各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件

第十六章各種對流換熱過程的特征及其計算公式本章要點：

1。著重掌握受迫、自然對流換熱的基本原理和基本計算2。著重掌握凝結(jié)、沸騰換熱的基本概念及影響因素本章難點：受迫、自然對流換熱的分析計算

凝結(jié)、沸騰換熱的分析解本章主要內(nèi)容：

第一節(jié)受迫對流換熱第二節(jié)自然對流換熱第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱第四節(jié)液體沸騰換熱

第十六章各種對流換熱過程的特征及其計算公式本章要點：本章主1第一節(jié)受迫對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱定性溫度定形尺寸為沿流動方向平壁的長度L1。當Rem<5×105(層流）、Prm=0.5-50時，空氣、水和油等2。當Rem=5×105-107(紊流）、Prm=0.5—50時，空氣、水和油等

Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3定性溫度定形尺寸為沿流動方向平壁的長度L第一節(jié)受迫對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱定性溫2管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征（1）流動有層流和湍流之分層流： 過渡區(qū)： 旺盛湍流：二、流體在管道內(nèi)換熱

入口段的熱邊界層較薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展段，局部換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利用入口段換熱效果好這一特點來強化設(shè)備的換熱。管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征3（2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。

層流入口段長度:湍流時:層流湍流（2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。層流湍流4（3）特征速度及定性溫度的確定特征速度：計算Re數(shù)時用到的流速，一般多取截面平均流速。定性溫度：計算物性的定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進出口截面平均溫度）。

（3）特征速度及定性溫度的確定

5

實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口段的范圍。可采用下列齊德－泰特公式：1。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口6定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長度，管子處于均勻壁溫。

實驗驗證范圍為：定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定）73.管內(nèi)紊流時的準則方程

實用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：

εlεRεt加熱流體時

冷卻流體時

式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑。2.管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準則方程在Ref=2300-104范圍內(nèi)，流動為過渡狀態(tài)查看P198表16-13.管內(nèi)紊流時的準則方程2.管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準則方程8

實驗驗證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù)在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導致速度分布發(fā)生畸變。

來考慮不均勻物性場對換熱的影響。一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù)9三、流體橫掠圓管時的換熱1.流體橫掠單管時的換熱三、流體橫掠圓管時的換熱1.流體橫掠單管時的換熱10各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件11

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不12

雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：式中：定性溫度為

特征長度為管外徑；數(shù)的特征速度為來流速度雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜132、流體橫掠圓管束時的換熱2、流體橫掠圓管束時的換熱14第二節(jié)自然對流換熱

流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場造成了不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。

在熱壁面上的空氣被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密

度較大而下沉。所以自然對流換熱時,壁面附近的流體不像受迫對流換熱那樣朝同一方向流動。

一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在離開壁面的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。

第二節(jié)自然對流換熱流體受15定義：由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動稱為自然對流。工程應(yīng)用：暖汽管道的散熱不用風扇強制冷卻的電器元件的散熱事故條件下核反應(yīng)堆的散熱產(chǎn)生原因：不均勻溫度場造成了不均勻密度場，浮升力成為運動的動力。定義：工程應(yīng)用：16在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面溫度tw，在離開壁面的方向上逐步降低，直至周圍環(huán)境溫度t∞，如圖5—26a所示。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點。

在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之17自然對流亦有層流和湍流之分。以一塊熱豎壁的自然對流為例，其自下而上的流動景象示出于下圖a。在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規(guī)則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。不同的流動狀態(tài)對換熱具有決定性影響：層流時，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨高度增加而減小。自然對流亦有層流和湍流之分。18流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化

流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和19從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導出適用于自然對流換熱的準則方程式。原則上自然對流換熱準則方程式可寫為：式中Gr為格拉曉夫數(shù)

Gr格拉曉夫數(shù)是浮升力/粘滯力比值的一種度量。Gr數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。自然對流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準則數(shù)為Gr數(shù)從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導出適用于自然對流換熱的準則方20一、無限空間自然對流換熱換熱面附近流體的運動狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱。一、無限空間自然對流換熱換熱面附近流體的運動狀21根據(jù)自然對流換熱原則性準則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的關(guān)聯(lián)式：定性溫度：特征長度：豎平板、豎圓柱為高度H，橫圓柱為外徑d參數(shù)C、n的選取查看相關(guān)表格根據(jù)自然對流換熱原則性準則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的22各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件23二、有限空間自然對流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進行對流換熱時為有限空間自然對流換熱。二、有限空間自然對流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進行對24討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱。討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱。25夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度δ為特征長度的Gr數(shù)

