1、第七章相变对流换热第七章相变对流换热7.1 7.1 凝结传热的模式凝结传热的模式7.2 7.2 膜状凝结分析解及计算关联式膜状凝结分析解及计算关联式7.3 7.3 膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化7.4 7.4 沸腾传热模式沸腾传热模式7.5 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式7.6 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化沸腾传热的影响因素及其强化1 1、重点内容：、重点内容：凝结与沸腾换热机理及其特点；凝结与沸腾换热机理及其特点；膜状凝结换热分析解及实验关联式；膜状凝结换热分析解及实验关联式；大容器饱和核态沸腾及临界热流密度。大容器饱和核态沸
2、腾及临界热流密度。2 2、掌握内容、掌握内容：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。：掌握影响凝结与沸腾换热的因素。3 3、了解内容、了解内容：了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展现状、动态。蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换热。其特点是：伴随有相变的对流换热。伴随有相变的对流换热。工程中广泛应用工程中广泛应用的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。的是：冷凝器及蒸发器、水冷壁等。第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流第六章我们分析了无相变的对流换热，包括强制对流换热和自然对流换热换热和自然对流换热下面我们即将
3、遇到的是有相变的对流换热，也称之为下面我们即将遇到的是有相变的对流换热，也称之为相变换热相变换热，目前涉及的是，目前涉及的是凝结凝结换热和换热和沸腾沸腾换热两种。换热两种。相变换热的相变换热的特点特点：由于有潜热释放和相变过程的复：由于有潜热释放和相变过程的复杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程杂性，比单相对流换热更复杂，因此，目前，工程上也只能借助于经验公式和实验关联式。上也只能借助于经验公式和实验关联式。7.1.1 7.1.1 珠状凝结与膜状凝结珠状凝结与膜状凝结 蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝
4、结液的过程，称放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的过程，称凝结换凝结换热热现象。有两种凝结形式。现象。有两种凝结形式。凝结换热的凝结换热的分类分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 7.1 7.1 凝结传热的模式凝结传热的模式(1)(1)膜状凝结膜状凝结 定义：定义：凝结液体能很好地湿润凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，称膜状凝结。成膜的凝结形式，称膜状凝结。gswtt(2)(2)珠状凝结珠状凝结 定义：定义：凝结液体不能很好地湿凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形润壁面，凝结液体在壁面上形成一
5、个个小液珠的凝结形式，成一个个小液珠的凝结形式，称珠状凝结。称珠状凝结。gswtt凝结传热：蒸汽与低于其饱和温度的壁面接触时，将汽化潜热释放给壁面的过程。珠状凝结珠状凝结的表面换热系数 膜状凝结，但是一般无法长久保持。2.55105 5000250007.1.2 7.1.2 凝结液主要热阻凝结液主要热阻 膜状凝结特点：膜状凝结特点：壁面上有一层液膜，凝结壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热到冷却壁面上，此时液膜成为主要的换热热阻热阻。珠状凝结特点：珠状凝结特点：凝结放出的潜热不须穿过液凝结放出的潜热不
6、须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。膜的阻力即可传到冷却壁面上。gswttgswtt在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系在其它条件相同时，珠状凝结的表面传热系数定大于膜状凝结的传热系数。数定大于膜状凝结的传热系数。7.1.3 7.1.3 膜状凝结是工程设计依据膜状凝结是工程设计依据 实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，实验证明，几乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在内，在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上在纯净的条件下均能在常用工程材料的洁净表面上得到膜状凝结。得到膜状凝结。工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计工业时间应用上都只能实现膜状凝结，所以从设计的观点出发，为保证
7、凝结效果，只能用膜状凝结的的观点出发，为保证凝结效果，只能用膜状凝结的计算式作为设计的依据。计算式作为设计的依据。强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度强化膜状凝结的途径减薄液膜的厚度 1916 1916年，年，NusseltNusselt提出的简单层流膜状凝结换热分析提出的简单层流膜状凝结换热分析是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自是近代膜状凝结理论和传热分析的基础。自19161916年以来，年以来，各种修正或发展都是针对各种修正或发展都是针对NusseltNusselt分析的限制性假设而进分析的限制性假设而进行了，并形成了各种实用的计算方法。所以，我们首先行了，并形成了各种实用的计算方法。所以
