沸騰換熱與熱管匯總

HeatTransfer

傳熱學(xué)

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主干課程之一

!§7

凝結(jié)與沸騰換熱

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主干課程之一

!Chapter7CondensationAndBoilingHeatTransfer物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)發(fā)生的換熱與冷凝是相反過(guò)程沸騰比凝結(jié)復(fù)雜得多沸騰傳熱過(guò)程簡(jiǎn)介一、沸騰傳熱定義液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生。主要特征：實(shí)驗(yàn)表明，氣泡是在緊貼加熱表面的液層內(nèi)首先生成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡是在粗糙加熱面上過(guò)熱度最大的細(xì)小凹縫上產(chǎn)生，這些點(diǎn)稱(chēng)為汽化核心。汽化核心：§7-2沸騰換熱二、沸騰傳熱分類(lèi)：大容器(或池)沸騰(Poolboiling)

——加熱壁面沉浸在有自由表面液體中所發(fā)生的沸騰。

液體的運(yùn)動(dòng)由自然對(duì)流和汽泡的擾動(dòng)所引起。強(qiáng)制對(duì)流沸騰(Forcedconvectionboiling)——液體在外力的作用下，以一定的流速流過(guò)壁面時(shí)所發(fā)生的沸騰換熱。汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動(dòng)，形成汽—液兩相流動(dòng)，沿途吸熱，直至全部汽化。工業(yè)上的沸騰換熱多屬于此，如：冰箱的蒸發(fā)器。按流動(dòng)動(dòng)力分：沸騰傳熱過(guò)程簡(jiǎn)介過(guò)冷沸騰(Subcooledboiling)

——液體的主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)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結(jié)。飽和沸騰(Saturatedorbulkboiling)——液體的主體溫度等于相應(yīng)壓力下飽和溫度時(shí)的沸騰換熱。

從加熱面產(chǎn)生的氣泡在離開(kāi)加熱面上升的過(guò)程中不會(huì)再重新凝結(jié)。如：燒開(kāi)水按主體溫度分：沸騰傳熱過(guò)程簡(jiǎn)介三、沸騰傳熱機(jī)理氣泡生成的必要條件：液體必須過(guò)熱，即液體的溫度高于相應(yīng)壓強(qiáng)下的飽和溫度ts；加熱壁面上應(yīng)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、氧化情況以及材質(zhì)等諸多因素有關(guān)，是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。

一般認(rèn)為：粗糙表面上微細(xì)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、周?chē)^(guò)熱液體溫度也略高于氣泡內(nèi)的溫度，熱量不斷傳入氣泡，使周?chē)后w繼續(xù)汽化，氣泡不斷長(zhǎng)大，直至在浮力的作用下離開(kāi)壁面。而后周?chē)后w便涌來(lái)填補(bǔ)空位，經(jīng)過(guò)加熱后又產(chǎn)生新的氣泡。沸騰換熱時(shí)，由于氣泡的生成和脫離，對(duì)近壁處的液層產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，使熱阻大為降低，三、沸騰傳熱機(jī)理沸騰曲線：液體主體達(dá)到飽和溫度ts，隨壁面過(guò)熱度⊿t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。液體在一個(gè)大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過(guò)熱度⊿t的變化關(guān)系，稱(chēng)為沸騰曲線。A自然對(duì)流區(qū)pureconvection

t<4℃

過(guò)熱液體對(duì)流到自由液面后蒸發(fā)

B,C核態(tài)沸騰區(qū)Nucleateboiling

B孤立汽泡區(qū)：汽泡彼此不干擾，對(duì)液體擾動(dòng)大，換熱強(qiáng)

C汽塊區(qū)：隨著的上升，汽化核心增加，生成的汽泡數(shù)量增加，汽泡互相影響并合成汽塊及汽柱，稱(chēng)為相互影響區(qū)。F

ABCDE大容器飽和沸騰曲線：三、沸騰傳熱機(jī)理隨著的增大，q增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，q增加到最大值，汽泡擾動(dòng)劇烈，汽化核心對(duì)換熱起決定作用，則稱(chēng)該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。其特點(diǎn)：換熱強(qiáng)度大，其終點(diǎn)的熱流密度q達(dá)最大值。工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段。

D過(guò)渡沸騰區(qū)

Transitionboilingregime

汽泡迅速形成，許多汽泡連成一片，在壁面上形成一層汽膜，汽膜的導(dǎo)熱系數(shù)低。

E,F穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)

Stablefilmboilingregime

汽泡的產(chǎn)生和脫離速度幾乎不變，在壁面上形成穩(wěn)定的汽膜。

E區(qū)：輻射比例小

F區(qū)：輻射所占比例越來(lái)越大F

ABCDE三、沸騰傳熱機(jī)理

其特點(diǎn)：（1）汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對(duì)流；（2）輻射熱量隨著的加大而劇增，使熱流密度大大增加；（3）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必須穿過(guò)熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過(guò)熱阻相對(duì)較小的液膜?？偨Y(jié)大容器飽和沸騰曲線：大容器飽和沸騰的全部過(guò)程，共包括4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過(guò)渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）上述熱流密度的峰值qmax