—般關(guān)聯(lián)式具有:對于豎空氣夾層:夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度δ為特征長度的Gr數(shù)26（H/δ的實驗驗證范圍為11～42）對于水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式：值得指出，對于豎直夾層，當GrδPr≤2000、對水平夾層GrδPr＜1700時，夾層中的熱量傳遞過程為純導熱。除了自然對流以外，夾層的熱量傳遞還有輻射換熱。通過夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和。（H/δ的實驗驗證范圍為11～42）對于水平空氣夾層，推薦以27第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱實例鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱實例28凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點29

1、凝結(jié)換熱現(xiàn)象

蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。

2、凝結(jié)換熱的分類

根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種

1、凝結(jié)換熱現(xiàn)象蒸汽與低于飽和溫度的壁30

(1)膜狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻g(1)膜狀凝結(jié)定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面31(2)珠狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。

特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。所以，在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。g(2)珠狀凝結(jié)定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在32一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式

1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解

假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解33各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件34根據(jù)以上9個假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組，從而保持對流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：x坐標為重力方向，如圖所示。

在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為：根據(jù)以上9個假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組35下腳標l表示液相下腳標l表示液相36考慮假定（3）液膜的慣性力忽略

考慮假定（7）忽略蒸汽密度考慮假定（3）液膜的慣性力忽略37只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：考慮假定（5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為38邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r按ts確定邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：39(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：注意：r按ts確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：40(3)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高20％左右修正后：(3)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，41（4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：水平管：球：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：（4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠?22膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)

無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時Re，式中：ul

為x=l處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑。2膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液43對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以對水平管，用代替上式中的即可。如圖由熱平衡所以44各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件453湍流膜狀凝結(jié)換熱實驗證明：

（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎?/p>

（2）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。特征:對于紊流液膜，熱量的傳遞：（1）靠近壁面極薄的層流底層依靠導熱方式傳遞熱量；（2）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。3湍流膜狀凝結(jié)換熱實驗證明：特征:對于紊流液膜，熱量的46計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)式中：hl為層流段的傳熱系數(shù)；ht為湍流段的傳熱系數(shù)；

xc為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度

l為豎壁的總高度計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯?7利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式：式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式：式中：48二、影響膜狀凝結(jié)的因素

工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。1.不凝結(jié)氣體

不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力2.蒸氣流速

流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，增大；反之使減小。二、影響膜狀凝結(jié)的因素工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程49

4.液膜過冷度及溫度分布的非線性如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的，5.管子排數(shù)

管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。前面推導的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。3.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。4.液膜過冷度及溫度分布的非線性3.過熱蒸氣50

6.管內(nèi)冷凝

此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。

流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。6.管內(nèi)冷凝51

7.凝結(jié)表面的幾何形狀強化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。7.凝結(jié)表面的幾何形狀52各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件53第四節(jié)液體沸騰換熱沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。

沸騰的特點

1）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。第四節(jié)液體沸騰換熱沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)54沸騰換熱分類：

1）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）；2）強制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。產(chǎn)生沸騰的條件：

理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件：

1）液體必須過熱；

2）要有汽化核心

沸騰換熱分類：產(chǎn)生沸騰的條件：55一、大容器飽和沸騰曲線

（1）大容器沸騰

定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進入容器空間。

（2）飽和沸騰

定義：液體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。特點:隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)4個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。

一、大容器飽和沸騰曲線（1）大容器沸騰定義：指加熱壁面56（3）過冷沸騰

指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。（4）大容器飽和沸騰曲線：

表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：（3）過冷沸騰（4）大容器飽和沸騰曲線：57qmaxqminqmaxqmin58如圖6-11所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術(shù)密度）。從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下：1）單相自然對流段（液面汽化段）

壁面過熱度小時（圖中℃）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。如圖6-11所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標592）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）