8、，我们首先得了解得了解NusseltNusselt对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。对纯净饱和蒸汽膜状凝结换热的分析。7-2 7-2 膜状凝结分析解及关联式膜状凝结分析解及关联式 7.2.1 7.2.1 纯净蒸汽层流膜状凝结分析解纯净蒸汽层流膜状凝结分析解 假设假设：1 1）常物性；常物性；2 2）蒸气静止，蒸气静止，气液界面上无对液膜的粘滞应力；气液界面上无对液膜的粘滞应力；3 3）液膜的惯性力忽略；液膜的惯性力忽略；4 4）气液界气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；温度；5 5）膜内温度线性分布，即热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热；量转移只有导热；
9、6 6）液膜的过冷度液膜的过冷度忽略；忽略；7 7）忽略蒸汽密度；忽略蒸汽密度；8 8）液膜液膜表面平整无波动表面平整无波动1 1、对实际问题的简化、对实际问题的简化图图7-4 努赛尔理论分析努赛尔理论分析的坐标系与边界条件的坐标系与边界条件2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下脚标下脚标 l l 表示液相表示液相在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：以竖壁的膜状凝结为例：以竖壁的膜状凝结为例：x x 坐标为重力方向，如图所示。坐标为重力方向，如图所示。2 2、边界层方程组的简化、边界层方程组的简化2222)(
10、0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll考虑假设（考虑假设（3 3）液膜的惯性力忽略）液膜的惯性力忽略 0)(yuvxuul考虑假设（考虑假设（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度/0dpdx dp/dxdp/dx为可按为可按y=y=处液膜表面蒸汽压力梯度计算，将动量处液膜表面蒸汽压力梯度计算，将动量方程应用于蒸汽。由假设（方程应用于蒸汽。由假设（2 2）蒸汽的静止的，若以）蒸汽的静止的，若以V V表表示蒸汽密度：示蒸汽密度：0Vdp dxg 0ytvxtu只有只有u u 和和 t t 两个未知量，不需补充其他方程。两个未知量，不需补充其他方程。考虑假设（考虑假设（5 5）
11、膜内温度线性分布，即热量转移只有导热膜内温度线性分布，即热量转移只有导热2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll002222ytayuglll方程组化简为：方程组化简为：边界条件：边界条件：swttyuyttuy ,0dd 0,0时，时，求解的基本思路求解的基本思路 （1 1）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度）先从简化的微分方程组出发获得包括液膜厚度在内的流速在内的流速u u及温度及温度t t分布的表达式；分布的表达式；（2 2）再利用）再利用dxdx一段距离上凝结液体的质量平衡关系一段距离上凝结液体的质量平衡关系取得液膜厚度的表达式；取得液膜厚度的表
12、达式；（3 3）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律）最后根据对流换热微分方程式利用傅立叶定律求出表面传热系数的表达式求出表面传热系数的表达式。3.3.主要主要求解求解过程与过程与结果结果1/4llsw2l4(tt)xgr(1)(1)液膜厚度液膜厚度定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r r 按按t ts s确定确定(2)(2)局部表面传热系数局部表面传热系数1/423llxlswgrh4(tt)x sw(tttC)整个竖壁的平均表面传热系数整个竖壁的平均表面传热系数1/423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll(tt)若与水平轴有夹角（若与水平轴有夹角（0 0）的倾
13、斜壁，式中）的倾斜壁，式中g g改为改为gsingsin。1 1、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：、水平圆管及球表面上的层流膜状凝结传热表面传热系数：1/423llHlswgrh0.729d(tt)1/423llSlswgrh0.826d(tt)水平管：水平管：球：球：7.2.2 7.2.2 竖直管与水平管的比较及实验验证竖直管与水平管的比较及实验验证 定性温度：定性温度：2wsmttt注意：注意：r r 按按t ts s确定确定2 2、水平管外凝结与竖直管外凝结的比较、水平管外凝结与竖直管外凝结的比较在其他条件相同时（直径为在其他条件相同时（直径为d d和高为和高为l l的
14、圆管），横管与竖的圆管），横管与竖管的对流换热系数之比：管的对流换热系数之比：4177.0 dlhhVH1/423llVlswgrh0.943l(tt)1/423llHlswgrh0.729d(tt)不同：特征长度不同；系数不同不同：特征长度不同；系数不同当当l/d=50l/d=50时，横管的平均表面时，横管的平均表面传热系数是竖管的的传热系数是竖管的的2 2倍。倍。HVHVHVhhdlhhdlhhdl,86.2,86.286.23 3、分析解的实验验证和假设条件、分析解的实验验证和假设条件竖壁竖壁当当Re20Re20Re20时，实验数据越来越高于理论解，最高大于时，实验数据越来越高于理论解，
