第四五六節(jié)傳熱學(xué)講稿

第四五六節(jié)傳熱學(xué)講稿演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二（優(yōu)選）第四五六節(jié)傳熱學(xué)講稿現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介氣泡成長(zhǎng)過(guò)程氣泡存在的條件現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二氣泡的成長(zhǎng)過(guò)程實(shí)驗(yàn)表明，在通常情況下，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)生汽泡的點(diǎn)稱為汽化核心。比較普遍的看法是，壁面上的凹穴和裂縫處易殘留氣體，是最好的汽化核心。在汽化核心產(chǎn)生的汽泡，由于受到周圍加熱面的加熱，汽、液交界面上的液體繼續(xù)蒸發(fā)，汽泡長(zhǎng)大。待汽泡長(zhǎng)大到一定的程度后，汽泡受到的液體浮力超過(guò)汽、固間產(chǎn)生的表面張力，汽泡便脫離加熱面，四周的液體來(lái)補(bǔ)充汽泡脫離后留下的空間。演示：?jiǎn)蝹€(gè)氣泡的生成長(zhǎng)大過(guò)程

現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二氣泡存在的條件右圖所示為在流體中存在的一個(gè)球形汽泡，它與周圍液體處于力平衡和熱平衡條件下。汽泡受力分析如圖所示。由于表面張力的作用，汽泡內(nèi)的壓力必須大于汽泡外的壓力。根據(jù)力平衡條件，汽泡內(nèi)外壓差應(yīng)被作用于汽、液界面上的表面張力所平衡，即由此可以得到汽泡在液體中存在的條件為壓力表面張力R現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二對(duì)汽泡存在條件的分析如果忽略液柱高度的影響，對(duì)于飽和沸騰有所以，汽泡存在的力學(xué)條件為汽泡在液體中存在時(shí)，其汽泡內(nèi)的最低溫度為壓力下的飽和溫度，而此時(shí)液體主體溫度也必須大于等于該溫度，即·所以，汽泡存在的溫度條件為流體必須是過(guò)熱的。·由于壁面處流體的溫度最高，所以此處最易產(chǎn)生汽泡?，F(xiàn)在是6頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二對(duì)汽泡存在條件的分析還應(yīng)該指出，平衡狀態(tài)的汽泡是很不穩(wěn)定的。汽泡半徑稍微小于上式所要求的半徑，表面張力大于壓差，則汽泡內(nèi)蒸汽凝結(jié)，汽泡瓦解。只有半徑大于上式所要求的半徑時(shí)，界面上液體不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長(zhǎng)。在一定壁面過(guò)熱度條件下，壁面上只有滿足上式條件的那些點(diǎn)，才能成為工作的汽化核心。隨著壁面過(guò)熱度的提高，壓差的值越來(lái)越高。所以汽泡的平衡半徑將遞減。因此，壁面溫度提高時(shí)，壁面上越來(lái)越小的存氣凹穴處將成為工作的汽化核心，因此汽化核心數(shù)隨壁面過(guò)熱度提高而增加。關(guān)于加熱表面上汽化核心的形成及關(guān)于汽泡在液體中長(zhǎng)大與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，無(wú)論對(duì)于掌握沸騰換熱的機(jī)理以及強(qiáng)化沸騰換熱的表面都具有十分重要的意義。現(xiàn)有的預(yù)測(cè)沸騰換熱的各種物理模型都是基于對(duì)成核理論及汽泡動(dòng)力學(xué)的某種理解而建立起來(lái)的。

現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二大氣壓力下飽和沸騰的分析演示：大氣壓力下大空間飽和沸騰過(guò)程第一個(gè)區(qū)域：自然對(duì)流區(qū)；第二個(gè)區(qū)域：核態(tài)沸騰區(qū)；第三個(gè)區(qū)域：過(guò)渡沸騰區(qū)；第四個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰區(qū)。現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二自然對(duì)流區(qū)的特點(diǎn)壁面過(guò)熱度較小時(shí)（℃），加熱面上不產(chǎn)生汽泡，只有被加熱表面加熱的液體向上升浮，該區(qū)域稱為自然對(duì)流區(qū)，此時(shí)的換熱遵從單項(xiàng)流體的對(duì)流換熱規(guī)律。