隨著的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是：①開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)；

②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，稱為相互影響區(qū)。

2）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）隨著的上升60③隨著的增大，q增大，當增大到一定值時，q增加到最大值，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度q達最大值。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。③隨著的增大，q增大，當增大到一定值時，61

3）過渡沸騰

從峰值點進一步提高，熱流密度q減小；當增大到一定值時，熱流密度減小到，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使qm下降。3）過渡沸騰從峰值點進一步提高624）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

從開始，隨著的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使上升時，熱流密度q上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。4）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰從開始，隨著63

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）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。

其特點：64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(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)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情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。幾點說明：65二、汽化核心的分析

(1)汽泡的成長過程

實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)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。二、汽化核心的分析6667(2)汽泡的存在條件

汽泡半徑R必須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(yīng)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(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(2)汽泡的存在條件式中：—表面張力，N/m；r—68三、沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式三、沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因69四、大容器飽和核態(tài)沸騰

影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心數(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；

四、大容器飽和核態(tài)沸騰70（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

（1）適用于水的米海耶夫計算式在壓力下71（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(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：（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72上式可以改寫為：對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（Cooper）公式目前得到廣泛的應(yīng)用：上式可以改寫為：對于制冷介質(zhì)而言，以下的庫珀（Coop73其中：為液體的相對分子質(zhì)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(yè)用管材表面，為0.3~0.4）；為熱流密度。其中：為液體的相對分子質(zhì)量；74五、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，推薦采用如下半經(jīng)驗公式：五、大容器沸騰的臨界熱流密度對于大容器沸騰的臨75六、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0.67六、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76勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態(tài)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，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作77七、影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱現(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。1不凝結(jié)氣體對膜狀凝結(jié)換熱的影響與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化七、影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學過的換熱782過冷度只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時，，因此，過冷會強化換熱。3液位高度

當傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液位的降低而升高(臨界液位)。2過冷度3液位高度79圖中介質(zhì)為一個大氣壓下的水圖中介質(zhì)為一個大氣壓下的水804重力加速度隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力和微重力條件下的傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展，但目前還遠沒到成熟的地步，就現(xiàn)有的成果表明：

從0.1~1009.8m/s2的范圍內(nèi)，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對自然對流換熱有影響，由于因此，gNu換熱加強。4重力加速度從0.1~10815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，換熱就會得到強化。近幾十年來的強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手段在換熱表面上形成多孔結(jié)構(gòu)。機械加工方法。5沸騰表面的結(jié)構(gòu)82各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件83

第十六章小結(jié)：1.受迫（平板、管內(nèi)）、自然對流換熱(無限、有限空間）概念基本概念：2.凝結(jié)換熱：膜狀凝結(jié)、珠狀凝結(jié)以及兩者之間的比較3.沸騰換熱：大容器沸騰、泡狀沸騰的特點飽和水沸騰的典型過程和典型曲線（四個區(qū)域）4.受迫、自然換熱原則性準則方程:Nu=f(Re,Pr)、Nu=f(Gr,Pr)

基本原理：影響膜狀凝結(jié)換熱的因素（七點）影響沸騰換熱的因素（五點）基本計算：著重掌握受迫、自然對流換熱的基本原理和基本計算了解凝結(jié)換熱和沸騰換熱的實驗關(guān)聯(lián)式的分析和求解基本原理：影響膜狀凝結(jié)換熱的因素（七點）影響沸騰換熱的因素（84第十六章各種對流換熱過程的特征及其計算公式本章要點：

1。著重掌握受迫、自然對流換熱的基本原理和基本計算2。著重掌握凝結(jié)、沸騰換熱的基本概念及影響因素本章難點：受迫、自然對流換熱的分析計算

凝結(jié)、沸騰換熱的分析解本章主要內(nèi)容：

第一節(jié)受迫對流換熱第二節(jié)自然對流換熱第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱第四節(jié)液體沸騰換熱

第十六章各種對流換熱過程的特征及其計算公式本章要點：本章主85第一節(jié)受迫對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱定性溫度定形尺寸為沿流動方向平壁的長度L1。當Rem<5×105(層流）、Prm=0.5-50時，空氣、水和油等2。當Rem=5×105-107(紊流）、Prm=0.5—50時，空氣、水和油等

