HeatTransfer

傳熱學

建筑環境與設備工程專業主干課程之一

!§7凝合與沸騰換熱

建筑環境與設備工程專業主干課程之一

!Chapter7CondensationAndBoilingHeatTransfer物質由液態變為氣態時發生的換熱與冷凝是相反過程沸騰比凝合困難得多沸騰傳熱過程簡介一、沸騰傳熱定義液體內部有氣泡產生。主要特征：試驗表明，氣泡是在緊貼加熱表面的液層內首先生成。試驗發覺氣泡是在粗糙加熱面上過熱度最大的細小凹縫上產生，這些點稱為汽化核心。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)——加熱壁面沉醉在有自由表面液體中所發生的沸騰。液體的運動由自然對流和汽泡的擾動所引起。強制對流沸騰(Forcedconvectionboiling)——液體在外力的作用下，以確定的流速流過壁面時所發生的沸騰換熱。汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流淌，形成汽—液兩相流淌，沿途吸熱，直至全部汽化。工業上的沸騰換熱多屬于此，如：冰箱的蒸發器。按流淌動力分：沸騰傳熱過程簡介過冷沸騰(Subcooledboiling)——液體的主體溫度低于相應壓力下飽和溫度時的沸騰換熱。氣泡在脫離壁面前或脫離之后在液體中重新凝合。飽和沸騰(Saturatedorbulkboiling)——液體的主體溫度等于相應壓力下飽和溫度時的沸騰換熱。從加熱面產生的氣泡在離開加熱面上升的過程中不會再重新凝合。如：燒開水按主體溫度分：沸騰傳熱過程簡介三、沸騰傳熱機理氣泡生成的必要條件：液體必需過熱，即液體的溫度高于相應壓強下的飽和溫度ts；加熱壁面上應存在有汽化核心。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、氧化狀況以及材質等諸多因素有關，是一個特殊困難的問題。一般認為：粗糙表面上微細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、四周過熱液體溫度也略高于氣泡內的溫度，熱量不斷傳入氣泡，使四周液體接著汽化，氣泡不斷長大，直至在浮力的作用下離開壁面。而后四周液體便涌來填補空位，經過加熱后又產生新的氣泡。沸騰換熱時，由于氣泡的生成和脫離，對近壁處的液層產生猛烈的擾動，使熱阻大為降低，三、沸騰傳熱機理沸騰曲線：液體主體達到飽和溫度ts，隨壁面過熱度⊿t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現出不同的傳熱規律。液體在一個大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過熱度⊿t的變更關系，稱為沸騰曲線。A自然對流區pureconvectiont<4℃過熱液體對流到自由液面后蒸發B,C核態沸騰區NucleateboilingB孤立汽泡區：汽泡彼此不干擾，對液體擾動大，換熱強C汽塊區：隨著的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數量增加，汽泡相互影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區。F

ABCDE大容器飽和沸騰曲線：三、沸騰傳熱機理HeatTransfer隨著的增大，q增大，當增大到確定值時，q增加到最大值，汽泡擾動猛烈，汽化核心對換熱起確定作用，則稱該段為核態沸騰（泡狀沸騰）。其特點：換熱強度大，其終點的熱流密度q達最大值。工業設計中應用該段。D過渡沸騰區Transitionboilingregime汽泡快速形成，很多汽泡連成一片，在壁面上形成一層汽膜，汽膜的導熱系數低。E,F穩定膜態沸騰區Stablefilmboilingregime汽泡的產生和脫離速度幾乎不變，在壁面上形成穩定的汽膜。E區：輻射比例小F區：輻射所占比例越來越大F

