線：三、沸騰傳熱機(jī)理隨著的增大，q增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，q增加到最大值，汽泡擾動(dòng)劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。其特點(diǎn)：換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度q達(dá)最大值。工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段。

D過渡沸騰區(qū)

Transitionboilingregime

汽泡迅速形成，許多汽泡連成一片，在壁面上形成一層汽膜，汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)低。

E,F穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)

Stablefilmboilingregime

汽泡的產(chǎn)生和脫離速度幾乎不變，在壁面上形成穩(wěn)定的汽膜。

E區(qū)：輻射比例小

F區(qū)：輻射所占比例越來越大F

ABCDE三、沸騰傳熱機(jī)理

其特點(diǎn)：（1）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；（2）輻射熱量隨著的加大而劇增，使熱流密度大大增加；（3）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較小的液膜?？偨Y(jié)大容器飽和沸騰曲線：大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個(gè)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，幾點(diǎn)說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax

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)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)C作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(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。思考題：兩滴完全相同的水滴在大氣壓下分別滴在表面溫度為120℃和400℃的鐵板上，試問滴在哪塊板上的水滴先被燒干，為什么?答：在大氣壓下發(fā)生沸騰換熱時(shí)，上述兩水滴的過熱度分別是℃和由大容器飽和沸騰曲線，前者表面發(fā)生的是核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大，從而表面熱流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的鐵板上先被燒干。四、汽化核心的分析

(1)汽泡的成長過程

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)被稱為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)為，壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。汽化核心的形成流體中形成的汽泡，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，根據(jù)力平衡條件。若忽略液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于飽和溫度下的液體壓力N/㎡。

這是氣泡能夠存在而不消失的條件。由熱平衡可知：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內(nèi)外溫度相等，則因此，汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為：，而貼壁處液體具有最大過熱度。則壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件：討論：①若表面張力>內(nèi)外壓差，汽泡不能形成。②若表面張力<內(nèi)外壓差，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。

(2)汽泡的存在條件

汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活(克拉貝龍方程)式中：—表面張力，N/m；r—汽化潛熱，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面溫度，Cts—對應(yīng)壓力下的飽和溫度，C可見，(tw

–ts),Rmin同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(qiáng)五、沸騰換熱計(jì)算式

沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即：但對于沸騰換熱的h卻有許多不同的計(jì)算公式。1.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)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：（1）針對一種液體的計(jì)算公式；（2）廣泛適用于各種液體的計(jì)算式；（1）適用于水的米海耶夫計(jì)算式

在壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式：

按

（2）適用于各種液體的計(jì)算式:

既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st=f(Re,Pr)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：上式可以改寫為：對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應(yīng)用：其中：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）；為表面平均粗糙度，（對一般工業(yè)用管材表面，為0.3~0.4）；為熱流密度。2.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計(jì)算，推薦采用如下半經(jīng)驗(yàn)公式：3.大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式（1）橫管的膜態(tài)沸騰

式中，除了r和l的值由飽和溫度ts決定外，其余物性均以平均溫度tm

＝(tw＋ts)/2為定性溫度，特征長度為管子外徑d,如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67勃洛姆來建議采用如下超越方程來計(jì)算：其中：（2）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，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。五、影響沸騰換熱的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，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1.不凝結(jié)氣體對膜狀凝結(jié)換熱的影響與膜狀冷凝不同，溶解于液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使沸騰換熱得到某種強(qiáng)化。

因?yàn)?，隨著工作液體溫度的升高，不凝結(jié)氣體會(huì)從液體中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成為汽泡的胚芽，從而使q~t沸騰曲線向著t減小的方向移動(dòng)，即在相同的t下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了換熱。2.過冷度

只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰。在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度的沸騰稱為過冷沸騰。

對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點(diǎn)附近區(qū)域外，過冷度對沸騰換熱的強(qiáng)度并無影響。在核態(tài)沸騰起始段，自然對流的機(jī)理還占相當(dāng)大的比例，而自然對流時(shí)，因而過冷會(huì)使該區(qū)域的換熱有所增強(qiáng)。3.液位高度當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨液位的降低而升高。這一特定的液位值稱為臨界液位。對于常壓下的水，其值約為5mm。圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的水4.沸騰表面的結(jié)構(gòu)沸騰表面上的微笑凹坑最容易產(chǎn)生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，換熱就會(huì)得到強(qiáng)化。近幾十年來的強(qiáng)化沸騰換熱的研究主要是增加表面凹坑。目前有兩種常用的手段：用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)手段在換熱表面上形成多孔結(jié)構(gòu)。機(jī)械加工方法。六、管內(nèi)沸騰傳熱：流動(dòng)類型單相水泡狀流塊狀流環(huán)狀流單相汽換熱類型單相對流換熱過冷沸騰液膜對流沸騰濕蒸汽換熱過熱蒸汽換熱豎直管內(nèi)強(qiáng)制對流沸騰：36水平管內(nèi)強(qiáng)制對流沸騰：37無相變：液體進(jìn)入管內(nèi)至開始產(chǎn)生汽泡。液體開始產(chǎn)生汽泡時(shí)，液體主體尚未達(dá)到飽和溫度，處于過冷狀態(tài)，稱為過冷沸騰。泡狀沸騰區(qū)：繼續(xù)加熱而至飽和溫度時(shí)。形成泡