第六章 第四、五、六节传热学讲稿

.,第四节沸腾换热现象,概念：当液体与温度高于其相应压力下饱和温度的壁面接触时，液体在固体壁面会发生沸腾，这时的换热称为沸腾换热。分类：1.依据沸腾时液体温度的高低，沸腾换热可以分为：饱和沸腾和过冷沸腾；2.根据沸腾空间的大小，沸腾可分为：大容器沸腾和管内强制对流沸腾不管是那种沸腾换热，在液体内部均产生汽泡。因此要了解沸腾传热，必须先了解汽泡在沸腾过程中的行为，即了解汽泡动力学方面的知识。这有助于理解影响沸腾换热的一些因素和强化沸腾换热的措施。,.,各种沸腾换热的定义,饱和沸腾：流体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸腾。过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度，壁面温度高于饱和温度时所发生的沸腾称为过冷沸腾。大空间沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大空间沸腾换热。管内强制对流沸腾：流体在管内流动时发生的沸腾称为管内强制对流沸腾。,.,气泡动力学简介,.,气泡的成长过程,实验表明，在通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上。这些产生汽泡的点称为汽化核心。比较普遍的看法是，壁面上的凹穴和裂缝处易残留气体，是最好的汽化核心。在汽化核心产生的汽泡，由于受到周围加热面的加热，汽、液交界面上的液体继续蒸发，汽泡长大。待汽泡长大到一定的程度后，汽泡受到的液体浮力超过汽、固间产生的表面张力，汽泡便脱离加热面，四周的液体来补充汽泡脱离后留下的空间。演示：单个气泡的生成长大过程,.,气泡存在的条件,右图所示为在流体中存在的一个球形汽泡，它与周围液体处于力平衡和热平衡条件下。汽泡受力分析如图所示。由于表面张力的作用，汽泡内的压力必须大于汽泡外的压力。根据力平衡条件，汽泡内外压差应被作用于汽、液界面上的表面张力所平衡，即由此可以得到汽泡在液体中存在的条件为,.,对汽泡存在条件的分析,如果忽略液柱高度的影响，对于饱和沸腾有所以，汽泡存在的力学条件为汽泡在液体中存在时，其汽泡内的最低温度为压力下的饱和温度，而此时液体主体温度也必须大于等于该温度，即所以，汽泡存在的温度条件为流体必须是过热的。由于壁面处流体的温度最高，所以此处最易产生汽泡。,.,对汽泡存在条件的分析,还应该指出，平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍微小于上式所要求的半径，表面张力大于压差，则汽泡内蒸汽凝结，汽泡瓦解。只有半径大于上式所要求的半径时，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足上式条件的那些点，才能成为工作的汽化核心。随着壁面过热度的提高，压差的值越来越高。所以汽泡的平衡半径将递减。因此，壁面温度提高时，壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，因此汽化核心数随壁面过热度提高而增加。关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的机理以及强化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡动力学的某种理解而建立起来的。,.,大气压力下饱和沸腾的分析,演示：大气压力下大空间饱和沸腾过程第一个区域：自然对流区；第二个区域：核态沸腾区；第三个区域：过渡沸腾区；第四个区域：稳定的膜态沸腾区。,.,自然对流区的特点,壁面过热度较小时（），加热面上不产生汽泡，只有被加热表面加热的液体向上升浮，该区域称为自然对流区，此时的换热遵从单项流体的对流换热规律。,.,核态沸腾区的特点,当壁面过热度进一步增加时，加热面上开始出现汽泡。开始阶段，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称独立汽泡区；随着壁面过热度的进一步提高，汽化核心数增加，汽泡互相影响，并会形成汽块或汽柱；在这两个区域中，汽泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性的影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称为泡状沸腾）。核态沸腾具有温差小、换热强的特点，所以一般工程应用都设计在这个范围。核态沸腾的终点即为热流密度最大时对应的点。,.,.,过渡沸腾区域的特点,从峰值点开始进一步提高壁面温度时，会发现换热规律出现几乎寻常的变化。此时，热流密度不仅不随的温度的升高而提高，反而是越来越低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，壁面上生成的气泡不能自由升腾，蒸汽排除的过程越趋恶化。这种情况一直持续到达到最低热流密度为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的沸腾过程。