ABCDE三、沸騰傳熱機理HeatTransfer

其特點：（1）汽膜中的熱量傳遞不僅有導熱，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）在物理上與膜狀凝合具有共同點：前者熱量必需穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必需穿過熱阻相對較小的液膜。HeatTransfer總結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個換熱規律不同的階段：自然對流、核態沸騰、過渡沸騰和穩定膜態沸騰，HeatTransfer幾點說明：（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。一般用核態沸騰轉折點C作為監視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種狀況都特殊重要。（2）對穩定膜態沸騰，因為熱量必需穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數比凝合小得多。HeatTransfer思索題：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?HeatTransfer答：在大氣壓下發生沸騰換熱時，上述兩水滴的過熱度分別是℃和由大容器飽和沸騰曲線，前者表面發生的是核態沸騰，后者發生膜態沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面傳熱系數大，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。HeatTransfer四、汽化核心的分析(1)汽泡的成長過程試驗表明，通常狀況下，沸騰時汽泡只發生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認為，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。HeatTransfer汽化核心的形成流體中形成的汽泡，必需與液體處于力平衡和熱平衡。

由于汽泡表面張力的作用，使其內壓大于外壓，依據力平衡條件。若忽視液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統的環境壓力，即近似于飽和溫度下的液體壓力N/㎡。HeatTransfer這是氣泡能夠存在而不消失的條件。由熱平衡可知：汽泡內蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內外溫度相等，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>內外壓差，汽泡不能形成。②若表面張力<內外壓差，界面上汽泡不斷蒸發，汽泡才能成長。

HeatTransfer(2)汽泡的存在條件汽泡半徑R必需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量增加汽化核心數增加換熱增加HeatTransfer五、沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式照舊適用，即：但對于沸騰換熱的h卻有很多不同的計算公式。HeatTransfer1.大容器飽和核態沸騰影響核態沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數，而汽化核心數受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的狀況液比較困難，導致了個計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是：（1）針對一種液體的計算公式；（2）廣泛適用于各種液體的計算式；HeatTransfer（1）適用于水的米海耶夫計算式

在壓力下大容器飽和沸騰計算式：

按

HeatTransfer（2）適用于各種液體的計算式:

既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st=f(Re,Pr)也應當適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量試驗得出了如下試驗關聯式：HeatTransfer上式可以改寫為：對于制冷介質而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應用：HeatTransfer其中：為液體的相對分子質量；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，（對一般工業用管材表面，為0.3~0.4）；為熱流密度。HeatTransfer2.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算，舉薦接受如下半閱歷公式：HeatTransfer3.大容器膜態沸騰的關聯式（1）橫管的膜態沸騰式中，除了r和l的值由飽和溫度ts確定外，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,假如加熱表面為球面，則上式中的系數0.62改為0.67HeatTransfer勃洛姆來建議接受如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態換熱時，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，一是干脆增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而削減了換熱量。因此，必需綜合考慮熱輻射效應。HeatTransfer五、影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現象中最困難的，影響因素也最多，由于我們只學習了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。HeatTransfer1.不凝合氣體對膜狀凝合換熱的影響與膜狀冷凝不同，溶解于液體中的不凝合氣體會使沸騰換熱得到某種強化。因為，隨著工作液體溫度的上升，不凝合氣體會從液體中逸出，使壁面旁邊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，即在相同的t下產生更高的熱流密度，強化了換熱。HeatTransfer2.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，除了在核態沸騰起始點旁邊區域外，過冷度對沸騰換熱的強度并無影響。在核態沸騰起始段，自然對流的機理還占相當大的比例，而自然對流時，因而過冷會使該區域的換熱有所增加。HeatTransfer3.液位高度當傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面傳熱系數與液位高度無關。但當液位降低到確定值時，表面傳熱系數會明顯地隨液位的降低而上升。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。HeatTransfer圖中介質為一個大氣壓下的水HeatTransfer4.沸騰表面的結構沸騰表面上的微笑凹坑最簡潔產生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，換熱就會得到強化。近幾十年來的強化沸騰換熱的探討主要是增加表面凹坑。目前有兩種常用的手段：用燒結、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學手段在換熱表面上形成多孔結構。機械加工方法。HeatTransfer六、管內沸騰傳熱：流淌類型單相水泡狀流塊狀流環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強制對流沸騰：36水平管內強制對流沸騰：37無相變：液體進入管內至起先產生汽泡。液體起先產生汽泡時，液體主體尚未達到飽和溫度，處于過冷狀態，稱為過冷沸騰。泡狀沸騰區：接著加熱而至飽和溫度時。形成泡狀