第七章 相变传热7-2

1、第七章第七章 相变对流传热相变对流传热 7-4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式液体的汽化有两种，蒸发和沸腾液体的汽化有两种，蒸发和沸腾沸腾的定义：沸腾的定义：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾。过程称为沸腾。 沸腾的特点沸腾的特点 1 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热；）液体汽化吸收大量的汽化潜热；2 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面受到强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无面受到强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。相变的换热。 沸腾换热分类：沸腾换热分类： 1 1 ）大容器沸腾（池内沸腾）

2、大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）强制对流沸腾（管内沸腾）上述每种又分为上述每种又分为过冷沸腾过冷沸腾和和饱和沸腾饱和沸腾。产生沸腾的条件：产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件：理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1 1）液体必须过热；）液体必须过热； 2 2）要有汽化核心）要有汽化核心 1 1 大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线 （1 1）大容器沸腾）大容器沸腾 定义：定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾。所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体

3、自由面产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器气体空间。进入容器气体空间。 （2 2）饱和沸腾）饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。 特点特点 : : 随着壁面过热度的增高，出现随着壁面过热度的增高，出现 4 4 个换热个换热规律全然不同的区域。规律全然不同的区域。 （3 3）过冷沸腾）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过

4、冷沸腾。冷沸腾。 （4 4）大容器饱和沸腾曲线：）大容器饱和沸腾曲线： （图（图7-147-14）物理实验的建立！）物理实验的建立！ 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4 4个换热规律不同的阶段：个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过自然对流、核态沸腾、过渡沸腾渡沸腾和和稳定膜态沸腾稳定膜态沸腾，如图所示：，如图所示：如图如图 7-14 7-14 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度。标）；纵坐标为热流密度。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段段

5、、将整个曲线分成四个特定的换将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：热过程，其特性如下： 1 1 ）单相自然对流段（液面汽化段）单相自然对流段（液面汽化段） 壁面过热度小时（图中壁面过热度小时（图中 ）沸腾尚未开始）沸腾尚未开始（没有气泡产生），换热服从单相自然对流规律。（没有气泡产生），换热服从单相自然对流规律。4t2 2 ）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾） 随着随着 的上升，在加热面的一些特定点上开的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。其特点是：为起始沸点。其特点是： t开始阶段开始阶段

6、，汽化核心产生的汽泡互不干扰，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为称为孤立汽泡区；孤立汽泡区； 随着随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为称为相互影响区。相互影响区。 t随着随着 的增大，的增大， q q 增大，当增大，当 增大到一定值增大到一定值时，时， q q 增加到最大值增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡态沸核态沸腾（泡态沸腾，泡状沸腾）。腾，泡状沸腾）。 t其特点：其特点：温压小，

7、换热强度大，其终点的热流密度温压小，换热强度大，其终点的热流密度 q q 达最大值达最大值 。工业设计中应用该段。工业设计中应用该段。 t 3 3 ）过渡沸腾）过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热流密度，热流密度 q q 减小；减小；当当 增大到一定值时，热流密度减小到增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一，这一阶段称为阶段称为过渡沸腾过渡沸腾。该区段的特点是属于不稳定。该区段的特点是属于不稳定过程。过程。 tminq原因：原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一

8、层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q q 下降。下降。 4 4 ）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的上升，气泡生长速的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳度与跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使使 上升时，热流密度上升时，热流密度 q q 上升，此阶段称为上升，此阶段称为稳稳定膜态沸腾。定膜态沸腾。 minqtt 其特点：其特点：（ 1 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；

9、 （ 2 2 ）辐射热量随着温差的加大而剧增，使热流密度）辐射热量随着温差的加大而剧增，使热流密度大大增加；大大增加； （ 3 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。小的液膜。 几点说明：几点说明：（1 1）上述热流密度的峰值）上述热流密度的峰值q qmaxmax 有重大意义，称为有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点转折点DNBDNB作为监视接近作为监视接近q qmaxmax的警

10、戒。这一点对的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重的两种情况都非常重要。要。（2 2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。2 2 汽化核心的分析汽化核心的分析 (1) (1) 汽泡的成长过程及生成部位汽泡的成长过程及生成部位 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在实验表明，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，这些加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为产生气泡的点被称为汽化核心汽化核心

11、，较普遍的看法，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。好的汽化核心，如图所示。(2) (2) 汽泡的产生的条件（必须要有一定的过热度）汽泡的产生的条件（必须要有一定的过热度） 2vsRpp2vsppR2()2vlRppR 力的平衡：由热平衡：lvsttt()vlspp p气泡外液体压力（忽略液柱静压）：lspp气泡内压力：vvpt有一定的过热度：lsttwstt（壁面处最大 ）产生气泡的半径条件：或汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活( (克劳修斯克劳修斯- -克克拉贝龙方程拉贝龙方