現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二核態(tài)沸騰區(qū)的特點(diǎn)

當(dāng)壁面過(guò)熱度進(jìn)一步增加時(shí)，加熱面上開始出現(xiàn)汽泡。開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡彼此互不干擾，稱獨(dú)立汽泡區(qū)；隨著壁面過(guò)熱度的進(jìn)一步提高，汽化核心數(shù)增加，汽泡互相影響，并會(huì)形成汽塊或汽柱；在這兩個(gè)區(qū)域中，汽泡的擾動(dòng)劇烈，換熱系數(shù)和熱流密度都急劇增大。由于汽化核心對(duì)換熱起著決定性的影響，這兩區(qū)的沸騰統(tǒng)稱為核態(tài)沸騰（或稱為泡狀沸騰）。核態(tài)沸騰具有溫差小、換熱強(qiáng)的特點(diǎn)，所以一般工程應(yīng)用都設(shè)計(jì)在這個(gè)范圍。核態(tài)沸騰的終點(diǎn)即為熱流密度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二孤立氣泡區(qū)的照片汽塊區(qū)的照片現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二過(guò)渡沸騰區(qū)域的特點(diǎn)從峰值點(diǎn)開始進(jìn)一步提高壁面溫度時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)換熱規(guī)律出現(xiàn)幾乎尋常的變化。此時(shí)，熱流密度不僅不隨的溫度的升高而提高，反而是越來(lái)越低。這是因?yàn)槠輩R聚覆蓋在加熱面上，壁面上生成的氣泡不能自由升騰，蒸汽排除的過(guò)程越趨惡化。這種情況一直持續(xù)到達(dá)到最低熱流密度為止。這段沸騰稱為過(guò)渡沸騰，是很不穩(wěn)定的沸騰過(guò)程?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二膜態(tài)沸騰的特點(diǎn)隨著壁面溫度的進(jìn)一步提高，壁面上已形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律的排列膜層，熱流密度隨壁面過(guò)熱度的增加而增加。此段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)。穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)在物理上與膜狀凝結(jié)有共同點(diǎn)，不過(guò)因?yàn)闊崃勘仨毚┻^(guò)的是熱阻較大的汽膜，而不是液膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)要小得多。

現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二臨界熱流密度定義：核態(tài)沸騰終點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的熱流密度稱為臨界熱流密度。用符號(hào)表示。意義：對(duì)于依靠控制熱流密度來(lái)改變工況的加熱設(shè)備（如電加熱器、對(duì)冷卻水加熱的核反應(yīng)堆等設(shè)備），臨界熱流密度是最大值，是不能超過(guò)的，否則，設(shè)備將有被燒毀的危險(xiǎn)。有時(shí)臨界點(diǎn)也被稱為“燒毀點(diǎn)”?，F(xiàn)在是14頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二管沸騰簡(jiǎn)介內(nèi)管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱時(shí)，由于產(chǎn)生的蒸汽混入液流，會(huì)出現(xiàn)多種不同形式的兩相流結(jié)構(gòu)，換熱機(jī)理也很復(fù)雜。右圖展示的是豎管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流換熱。隨著流動(dòng)過(guò)程的進(jìn)行，流動(dòng)依次出現(xiàn)單相流、泡狀流、塊狀流、環(huán)狀流和單相流。相應(yīng)的換熱會(huì)出現(xiàn)未飽和流體的對(duì)流換熱、過(guò)冷沸騰換熱、核態(tài)沸騰、液相對(duì)流沸騰、濕蒸汽換熱和過(guò)熱蒸汽換熱。對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也會(huì)出現(xiàn)如圖所示的相應(yīng)變化?，F(xiàn)在是15頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二第五節(jié)沸騰換熱的計(jì)算大容器飽和核態(tài)沸騰換熱的計(jì)算大容器沸騰的臨界熱流密度計(jì)算大容器膜態(tài)沸騰換熱的計(jì)算