15、最高大于20%20%图图7-7 7-7 竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较竖壁上水蒸汽膜状凝结的理论式与实验结果比较对竖壁的修正：对竖壁的修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验表明，由于液膜表面波动，凝结换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高实验值比上述得理论值高2020左右。左右。1/423llVlswgrh1.13l(tt)修正后修正后：水平圆管、横管水平圆管、横管：实验数据与理论解相符。：实验数据与理论解相符。1/423llHlswgrh0.729d(tt)PrPr数接近数接近1 1或大于或大于1 1的流体，只要无量纲量的流体，只要无量纲量 时，时，微
16、分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。微分方程中的惯性力项，液膜过冷度的影响均可忽略。pswr1c(tt)其他假设修正其他假设修正膜层中凝结液的流动状态膜层中凝结液的流动状态 20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据为膜层ReRe。eleld uduRe7.2.3 7.2.3 湍流膜状凝结换热湍流膜状凝结换热膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量膜层雷诺数：根据液膜的特点取当量直径为特征长度的雷诺数。直径为特征长度的雷诺数。以竖壁为例以竖壁为例u ul l为为 处液膜层的
17、平均流速；处液膜层的平均流速；dede为该截面处液膜层的当量直径。为该截面处液膜层的当量直径。xllml4u4qRelr对水平管，用对水平管，用 代替上式中的代替上式中的 。并且横管一般都处于层流状态并且横管一般都处于层流状态ecd4A/P4b/b4如图如图swmlh(tt)lrq由热平衡由热平衡sw4hl(tt)Rer所以所以竖壁上层流液膜的竖壁上层流液膜的质量流量质量流量x xl l处宽为处宽为1m1m的截面上的截面上的凝结液的质量流量的凝结液的质量流量实验证明：实验证明：（1 1）膜层雷诺数）膜层雷诺数 Re=1600 Re=1600 时，液膜由层流转变为湍流时，液膜由层流转变为湍流 ；
18、（2 2）横管均在层流范围内，因为管径较小。）横管均在层流范围内，因为管径较小。湍流特征湍流特征 :对于湍流液膜，热量的对于湍流液膜，热量的传递：（传递：（1 1）靠近壁面极薄的层流）靠近壁面极薄的层流底层依靠导热方式传递热量；（底层依靠导热方式传递热量；（2 2）层流底层以外的湍流层以湍流传递层流底层以外的湍流层以湍流传递的热量为主。因此，湍流液膜换热的热量为主。因此，湍流液膜换热远大于层流液膜换热。远大于层流液膜换热。20Re 1600Rec无波动层流无波动层流有波动层流有波动层流湍流湍流ccltxxhhh1ll式中：式中：h hl l为层流段的传热系数；为层流段的传热系数；h ht t为
19、湍流段的传热系数；为湍流段的传热系数；x xc c为层流转变为湍流时转折点的高度为层流转变为湍流时转折点的高度 l l为竖壁的总高度为竖壁的总高度计算方法计算方法对于对于竖壁湍流竖壁湍流膜状换热，沿整个壁面上的膜状换热，沿整个壁面上的平均平均表面传热系数表面传热系数1/31/41/23/4wssReNuGaPr58 Pr(Re253)9200Pr可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式可供计算整个壁面的平均表面传热系数的实验关联式式中：式中：。除。除 用壁温用壁温 计算外，其余物理量的定性温度均为计算外，其余物理量的定性温度均为N uhl/;32Gagl/wPrwtst。6-3 6-3
20、膜状凝结的影响因素及其传热强化膜状凝结的影响因素及其传热强化2.2.管子排数管子排数 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。横管管束凝结换热情况比较复杂。横管管束凝结换热情况比较复杂。工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各工程实际中所发生的膜状凝结过程往往比较复杂，受各种因素的影响。种因素的影响。1.1.不凝结气体不凝结气体 不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度不凝结气体增加了传递过程的阻力，同时使饱和温度下降，减小了凝结的驱动力。下降，减小了凝结的驱动力。例：水蒸汽中质量含量占例：水蒸汽中质量含量占1 1的空气能使表面
21、传热系数的空气能使表面传热系数降低降低6060，后果是很严重的。，后果是很严重的。3.3.管内冷凝管内冷凝 此时换热与蒸气的流速关系很大。此时换热与蒸气的流速关系很大。蒸气流速低蒸气流速低时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于时，凝结液主要在管子底部，蒸气则位于 管子上半部。管子上半部。流速较高流速较高时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子时，形成环状流动，凝结液均匀分布在管子 四周，中心为蒸气核。四周，中心为蒸气核。6.6.液膜过冷度及温度分布的非线性液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替计算公式中的下式代替计算公
