§7-2-沸騰換熱與熱管匯總

HeatTransfer

傳熱學(xué)

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)主干課程之一

!§7凝合與沸騰換熱

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(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程沸騰比凝合困難得多沸騰傳熱過程簡(jiǎn)介一、沸騰傳熱定義液體內(nèi)部有氣泡產(chǎn)生。主要特征：試驗(yàn)表明，氣泡是在緊貼加熱表面的液層內(nèi)首先生成。試驗(yàn)發(fā)覺氣泡是在粗糙加熱面上過熱度最大的細(xì)小凹縫上產(chǎn)生，這些點(diǎn)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(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，以確定的流速流過壁面時(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淌，形成汽—液兩相流淌，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。按流淌動(dòng)力分：沸騰傳熱過程簡(jiǎn)介過冷沸騰(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合。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)生的氣泡在離開加熱面上升的過程中不會(huì)再重新凝合。如：燒開水按主體溫度分：沸騰傳熱過程簡(jiǎn)介三、沸騰傳熱機(jī)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(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、氧化狀況以及材質(zhì)等諸多因素有關(guān)，是一個(gè)特殊困難的問題。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、四周過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(bǔ)空位，經(jīng)過加熱后又產(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)生猛烈的擾動(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與壁面過熱度⊿t的變更關(guān)系，稱為沸騰曲線。A自然對(duì)流區(qū)pureconvectiont<4℃過熱液體對(duì)流到自由液面后蒸發(fā)B,C核態(tài)沸騰區(qū)NucleateboilingB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，汽泡相互影響并合成汽塊及汽柱，稱為相互影響區(qū)。F

ABCDE大容器飽和沸騰曲線：三、沸騰傳熱機(jī)理HeatTransfer隨著的增大，q增大，當(dāng)增大到確定值時(shí)，q增加到最大值，汽泡擾動(dòng)猛烈，汽化核心對(duì)換熱起確定作用，則稱該段為核態(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過渡沸騰區(qū)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(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)：輻射所占比例越來越大F

ABCDE三、沸騰傳熱機(jī)理HeatTransfer

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）在物理上與膜狀凝合具有共同點(diǎn)：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(duì)較小的液膜。HeatTransfer總結(jié)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(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，HeatTransfer幾點(diǎn)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(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狀況都特殊重要。（2）對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘匦璐┻^的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)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(fā)生沸騰換熱時(shí)，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(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。HeatTransfer四、汽化核心的分析(1)汽泡的成長過程試驗(yàn)表明，通常狀況下，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。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(nèi)壓大于外壓，依據(jù)力平衡條件。若忽視液柱靜壓力，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/㎡。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(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(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。

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(duì)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)增加換熱增加HeatTransfer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，牛頓冷卻公式照舊適用，即：但對(duì)于沸騰換熱的h卻有很多不同的計(jì)算公式。HeatTransfer1.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，所以沸騰換熱的狀況液比較困難，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；HeatTransfer（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

HeatTransfer（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)當(dāng)適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量試驗(yàn)得出了如下試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：HeatTransfer上式可以改寫為：對(duì)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：HeatTransfer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。HeatTransfer2.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，舉薦接受如下半閱歷公式：HeatTransfer3.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(shù)0.62改為0.67HeatTransfer勃洛姆來建議接受如下超越方程來計(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，一是干脆增加了換熱量，另一個(gè)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(yīng)。HeatTransfer五、影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學(xué)過的換熱現(xiàn)象中最困難的，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。HeatTransfer1.不凝合氣體對(duì)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(huì)使沸騰換熱得到某種強(qiáng)化。因?yàn)?，隨著工作液體溫度的上升，不凝合氣體會(huì)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(dòng)，即在相同的t下產(chǎn)生更高的熱流密度，強(qiáng)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(yīng)壓力下的飽和溫度的沸騰稱為過冷沸騰。對(duì)于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰起始點(diǎn)旁邊區(qū)域外，過冷度對(duì)沸騰換熱的強(qiáng)度并無影響。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)，因而過冷會(huì)使該區(qū)域的換熱有所增加。HeatTransfer3.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)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到確定值時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會(huì)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(duì)于常壓下的水，其值約為5mm。HeatTransfer圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的水HeatTransfer4.沸騰表面的結(jié)構(gòu)沸騰表面上的微笑凹坑最簡(jiǎn)潔產(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。近幾十年來的強(qiáng)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(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。HeatTransfer六、管內(nèi)沸騰傳熱：流淌類型單相水泡狀流塊狀流環(huán)狀流單相汽換熱類型單相對(duì)流換熱過冷沸騰液膜對(duì)流沸騰濕蒸汽換熱過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無相變：液體進(jìn)入管內(nèi)至起先產(chǎn)生汽泡。液體起先產(chǎn)生汽泡時(shí)，液體主體尚未達(dá)到飽和溫度，處于過冷狀態(tài)，稱為過冷沸騰。泡狀沸騰區(qū)：接著加熱而至飽和溫度時(shí)。形成泡狀