現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二大容器飽和核態(tài)沸騰換熱的計(jì)算

影響核態(tài)沸騰的因素主要是壁面過(guò)熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)又受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性的支配。由于因素比較復(fù)雜，如壁面的表面狀況需視表面污染、氧化程度而有不同等情況，因此各文獻(xiàn)提出的計(jì)算式分歧較大。在此僅介紹兩種類型的計(jì)算式：(1)是針對(duì)一種液體的；(2)是廣泛適用于各種液體的。一般而言，針對(duì)性強(qiáng)的計(jì)算式精度比較高?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二米海耶夫提出的

針對(duì)一種液體（水）的計(jì)算公式現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二庫(kù)珀推薦的適用于制冷介質(zhì)的計(jì)算公式現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二大容器沸騰的臨界熱流密度計(jì)算應(yīng)用液膜的泰勒不穩(wěn)定性原理導(dǎo)出的大容器沸騰的臨界熱流密度的半經(jīng)驗(yàn)公式為

現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二大容器膜態(tài)沸騰的計(jì)算膜態(tài)沸騰中，汽膜的流動(dòng)和換熱在許多方面類似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動(dòng)和換熱，因此可用類似的努塞爾理論進(jìn)行分析，并得出與膜狀凝結(jié)換熱的分析解相類似的結(jié)果。物性參數(shù)也應(yīng)改為相應(yīng)的氣相參數(shù)。

現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二計(jì)算公式水平圓管外的膜態(tài)沸騰球外的膜態(tài)沸騰現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二膜態(tài)換熱量的計(jì)算由于汽膜熱阻較大，而壁溫在膜態(tài)沸騰時(shí)很高，壁面的凈換熱量除了按沸騰計(jì)算外，還有輻射換熱。輻射換熱的作用會(huì)增加汽膜的厚度，因此不能認(rèn)為此時(shí)的總換熱量等于對(duì)流換熱量與輻射換熱量之和。勃洛姆來(lái)建議采用以下超越方程來(lái)計(jì)算考慮對(duì)流換熱與輻射換熱相互影響在內(nèi)的復(fù)合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二第六節(jié)影響沸騰換熱的因素不凝結(jié)氣體

過(guò)冷度

液位高度重力加速度

沸騰表面的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二不凝結(jié)氣體對(duì)沸騰換熱的影響與膜狀凝結(jié)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。這是因?yàn)?，隨著液體溫度的升高，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，從而使沸騰曲線向著減小的方向移動(dòng)，即在相同的下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了換熱。但對(duì)于處于穩(wěn)定運(yùn)行下的沸騰換熱設(shè)備而言，除非不斷地向工作液體注入不凝結(jié)氣體，否則它們一經(jīng)逸出，也就起不到強(qiáng)化作用了?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二過(guò)冷度對(duì)沸騰換熱的影響如果在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應(yīng)壓力的飽和溫度，則這種沸騰稱為過(guò)冷沸騰。對(duì)于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰的起始點(diǎn)附近區(qū)域外，過(guò)冷度對(duì)沸騰換熱的強(qiáng)度并無(wú)影響。在核態(tài)沸騰起始段，自然對(duì)流的機(jī)理還占有相當(dāng)大的比例，而自然對(duì)流時(shí)由于其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與溫差有關(guān)（，此時(shí)的溫差為），因而過(guò)冷度會(huì)使該區(qū)域的換熱有所增強(qiáng)?，F(xiàn)在是26頁(yè)\一共有28頁(yè)\編輯于星期二液位高度對(duì)沸騰換熱的影響在大容器沸騰中，當(dāng)傳熱面上的液位高度足夠高時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無(wú)關(guān)。但是當(dāng)液位高度降低到一定值時(shí)，沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨著液位的降低而升高。這一特定的液位值稱為臨界液位。對(duì)于常壓下的水，其值約為5mm。低液位沸騰在熱管及電子器件冷卻中有重要的應(yīng)用。下圖給出的三條實(shí)驗(yàn)曲線，說(shuō)明了液位高度與沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關(guān)系。

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