22、式中的r r，pswrr0.68c(tt)4.4.蒸气流速蒸气流速 流速较高时（对于水蒸汽流速大于流速较高时（对于水蒸汽流速大于10m/s10m/s），蒸气流对），蒸气流对液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下液膜表面产生模型的粘滞应力。如果蒸气流动与液膜向下的流动同向时，使液膜拉薄，的流动同向时，使液膜拉薄，h h增大；反之使增大；反之使h h减小。减小。5.5.过热蒸气过热蒸气 把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。把计算式中的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差。强化凝结换热的原则强化凝结换热的原则用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉
23、薄拉薄使已凝结的液体尽快从换热表面上使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄掉排泄掉。7.3.27.3.2膜状凝结的强化原则和技术膜状凝结的强化原则和技术尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度尽量减薄粘滞在换热表面上的液膜的厚度7.4 7.4 沸腾换热现象沸腾换热现象沸腾的定义：沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化沸腾指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，使加热表面不断受）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面不断受到冷流体的冲刷和强烈的
24、扰动，所以沸腾换热强度远大于到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热。无相变的换热。沸腾换热分类：沸腾换热分类：1 1）大容器沸腾（池内沸腾）大容器沸腾（池内沸腾）；2 2）管内沸腾（强制对流沸腾）管内沸腾（强制对流沸腾）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。（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所发生的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。沸腾称为大容器沸腾。特点：特点：气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。气泡能自由浮升穿过液体自由面进入容器空间。（3 3）饱和沸腾）
25、饱和沸腾 定义：定义：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温液体主体温度达到饱和温度，壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。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个换热规律全然不个换热规律全然不同的区域。同的区域。（4 4）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，壁面温度大于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，称过冷沸腾该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾。（2 2）管内沸腾）管内沸腾 流体的运动需加外加的压差才能维持。流体的运动需加外加的压差才能维持。在盛水
26、的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面产生汽泡，烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和其表面产生汽泡，烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢表面上进行的沸腾为饱和沸腾。随着温度，这样在不锈钢表面上进行的沸腾为饱和沸腾。随着电流密度的增大，烧杯中的水与不锈钢管表面间的热交换电流密度的增大，烧杯中的水与不锈钢管表面间的热交换依次会出现以下依次会出现以下4 4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态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。沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾。7.4.1 7.4.1 大容器饱和沸腾四个区域大
27、容器饱和沸腾四个区域 传热学 Heat Transfer7-4 沸腾传热的模式 大容器饱和沸腾曲线0 t 4:单相自然对流区，无汽泡。4 t 25:核态沸腾区。产生汽泡，汽泡间的剧烈扰动使表面换热系数和热流密度急剧增加，强化换热。25 t 200:过渡沸腾区。汽泡的产生速度大于脱离速度，汽泡附着形成汽膜，汽膜的热阻减弱换热效果。200 t:稳定模态沸腾区。形成稳定汽膜，虽然汽膜的热阻减弱了换热效果，但是高温壁面的辐射换热却进一步增强了换热效果。大容器饱和沸腾的四个区域莱登佛罗斯特点CHF 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段、将整个曲线分成四
28、个特定的换热过程。将整个曲线分成四个特定的换热过程。1 1）单相自然对流段（液面汽）单相自然对流段（液面汽化段）化段）壁面过热度小，沸腾尚未壁面过热度小，沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流开始，换热服从单相自然对流规律。规律。4t 2 2）核态沸腾（饱和沸腾）核态沸腾（饱和沸腾）随着随着 的上升，在加热面的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点。称为起始沸点。t开始阶段开始阶段，汽化核心产生的汽，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为泡互不干扰，称为孤立汽泡区；孤立汽泡区；随着随着 的上升，汽化核心的