Num=(0.037Rem0.8-850)Pr1/3定性溫度定形尺寸為沿流動方向平壁的長度L第一節(jié)受迫對流換熱一、流體沿平壁流動時的對流換熱定性溫86管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征（1）流動有層流和湍流之分層流： 過渡區(qū)： 旺盛湍流：二、流體在管道內(nèi)換熱

入口段的熱邊界層較薄，局部換熱系數(shù)比充分發(fā)展段的高，且沿著主流方向逐漸降低，逐漸靠近充分發(fā)展段，局部換熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。工程技術(shù)中常常利用入口段換熱效果好這一特點來強化設(shè)備的換熱。管內(nèi)受迫對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫對流流動和換熱的特征87（2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。

層流入口段長度:湍流時:層流湍流（2）入口段的熱邊界層薄，局部換熱系數(shù)高。層流湍流88（3）特征速度及定性溫度的確定特征速度：計算Re數(shù)時用到的流速，一般多取截面平均流速。定性溫度：計算物性的定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進出口截面平均溫度）。

（3）特征速度及定性溫度的確定

89

實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德－泰特公式：1。管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式實際工程換熱設(shè)備中，層流時的換熱常常處于入口90定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長度，管子處于均勻壁溫。

實驗驗證范圍為：定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定）913.管內(nèi)紊流時的準則方程

實用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：

εlεRεt加熱流體時

冷卻流體時

式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑。2.管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準則方程在Ref=2300-104范圍內(nèi)，流動為過渡狀態(tài)查看P198表16-13.管內(nèi)紊流時的準則方程2.管內(nèi)過渡狀態(tài)時的準則方程92

實驗驗證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù)在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導致速度分布發(fā)生畸變。

來考慮不均勻物性場對換熱的影響。一般在關(guān)聯(lián)式中引進乘數(shù)93三、流體橫掠圓管時的換熱1.流體橫掠單管時的換熱三、流體橫掠圓管時的換熱1.流體橫掠單管時的換熱94各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件95

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不96

雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯。可采用以下分段冪次關(guān)聯(lián)式：式中：定性溫度為

特征長度為管外徑；數(shù)的特征速度為來流速度雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜972、流體橫掠圓管束時的換熱2、流體橫掠圓管束時的換熱98第二節(jié)自然對流換熱

流體受壁面加熱或冷卻而引起的自然對流換熱與流體在壁面附近的由溫度差異所形成的浮升力有關(guān)。不均勻的溫度場造成了不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。

在熱壁面上的空氣被加熱而上浮,而未被加熱的較冷空氣因密

度較大而下沉。所以自然對流換熱時,壁面附近的流體不像受迫對流換熱那樣朝同一方向流動。

一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面壁面溫度tW，在離開壁面的方向上逐步降低至周圍環(huán)境溫度。

第二節(jié)自然對流換熱流體受99定義：由流體自身溫度場的不均勻所引起的流動稱為自然對流。工程應(yīng)用：暖汽管道的散熱不用風扇強制冷卻的電器元件的散熱事故條件下核反應(yīng)堆的散熱產(chǎn)生原因：不均勻溫度場造成了不均勻密度場，浮升力成為運動的動力。定義：工程應(yīng)用：100在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之內(nèi)。在貼壁處，流體溫度等于壁面溫度tw，在離開壁面的方向上逐步降低，直至周圍環(huán)境溫度t∞，如圖5—26a所示。薄層內(nèi)的速度分布則有兩頭小中間大的特點。

在一般情況下，不均勻溫度場僅發(fā)生在靠近換熱壁面的薄層之101自然對流亦有層流和湍流之分。以一塊熱豎壁的自然對流為例，其自下而上的流動景象示出于下圖a。在壁的下部，流動剛開始形成，它是有規(guī)則的層流；若壁面足夠高，則上部流動會轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌２煌牧鲃訝顟B(tài)對換熱具有決定性影響：層流時，換熱熱阻完全取決了薄層的厚度。從換熱壁面下端開始，隨著高度的增加，層流薄層的厚度也逐漸增加。局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨高度增加而減小。自然對流亦有層流和湍流之分。102流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化