有重大意義，稱(chēng)為臨界熱流密度，亦稱(chēng)燒毀點(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)C作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^(guò)的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。思考題：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(wèn)滴在哪塊板上的水滴先被燒干，為什么?答：在大氣壓下發(fā)生沸騰換熱時(shí)，上述兩水滴的過(guò)熱度分別是℃和由大容器飽和沸騰曲線，前者表面發(fā)生的是核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰。雖然前者傳熱溫差小，但其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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。四、汽化核心的分析

(1)汽泡的成長(zhǎng)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)表明，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)生氣泡的點(diǎn)被稱(chēng)為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)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。汽化核心的形成流體中形成的汽泡，必須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(nèi)壓大于外壓，根據(jù)力平衡條件。若忽略液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于飽和溫度下的液體壓力N/㎡。

這是氣泡能夠存在而不消失的條件。由熱平衡可知：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫度，界面內(nèi)外溫度相等，則因此，汽泡外的液體是過(guò)熱的，其過(guò)熱度為：，而貼壁處液體具有最大過(guò)熱度。則壁面凹處最先能滿(mǎn)足汽泡生成的條件：討論：①若表面張力>內(nèi)外壓差，汽泡不能形成。②若表面張力<內(nèi)外壓差，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長(zhǎng)。

(2)汽泡的存在條件

汽泡半徑R必須滿(mǎn)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(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度，C可見(jiàn)，(tw

–ts),Rmin同一加熱面上，稱(chēng)為汽化核心的凹穴數(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(qiáng)五、沸騰換熱計(jì)算式

沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即：但對(duì)于沸騰換熱的h卻有許多不同的計(jì)算公式。1.大容器飽和核態(tài)沸騰

影響核態(tài)沸騰的因素主要是過(guò)熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了個(gè)計(jì)算公式分歧較大。目前存在兩種計(jì)算是：（1）針對(duì)一種液體的計(jì)算公式；（2）廣泛適用于各種液體的計(jì)算式；（1）適用于水的米海耶夫計(jì)算式

在壓力下大容器飽和沸騰計(jì)算式：

按

（2）適用于各種液體的計(jì)算式:

既然沸騰換熱也屬于對(duì)流換熱，那么，st=f(Re,Pr)也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：上式可以改寫(xiě)為：對(duì)于制冷介質(zhì)而言，以下的庫(kù)珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應(yīng)用：其中：為液體的相對(duì)分子質(zhì)量；為對(duì)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(duì)一般工業(yè)用管材表面，為0.3~0.4）；為熱流密度。2.大容器沸騰的臨界熱流密度對(duì)于大容器沸騰的臨界熱流密度的計(jì)算，推薦采用如下半經(jīng)驗(yàn)公式：3.大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式（1）橫管的膜態(tài)沸騰

式中，除了r和l的值由飽和溫度ts決定外，其余物性均以平均溫度tm

＝(tw＋ts)/2為定性溫度，特征長(zhǎng)度為管子外徑d,如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.67勃洛姆來(lái)建議采用如下超越方程來(lái)計(jì)算：其中：（2）考慮熱輻射作用

由于膜態(tài)換熱時(shí)，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，一是直接增加了換熱量，另一個(gè)是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。五、影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學(xué)過(guò)的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對(duì)大容器沸騰換熱。1.不凝結(jié)氣體對(duì)膜狀凝結(jié)換熱的影響與膜狀冷凝不同，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。

因?yàn)?，隨著工作液體溫度的升高，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q~t沸騰曲線向著t減小的方向移動(dòng)，即在相同的t下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)化了換熱。2.過(guò)冷度

只影響過(guò)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(yīng)壓力下的飽和溫度的沸騰稱(chēng)為過(guò)冷沸騰。

對(duì)于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點(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)理還占相當(dāng)大的比例，而自然對(duì)流時(shí)，因而過(guò)冷會(huì)使該區(qū)域的換熱有所增強(qiáng)。3.液位高度當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時(shí)，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無(wú)關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)明顯地隨液位的降低而升高。這一特定的液位值稱(chēng)為臨界液位。對(duì)于常壓下的水，其值約為5mm。圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的水4.沸騰表面的結(jié)構(gòu)沸騰表面上的微笑凹坑最容易產(chǎn)生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，換熱就會(huì)得到強(qiáng)化。近幾十年來(lái)的強(qiáng)化沸騰換熱的研究主要是增加表面凹坑。目前有兩種常用的手段：用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)手段在換熱表面上形成多孔結(jié)構(gòu)。機(jī)械加工方法。六、管內(nèi)沸騰傳熱：流動(dòng)類(lèi)型單相水泡狀流塊狀流環(huán)狀流單相汽換熱類(lèi)型單相對(duì)流換熱過(guò)冷沸騰液膜對(duì)流沸騰濕蒸汽換熱過(guò)熱蒸汽換熱豎直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰：36水平管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流沸騰：37無(wú)相變：液體進(jìn)入管內(nèi)至開(kāi)始產(chǎn)生汽泡。液體開(kāi)始產(chǎn)生汽泡時(shí)，液體主體尚未達(dá)到飽和溫度，處于過(guò)冷狀態(tài)，稱(chēng)為過(guò)冷沸騰。泡狀沸騰區(qū)：繼續(xù)加熱而至飽和溫度時(shí)。形成泡