29、上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽增加，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 增大到一定值时，增大到一定值时，q q增加到最大增加到最大值，汽泡扰动剧烈，汽化核心值，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段对换热起决定作用，则称该段为为核态沸腾（泡状沸腾）。核态沸腾（泡状沸腾）。t其特点：其特点：温压小，换热强度大，温压小，换热强度大，其终点的热流密度其终点的热流密度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）
30、过渡沸腾 从峰值点进一步提高从峰值点进一步提高 ，热，热流密度流密度q q减小；当增大到一定减小；当增大到一定值时，热流密度减小到值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为这一阶段称为过渡沸腾过渡沸腾。该区。该区段的特点是属于不稳定过程。段的特点是属于不稳定过程。tminq原因：原因：汽泡的生长速度大于汽汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使热流密度下降。化，致使热流密度下降。4 4）稳定膜态沸腾）稳定膜态沸腾 从从 开始，随着开始，随着 的的上升，气泡生
31、长速度与跃离速度上升，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，产生的蒸汽成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使有规律地脱离膜层，致使 上上升时，热流密度升时，热流密度 q q 上升，此阶段上升，此阶段称为称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾。minqtt 其特点：其特点：a a、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；b b、辐射热量随着辐射热量随着t的加大而剧增，使热流密度大大增加；的加大而剧增，使热流密度大大增加；c c、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在物理上与膜
32、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。汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜。上述热流密度的峰值上述热流密度的峰值q qmaxmax 有重有重大意义，称为临界热流密度，大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾亦称烧毁点。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的的警戒。这一点对热流密度可控警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常和温度可控的两种情况都非常重要。重要。7.4.2 7.4.2 临界热流密度及其工程意义临界热流密度及其工程意义 对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过的是热阻较大的
33、汽膜，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。所以换热系数比凝结小得多。莱登佛罗斯特点莱登佛罗斯特点 实践上，上述热流密度的峰值有重大意义，它被称为实践上，上述热流密度的峰值有重大意义，它被称为临界热流密度。临界热流密度。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加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，一旦热流密度超过峰值，热器、对冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线，将猛升至近工况将沿虚线跳至稳定膜态沸腾线，将猛升至近10001000，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并
34、控制热流密度，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以毁，所以 亦称烧毁点。亦称烧毁点。DNBDNB（Department from Nucleate BoilingDepartment from Nucleate Boiling）：核态沸腾）：核态沸腾转折点偏离核态沸腾规律的点，作为监视接近的警戒，很转折点偏离核态沸腾规律的点，作为监视接近的警戒，很可靠。可靠。对于冷凝器等壁面可控的设备，这种监视也是重要的，因对于冷凝器等壁面可控的设备，这种监视也是重要的，因为一旦超过转折
35、点之值，就可能导致膜态沸腾，使传热量为一旦超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，使传热量减小。减小。7.4.3 7.4.3 气泡动力学简介气泡动力学简介 产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和产生气泡的点被称为汽化核心，普遍认为壁面上的凹坑和细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。细缝裂穴易残留气体，是最好的汽化核心。1 1、为什么沸腾传热有那样高的传热强度、为什么沸腾传热有那样高的传热强度 主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引主要是由于气泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的。起的各种扰动所造成的。2 2、加热表面上什么地点最容易形成汽化核心、加热表面上什么