12、程) )(2minswvsttrTRR式中：式中： 表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度， C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度， C可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加热面上，称为汽化同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强2vsRpp7-5 大容器沸腾换热的实验关联式大容器沸腾换热的实验关联式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍

13、然适用牛顿冷却公式仍然适用，即，即thtthqsw)(但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却又许多不同的计算公式却又许多不同的计算公式1 大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况比较复杂，力等因素的支配，所以沸腾换热的情况比较复杂，导致了关联式的研究成果分歧较大。目前存在两导致了关联式的研究成果分歧较大。目前存在两种计算是：种计算是：（ 1 1 ）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式； （

14、2 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；）广泛适用于各种液体的计算式； （1 1）适用于水的米海耶夫计算式）适用于水的米海耶夫计算式 Pa6510410 在在 压力下大容器饱和沸腾计算式：压力下大容器饱和沸腾计算式： 5 .033.21ptCh)(122. 033. 35 . 01KNmWC按按 thq15.07 .02pqCh )(533. 015. 03 . 03 . 02KNmWC_Pa;p 沸腾绝对压力，2q_W/m热流密度，;t=t -tws，过热度（沸腾温差），;（2 2 ）适用于各种液体的计算式）适用于各种液体的计算式: : 既然沸腾换热也属于对流换热，罗森诺既然沸腾换热也属于对流

15、换热，罗森诺（RohsenowRohsenow）认为沸腾换热之所以强烈，主要是）认为沸腾换热之所以强烈，主要是由于汽泡的产生和脱离造成强烈的扰动之故。正由于汽泡的产生和脱离造成强烈的扰动之故。正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式（多种写法）：关联式（多种写法）：33. 0)(PrvllwlslplgrqCrtc0.33Pr()plswllllvctqCrrg上式可以改写为：上式可以改写为：31 2c()PrpllvlswlltgqrC r 对于制冷介质而言，以下的对于制冷介质而言，以下的库珀（库珀（CooperCooper）公）公式式目前

16、得到广泛的应用：目前得到广泛的应用：0.670.50.550.330.66( lg)90/( )0.120.2 lgmrrrpmhCqMppCWmKmR其中：其中： 为液体的相对分子质量；为液体的相对分子质量； 为对比压力（液体压力与该液体的临界压力为对比压力（液体压力与该液体的临界压力之比）；之比）； 为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为面，为0.30.40.30.4）；）； 为热流密度。为热流密度。rMrPpRq2 2 大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度 对于大容器沸腾的临界热流密度的对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如

17、下半经验公式：计算，推荐采用如下半经验公式：1 41 2max()24vlvqrg 所有的物性参数均按照饱和温度查取，该式只适用于加热面为无限大的水平壁的情况，实际上，对于加热面特征长度大于汽泡平均直径的3倍时，上式也可使用。3 大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式（1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾与横管的凝结传热相似（将与横管的凝结传热相似（将7-47-4式中的系数改为式中的系数改为0.620.62，将，将 改为蒸气的物性，并将改为蒸气的物性，并将 用用 代替）：代替）：413)()(62. 0swvvvlvttdgrh 式中，除了式中，除了r r 和和 l l 的值由饱和温度

18、的值由饱和温度 t ts s 决定外，其决定外，其余物性均以平均温度余物性均以平均温度 t tm m ( t( tw wt ts s ) / 2 ) / 2 为定性温度，为定性温度，特征长度为管子外径特征长度为管子外径d, d, 如果加热表面为球面，则上式中如果加热表面为球面，则上式中的系数的系数0.620.62改为改为0.670.67()vlv2l, 勃洛姆来建议采用如下勃洛姆来建议采用如下超越方程超越方程来计算：来计算：343434rchhhswswrTTTTh)(44其中：其中：（2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用 由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有由于膜态换热时，壁面温度一般较

19、高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。例题例题7-3 在在1.98x105Pa绝对压强下，纯水在绝对压强下，纯水在tw=127抛光铜质加热抛光铜质加热面上进行大空间泡态沸腾，求面上进行大空间泡态沸腾，求q、h及临界热流密度及临界热流密度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 表示表面张力）；查同温度下的水蒸气=7t由压强根据附表9得，ts=120r522.82l31 2c()PrpllvlswlltgqrC r罗森诺公式：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 沸腾换热的影响因素及其强化沸腾换热的影响因素及其强化 （自学提交作业）（自学提交作业） 沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。1 1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响不凝结气体对膜状凝结换热的影响 与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结与膜状凝结换热不同，

22、液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化气体会使沸腾换热得到某种程度的强化2 2 过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，换热时， ，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。nfwtth)( 3 3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液定值时，表面传热系数会明显地随液 位的降低位的降低而升高而升高( (临界液位临界液位) )。图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水 4 4 重力加速度重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没条件下的传热规律得到蓬勃发