沸腾换热与热管汇总

HeatTransfer

传热学

建筑环境与设备工程专业主干课程之一

!§7

凝结与沸腾换热

建筑环境与设备工程专业主干课程之一

!Chapter7CondensationAndBoilingHeatTransfer物质由液态变为气态时发生的换热与冷凝是相反过程沸腾比凝结复杂得多沸腾传热过程简介一、沸腾传热定义液体内部有气泡产生。主要特征：实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹缝上产生，这些点称为汽化核心。汽化核心：§7-2沸腾换热二、沸腾传热分类：大容器(或池)沸腾(Poolboiling)

——加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。

液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。强制对流沸腾(Forcedconvectionboiling)——液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽—液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。按流动动力分：沸腾传热过程简介过冷沸腾(Subcooledboiling)

——液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。饱和沸腾(Saturatedorbulkboiling)——液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。

从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中不会再重新凝结。如：烧开水按主体温度分：沸腾传热过程简介三、沸腾传热机理气泡生成的必要条件：液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱和温度ts；加热壁面上应存在有汽化核心。传热表面的汽化核心：

传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度、氧化情况以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。

一般认为：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里就成为孕育新生汽泡的胚胎。由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。沸腾换热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，三、沸腾传热机理沸腾曲线：液体主体达到饱和温度ts，随壁面过热度⊿t=tw-ts的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度⊿t的变化关系，称为沸腾曲线。A自然对流区pureconvection

t<4℃

过热液体对流到自由液面后蒸发

B,C核态沸腾区Nucleateboiling

B孤立汽泡区：汽泡彼此不干扰，对液体扰动大，换热强

C汽块区：随着的上升，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，称为相互影响区。F

ABCDE大容器饱和沸腾曲线：三、沸腾传热机理随着的增大，q增大，当增大到一定值时，q增加到最大值，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸腾）。其特点：换热强度大，其终点的热流密度q达最大值。工业设计中应用该段。

D过渡沸腾区

Transitionboilingregime

汽泡迅速形成，许多汽泡连成一片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜的导热系数低。

E,F稳定膜态沸腾区

Stablefilmboilingregime

汽泡的产生和脱离速度几乎不变，在壁面上形成稳定的汽膜。

E区：辐射比例小

F区：辐射所占比例越来越大F

ABCDE三、沸腾传热机理

其特点：（1）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流；（2）辐射热量随着的加大而剧增，使热流密度大大增加；（3）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小的液膜。总结大容器饱和沸腾曲线：大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，几点说明：（1）上述热流密度的峰值qmax

有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点C作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。（2）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。思考题：两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问滴在哪块板上的水滴先被烧干，为什么?答：在大气压下发生沸腾换热时，上述两水滴的过热度分别是℃和由大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是核态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。四、汽化核心的分析

(1)汽泡的成长过程

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，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，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。汽化核心的形成流体中形成的汽泡，必须与液体处于力平衡和热平衡。

由于汽泡表面张力的作用，使其内压大于外压，根据力平衡条件。若忽略液柱静压力，pl则等于沸腾系统的环境压力，即近似于饱和温度下的液体压力N/㎡。

这是气泡能够存在而不消失的条件。由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界面内外温度相等，则因此，汽泡外的液体是过热的，其过热度为：，而贴壁处液体具有最大过热度。则壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件：讨论：①若表面张力>内外压差，汽泡不能形成。②若表面张力<内外压差，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。

(2)汽泡的存在条件

汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝龙方程)式中：—表面张力，N/m；r—汽化潜热，J/kgv—蒸汽密度，kg/m3；tw—壁面温度，Cts—对应压力下的饱和温度，C可见，(tw

–ts),Rmin同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加汽化核心数增加换热增强五、沸腾换热计算式

沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即：但对于沸腾换热的h却有许多不同的计算公式。1.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液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是：（1）针对一种液体的计算公式；（2）广泛适用于各种液体的计算式；（1）适用于水的米海耶夫计算式

在压力下大容器饱和沸腾计算式：

按

（2）适用于各种液体的计算式:

既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：上式可以改写为：对于制冷介质而言，以下的库珀（Cooper）公式目前得到广泛的应用：其中：为液体的相对分子质量；为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为0.3~0.4）；为热流密度。2.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计算，推荐采用如下半经验公式：3.大容器膜态沸腾的关联式（1）横管的膜态沸腾

式中，除了r和l的值由饱和温度ts决定外，其余物性均以平均温度tm

＝(tw＋ts)/2为定性温度，特征长度为管子外径d,如果加热表面为球面，则上式中的系数0.62改为0.67勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：其中：（2）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，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。五、影响沸腾换热的因素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热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。1.不凝结气体对膜状凝结换热的影响与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。

因为，随着工作液体温度的升高，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q~t沸腾曲线向着t减小的方向移动，即在相同的t下产生更高的热流密度，强化了换热。2.过冷度

只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾。在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度的沸腾称为过冷沸腾。

对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，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相当大的比例，而自然对流时，因而过冷会使该区域的换热有所增强。3.液位高度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。但当液位降低到一定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高。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。图中介质为一个大气压下的水4.沸腾表面的结构沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换热表面上形成多孔结构。机械加工方法。六、管内沸腾传热：流动类型单相水泡状流块状流环状流单相汽换热类型单相对流换热过冷沸腾液膜对流沸腾湿蒸汽换热过热蒸汽换热竖直管内强制对流沸腾：36水平管内强制对流沸腾：37无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处于过冷状态，称为过冷沸腾。泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。形成泡