36、地点最容易形成汽化核心 处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；处于狭缝中的液体所受到的加热影响要多；狭缝中的气体易成为气泡核心狭缝中的气体易成为气泡核心22lRPPR 3 3、加热表面上要产生气泡液体必须过热、加热表面上要产生气泡液体必须过热 流体中形成的汽泡，必须与液体处于力平衡和热平衡。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，使其内压大于外压由于汽泡表面张力的作用，使其内压大于外压 ，根据力平，根据力平衡条件：衡条件：若忽略液柱静压力，若忽略液柱静压力，p pl l则等于沸腾系统的环境压力，即近则等于沸腾系统的环境压力，即近似于似于 （饱和温度下的液体压力）
37、（饱和温度下的液体压力）N/N/。slpp 2sRpplvtt汽泡外的液体是过热的，其过热度为：。贴壁处液体汽泡外的液体是过热的，其过热度为：。贴壁处液体具有最大过热度。则壁面凹处最先能满足具有最大过热度。则壁面凹处最先能满足汽泡生成的汽泡生成的条件：条件：lsttwstt产生半径为产生半径为R R的气泡所需的气泡所需过热度（过热度（克劳修斯克拉贝龙方程）克劳修斯克拉贝龙方程）2slsvTTTTrR由热平衡可知：汽泡内蒸汽的温度为压力下的饱和温度，界由热平衡可知：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。面内外温度相等，则。sss,VllVVpppppptt因为且 可见，可见，
38、(t(tw w t ts s),R,Rminmin 同一加热面上，成为汽化同一加热面上，成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 换热增强换热增强讨论：讨论：若汽泡半径若汽泡半径R 内外压差，则汽泡内内外压差，则汽泡内蒸汽凝结，汽泡不能形成。蒸汽凝结，汽泡不能形成。若汽泡半径若汽泡半径RR时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。时，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。sppR22slsvTTTTrR7.5 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式大容器沸腾传热的实验关联式 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，牛顿冷却公式仍牛顿冷却公式仍然
39、适用然适用，即，即thtthqsw)(对于沸腾换热的表面传热系数许多不同的计算公式。对于沸腾换热的表面传热系数许多不同的计算公式。影响核态沸腾的主要因素主要是壁面过热度和汽化核影响核态沸腾的主要因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数受到壁面材料及其表面状况、压力、心数，而汽化核心数受到壁面材料及其表面状况、压力、物性等的支配，由于因素比较复杂，文献中提出的沸腾传物性等的支配，由于因素比较复杂，文献中提出的沸腾传热的计算式分歧较大热的计算式分歧较大。目前存在两种计算是：目前存在两种计算是：（1 1）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式；（2 2）广泛适用于各种液体的计算式）广
40、泛适用于各种液体的计算式7.5.1 7.5.1 大容器饱和核态沸腾的无量关联式纲大容器饱和核态沸腾的无量关联式纲 罗森诺认为，核态沸腾传热之所以强烈，主要是由于罗森诺认为，核态沸腾传热之所以强烈，主要是由于气泡的产生与脱离造成强烈的扰动之故，基于这样的思想，气泡的产生与脱离造成强烈的扰动之故，基于这样的思想，通过大量实验得出了如下实验关联式：通过大量实验得出了如下实验关联式：0.33Pr()plwlslllvctqCrrg0.33Pr()plswllllvctqCrrg:r s s1s1.7plwlllctCq饱和液体的定压比热容；：壁面过热度；：汽化潜热；：常数，取决于加热表面-液体情况；：
41、沸腾热流密度；：饱和液体的动力黏度；：液体蒸汽界面的表面张力；、：饱和液体、饱和蒸汽的密度；：经验指数。水 ，其他液体 系数系数C Cwlwl的取值，是一个纯经验参数，取决于固体表的取值，是一个纯经验参数，取决于固体表面的性质以及沸腾液体的性质，由实验确定。面的性质以及沸腾液体的性质，由实验确定。0.33Pr()plswllllvctqCrrg显热显热/潜热潜热()lvg特征速度：单位面积蒸汽的质量流速q r特征长度：Re可见，可见，因此，尽管有时上述计算公式得到的，因此，尽管有时上述计算公式得到的q q与实验值的偏差高达与实验值的偏差高达 100100，但已知，但已知q q计算计算 ,则可以
42、则可以将偏差缩小到将偏差缩小到 3333。这一点在辐射换热更为明显。计算。这一点在辐射换热更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。时必须谨慎处理热流密度。无量纲关联式无量纲关联式Jaf(Re,Pr)t3tq 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/()0.120.2lgmrrrpmhCqMppCWmKmR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（液体压力与该流体的临界压力之比）；为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；