流體沿豎壁自然對流的流動性質(zhì)和103從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導出適用于自然對流換熱的準則方程式。原則上自然對流換熱準則方程式可寫為：式中Gr為格拉曉夫數(shù)

Gr格拉曉夫數(shù)是浮升力/粘滯力比值的一種度量。Gr數(shù)的增大表明浮升力作用的相對增大。自然對流亦有層流與湍流之分，判別層流與湍流的準則數(shù)為Gr數(shù)從對流換熱微分方程組出發(fā)，可以導出適用于自然對流換熱的準則方104一、無限空間自然對流換熱換熱面附近流體的運動狀況只取決于換熱面的形狀、尺寸和溫度，而與空間圍護壁面無關(guān)，因此稱為無限空間自然對流換熱。一、無限空間自然對流換熱換熱面附近流體的運動狀105根據(jù)自然對流換熱原則性準則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的關(guān)聯(lián)式：定性溫度：特征長度：豎平板、豎圓柱為高度H，橫圓柱為外徑d參數(shù)C、n的選取查看相關(guān)表格根據(jù)自然對流換熱原則性準則方程，工程中廣泛使用的是下列形式的106各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件107二、有限空間自然對流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進行對流換熱時為有限空間自然對流換熱。二、有限空間自然對流換熱流體在夾層兩側(cè)壁溫不等的空間內(nèi)進行對108討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱。討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱。109夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度δ為特征長度的Gr數(shù)

—般關(guān)聯(lián)式具有:對于豎空氣夾層:夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度δ為特征長度的Gr數(shù)110（H/δ的實驗驗證范圍為11～42）對于水平空氣夾層，推薦以下關(guān)聯(lián)式：值得指出，對于豎直夾層，當GrδPr≤2000、對水平夾層GrδPr＜1700時，夾層中的熱量傳遞過程為純導熱。除了自然對流以外，夾層的熱量傳遞還有輻射換熱。通過夾層的換熱量應(yīng)是兩者之和。（H/δ的實驗驗證范圍為11～42）對于水平空氣夾層，推薦以111第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱實例鍋爐中的水冷壁寒冷冬天窗戶上的冰花許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程第三節(jié)蒸汽凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱實例112凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當于增加了熱量進一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點113

1、凝結(jié)換熱現(xiàn)象

蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，將汽化潛熱釋放給固體壁面，并在壁面上形成凝結(jié)液的過程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。

2、凝結(jié)換熱的分類

根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種

1、凝結(jié)換熱現(xiàn)象蒸汽與低于飽和溫度的壁114

(1)膜狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻g(1)膜狀凝結(jié)定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面115(2)珠狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。

特點：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。所以，在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。g(2)珠狀凝結(jié)定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在116一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式

1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解

假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱；6）液膜的過冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動一、膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式1、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解117各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件118根據(jù)以上9個假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組，從而保持對流換熱理論的統(tǒng)一性。同樣的，凝結(jié)液膜的流動和換熱符合邊界層的薄層性質(zhì)。以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：x坐標為重力方向，如圖所示。

在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為：根據(jù)以上9個假設(shè)從邊界層微分方程組推出努塞爾的簡化方程組119下腳標l表示液相下腳標l表示液相120考慮假定（3）液膜的慣性力忽略

考慮假定（7）忽略蒸汽密度考慮假定（3）液膜的慣性力忽略121只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：考慮假定（5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導熱只有u和t兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為122邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r按ts確定邊界條件：求解上面方程可得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：123(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：注意：r按ts確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：124(3)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，因此，實驗值比上述得理論值高20％左右修正后：(3)修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強化，125（4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：水平管：球：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：（4）當是水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠?262膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)

無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時Re，式中：ul

為x=l處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當量直徑。2膜層中凝結(jié)液的流動狀態(tài)無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液127對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以對水平管，用代替上式中的即可。如圖由熱平衡所以128各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件1293湍流膜狀凝結(jié)換熱實驗證明：