,.,膜态沸腾的特点,随着壁面温度的进一步提高，壁面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律的排列膜层，热流密度随壁面过热度的增加而增加。此段称为稳定膜态沸腾区。稳定膜态沸腾区在物理上与膜状凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，而不是液膜，所以换热系数比凝结要小得多。,.,临界热流密度,定义：核态沸腾终点时所对应的热流密度称为临界热流密度。用符号表示。意义：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备（如电加热器、对冷却水加热的核反应堆等设备），临界热流密度是最大值，是不能超过的，否则，设备将有被烧毁的危险。有时临界点也被称为“烧毁点”。,.,管沸腾简介内,管内强制对流换热时，由于产生的蒸汽混入液流，会出现多种不同形式的两相流结构，换热机理也很复杂。右图展示的是竖管内的强制对流换热。随着流动过程的进行，流动依次出现单相流、泡状流、块状流、环状流和单相流。相应的换热会出现未饱和流体的对流换热、过冷沸腾换热、核态沸腾、液相对流沸腾、湿蒸汽换热和过热蒸汽换热。对流换热表面传热系数也会出现如图所示的相应变化。,.,第五节沸腾换热的计算,大容器饱和核态沸腾换热的计算大容器沸腾的临界热流密度计算大容器膜态沸腾换热的计算,.,大容器饱和核态沸腾换热的计算,影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力、物性的支配。由于因素比较复杂，如壁面的表面状况需视表面污染、氧化程度而有不同等情况，因此各文献提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：(1)是针对一种液体的；(2)是广泛适用于各种液体的。一般而言，针对性强的计算式精度比较高。,.,米海耶夫提出的针对一种液体（水）的计算公式,.,库珀推荐的适用于制冷介质的计算公式,.,大容器沸腾的临界热流密度计算,应用液膜的泰勒不稳定性原理导出的大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式为,.,大容器膜态沸腾的计算,膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热，因此可用类似的努塞尔理论进行分析，并得出与膜状凝结换热的分析解相类似的结果。物性参数也应改为相应的气相参数。,.,计算公式,水平圆管外的膜态沸腾球外的膜态沸腾,.,膜态换热量的计算,由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾计算外，还有辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换热量等于对流换热量与辐射换热量之和。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数,.,第六节影响沸腾换热的因素,不凝结气体过冷度液位高度重力加速度沸腾表面的结构,.,不凝结气体对沸腾换热的影响,与膜状凝结不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。这是因为，随着液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使沸腾曲线向着减小的方向移动，即在相同的下产生更高的热流密度，强化了换热。但对于处于稳定运行下的沸腾换热设备而言，除非不断地向工作液体注入不凝结气体，否则它们一经逸出，也就起不到强化作用了。,.,过冷度对沸腾换热的影响,如果在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力的饱和温度，则这种沸腾称为过冷沸腾。对于大容器沸腾，除了在核态沸腾的起始点附近区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占有相当大的比例，而自然对流时由于其表面传热系数与温差有关（，此时的温差为），因而过冷度会使该区域的换热有所增强。,.,液位高度对沸腾换热的影响,在大容器沸腾中，当传热面上的液位高度足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但是当液位高度降低到一定值时，沸腾换热的表面传热系数会明显地随着液位的降低而升高。这一特定的液位值称为临界液位。对于常压下的水，其值约为5mm。低液位沸腾在热管及电子器件冷却中有重要的应用。下图给出的三条实验曲线，说明了液位高度与沸腾换热表面传热系数的关系。,.,重力加速度对沸腾换热的影响,随着航空航天技术的发展，对超重力及微重力情况下传热规律的研究在近几十年中得到了很大的发展。关于重力场对沸腾换热的影响，现有的研究结果表明，在很大的变化范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响。但是重力加速度对液体