43、为表面平均粗糙度（对一般工业用管材表面，为为表面平均粗糙度（对一般工业用管材表面，为 0.30.40.30.4）；）；q q为热流密度。为热流密度。rMrPpR7.5.2 7.5.2 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计算，推荐采用如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下半经验公式：1 41 2max22()()24lvlvVVvgqr 当压力离开临界压力较远时，上述右端最后一项取为当压力离开临界压力较远时，上述右端最后一项取为1，同时将理论分析得出的系数同时将理论分析得出的系数0.131用实验值用实验值0.149代替，得代替
44、，得到以下推荐公式：到以下推荐公式：1 41 2max0.149()vlvqrg 物性均按照饱和温度查取，无特征长度。当加热面物性均按照饱和温度查取，无特征长度。当加热面的特征长度大于三倍气泡直径时，即可适用。的特征长度大于三倍气泡直径时，即可适用。7.5.3 7.5.3 大容器饱和液体膜态沸腾的传热计算式大容器饱和液体膜态沸腾的传热计算式（1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾413)()(62.0swvvvlvttdgrh 式中，除了式中，除了r r和和 l l的值由饱和温度的值由饱和温度t ts s决定外，其余物决定外，其余物性均以平均温度性均以平均温度t tm m(t(tw wt ts
45、 s)/2)/2为定性温度，特征长度为定性温度，特征长度为管子外径为管子外径d,d,如果加热表面为球面，则上式中的系数如果加热表面为球面，则上式中的系数0.620.62改为改为0.670.67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 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，有必要考由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换虑辐射换热的影响，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
46、而减少了换热量。因此，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。必须综合考虑热辐射效应。7.6 7.6 影响沸腾换热的因素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。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，液体中的不凝结气体会使沸腾换与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体会使沸腾换热得
47、到某种程度的强化。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，因自然对只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，流换热时，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。1 4()wfhtt 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位的降低而定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高升高(临界液位临界液位)。图中介质为一个大气压下的水图中介质为一个大气压下的水 4 4 重力加速
48、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展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：到成熟的地步，就现有的成果表明：从从0.10.1100100 9.8 m/s9.8 m/s2 2 的范围内，的范围内，g g对核态沸对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于由于 因此，因此，g g Nu Nu 换热加强。换热加强。23tlgGrnCNuPr)(Re6.7.2 6.7.2 强化沸腾传热的原则和技术强化沸腾传热的原则和技
49、术基本原则：增多汽化核心基本原则：增多汽化核心 沸腾表面上的微笑凹坑最容易产生汽化核心，因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。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：面凹坑。目前有两种常用的手段：(1)(1)用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与用烧结、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。化学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)(2)机械加工方法。机械加工方法。本章重点：凝结换热1.凝结换热的产生条
50、件及两种凝结换热的形式；2.竖壁膜状凝结的分析解（最主要的两点假设），为何多水平横置；3.膜状凝结的实验关联式（凝结换热量+凝结速率），注意Re需校核；4.膜状凝结的影响因素和强化措施（减薄液膜厚度、加速凝结液膜的排出）。沸腾换热1.沸腾换热的产生条件、分类，以及与蒸发的区别；2.沸腾换热的特点；3.大容器饱和沸腾曲线（四区，核态沸腾区为理想工作区域）；4.临界热流密度的意义（沸腾曲线中虚线的含义）；5.实验关联式的应用；6.沸腾换热的影响因素及其强化措施（增加壁面汽化核心的数目）。对流传热小结原理部分：原理部分：1.对流换热是如何分类的对流换热是如何分类的?影响对流换热的主要因素影响对流换热