（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎?/p>

（2）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。特征:對于紊流液膜，熱量的傳遞：（1）靠近壁面極薄的層流底層依靠導熱方式傳遞熱量；（2）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠大于層流液膜換熱。3湍流膜狀凝結(jié)換熱實驗證明：特征:對于紊流液膜，熱量的130計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)式中：hl為層流段的傳熱系數(shù)；ht為湍流段的傳熱系數(shù)；

xc為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度

l為豎壁的總高度計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯?31利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式：式中：。除用壁溫

計算外，其余物理量的定性溫度均為利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式：式中：132二、影響膜狀凝結(jié)的因素

工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因素的影響。1.不凝結(jié)氣體

不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力2.蒸氣流速

流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，增大；反之使減小。二、影響膜狀凝結(jié)的因素工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程133

4.液膜過冷度及溫度分布的非線性如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替計算公式中的，5.管子排數(shù)

管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。前面推導的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。3.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。4.液膜過冷度及溫度分布的非線性3.過熱蒸氣134

6.管內(nèi)冷凝

此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。

流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。6.管內(nèi)冷凝135

7.凝結(jié)表面的幾何形狀強化凝結(jié)換熱的原則是盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度。可用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄，或者使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。7.凝結(jié)表面的幾何形狀136各種對流換熱過程的特征及其計算公式課件137第四節(jié)液體沸騰換熱沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。

沸騰的特點

1）液體汽化吸收大量的汽化潛熱；2）由于汽泡形成和脫離時帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強烈的擾動，所以沸騰換熱強度遠大于無相變的換熱。第四節(jié)液體沸騰換熱沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)138沸騰換熱分類：

1）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）；2）強制對流沸騰（管內(nèi)沸騰）上述每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。產(chǎn)生沸騰的條件：

理論分析與實驗證明，產(chǎn)生沸騰的條件：

1）液體必須過熱；

2）要有汽化核心

沸騰換熱分類：產(chǎn)生沸騰的條件：139一、大容器飽和沸騰曲線

（1）大容器沸騰

定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大容器沸騰。特點：產(chǎn)生的氣泡能自由浮升，穿過液體自由面進入容器空間。

（2）飽和沸騰

定義：液體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。特點:隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)4個換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。

一、大容器飽和沸騰曲線（1）大容器沸騰定義：指加熱壁面140（3）過冷沸騰

指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰。（4）大容器飽和沸騰曲線：

表征了大容器飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：（3）過冷沸騰（4）大容器飽和沸騰曲線：141qmaxqminqmaxqmin142如圖6-11所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標為熱流密度（算術(shù)密度）。從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個曲線分成四個特定的換熱過程，其特性如下：1）單相自然對流段（液面汽化段）

壁面過熱度小時（圖中℃）沸騰尚未開始，換熱服從單相自然對流規(guī)律。如圖6-11所示，橫坐標為壁面過熱度（對數(shù)坐標）；縱坐標1432）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）

隨著的上升，在加熱面的一些特定點上開始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點稱為起始沸點。其特點是：①開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)；

②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，稱為相互影響區(qū)。

2）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）隨著的上升144③隨著的增大，q增大，當增大到一定值時，q增加到最大值，汽泡擾動劇烈，汽化核心對換熱起決定作用，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。其特點：溫壓小，換熱強度大，其終點的熱流密度q達最大值。工業(yè)設(shè)計中應(yīng)用該段。③隨著的增大，q增大，當增大到一定值時，145

3）過渡沸騰

從峰值點進一步提高，熱流密度q減小；當增大到一定值時，熱流密度減小到，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點是屬于不穩(wěn)定過程。原因：汽泡的生長速度大于汽泡躍離加熱面的速度，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，而蒸汽排除過程惡化，致使qm下降。3）過渡沸騰從峰值點進一步提高1464）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

從開始，隨著的上升，氣泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時，在加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜層，致使上升時，熱流密度q上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。4）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰從開始，隨著147

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）在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對較小的液膜。

其特點：148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(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)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情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。幾點說明：149二、汽化核心的分析

(1)汽泡的成長過程

實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)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。二、汽化核心的分析150151(2)汽泡的存在條件

汽泡半徑R必須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(yīng)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(shù)量增加汽化核心數(shù)增加換熱增強(2)汽泡的存在條件式中：—表面張力，N/m；r—152三、沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式三、沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因153四、大容器飽和核態(tài)沸騰