相變對(duì)流換熱

相變對(duì)流換熱第1頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、重點(diǎn)內(nèi)容：①凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn)；②膜狀凝結(jié)換熱分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；③大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、掌握內(nèi)容：掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素。3、了解內(nèi)容：①了解強(qiáng)化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)。②蒸汽遇冷凝結(jié)，液體受熱沸騰屬對(duì)流換熱。其特點(diǎn)是：伴隨有相變的對(duì)流換熱。③工程中廣泛應(yīng)用的是：冷凝器及蒸發(fā)器、水冷壁等。第2頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第六章我們分析了無(wú)相變的對(duì)流換熱，包括強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱下面我們即將遇到的是有相變的對(duì)流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結(jié)換熱和沸騰換熱兩種。相變換熱的特點(diǎn)：由于有潛熱釋放和相變過(guò)程的復(fù)雜性，比單相對(duì)流換熱更復(fù)雜，因此，目前，工程上也只能借助于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。第3頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

7.1.1珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)

蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，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(guò)程，稱凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。凝結(jié)換熱的分類(lèi)根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤(rùn)能力不同分兩種

7.1凝結(jié)傳熱的模式第4頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(1)膜狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤(rùn)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)。

g(2)珠狀凝結(jié)

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

g第5頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六凝結(jié)傳熱：蒸汽與低于其飽和溫度的壁面接觸時(shí)，將汽化潛熱釋放給壁面的過(guò)程。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)的表面換熱系數(shù)>>膜狀凝結(jié)，但是一般無(wú)法長(zhǎng)久保持。

2.55×1055000～25000第6頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

7.1.2凝結(jié)液－主要熱阻膜狀凝結(jié)特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻壁面上，此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻。珠狀凝結(jié)特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過(guò)液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。gg在其它條件相同時(shí)，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)。第7頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

7.1.3膜狀凝結(jié)是工程設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，幾乎所有的常用蒸汽，包括水蒸汽在內(nèi)，在純凈的條件下均能在常用工程材料的潔凈表面上得到膜狀凝結(jié)。工業(yè)時(shí)間應(yīng)用上都只能實(shí)現(xiàn)膜狀凝結(jié)，所以從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，為保證凝結(jié)效果，只能用膜狀凝結(jié)的計(jì)算式作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。強(qiáng)化膜狀凝結(jié)的途徑－減薄液膜的厚度第8頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1916年，Nusselt提出的簡(jiǎn)單層流膜狀凝結(jié)換熱分析是近代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。自1916年以來(lái)，各種修正或發(fā)展都是針對(duì)Nusselt分析的限制性假設(shè)而進(jìn)行了，并形成了各種實(shí)用的計(jì)算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對(duì)純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。7-2膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式

第9頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.2.1純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解

假設(shè)：1）常物性；2）蒸氣靜止，氣液界面上無(wú)對(duì)液膜的粘滯應(yīng)力；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無(wú)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(dǎo)熱；6）液膜的過(guò)冷度忽略；7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無(wú)波動(dòng)1、對(duì)實(shí)際問(wèn)題的簡(jiǎn)化圖7-4努賽爾理論分析的坐標(biāo)系與邊界條件第10頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六下腳標(biāo)l表示液相在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為：以豎壁的膜狀凝結(jié)為例：x坐標(biāo)為重力方向，如圖所示。

2、邊界層方程組的簡(jiǎn)化第11頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六考慮假設(shè)（3）液膜的慣性力忽略

考慮假設(shè)（7）忽略蒸汽密度dp/dx為可按y=δ處液膜表面蒸汽壓力梯度計(jì)算，將動(dòng)量方程應(yīng)用于蒸汽。由假設(shè)（2）蒸汽的靜止的，若以ρV表示蒸汽密度：第12頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六只有u和t兩個(gè)未知量，不需補(bǔ)充其他方程?？紤]假設(shè)（5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱方程組化簡(jiǎn)為：第13頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六邊界條件：求解的基本思路（1）先從簡(jiǎn)化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度δ在內(nèi)的流速u(mài)及溫度t分布的表達(dá)式；（2）再利用dx一段距離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液膜厚度的表達(dá)式；（3）最后根據(jù)對(duì)流換熱微分方程式利用傅立葉定律求出表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達(dá)式。

第14頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.主要求解過(guò)程與結(jié)果(1)液膜厚度定性溫度：注意：r按ts確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)若與水平軸有夾角（φ>0）的傾斜壁，式中g(shù)改為gsinφ。

第15頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1、水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

水平管：球：7.2.2豎直管與水平管的比較及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

定性溫度：注意：r按ts確定第16頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較在其他條件相同時(shí)（直徑為d和高為l的圓管），橫管與豎管的對(duì)流換熱系數(shù)之比：不同：特征長(zhǎng)度不同；系數(shù)不同當(dāng)l/d=50時(shí)，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的的2倍。第17頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、分析解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和假設(shè)條件豎壁當(dāng)Re<20時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符；當(dāng)Re>20時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越來(lái)越高于理論解，最高大于20%圖7-7豎壁上水蒸汽膜狀凝結(jié)的理論式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較第18頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)豎壁的修正：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高20％左右。修正后：水平圓管、橫管：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符。Pr數(shù)接近1或大于1的流體，只要無(wú)量綱量時(shí)，微分方程中的慣性力項(xiàng)，液膜過(guò)冷度的影響均可忽略。

其他假設(shè)修正第19頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六膜層中凝結(jié)液的流動(dòng)狀態(tài)

無(wú)波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)為膜層Re。7.2.3湍流膜狀凝結(jié)換熱膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點(diǎn)取當(dāng)量直徑為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)。以豎壁為例ul為處液膜層的平均流速；de為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。第20頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(duì)水平管，用代替上式中的。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)如圖由熱平衡所以豎壁上層流液膜的質(zhì)量流量x＝l處寬為1m的截面上的凝結(jié)液的質(zhì)量流量第21頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)證明：（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時(shí)，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳎唬?）橫管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓捷^小。

湍流特征:對(duì)于湍流液膜，熱量的傳遞：（1）靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（2）層流底層以外的湍流層以湍流傳遞的熱量為主。因此，湍流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。

無(wú)波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流第22頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六式中：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(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度

l為豎壁的總高度計(jì)算方法對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個(gè)壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)第23頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六可供計(jì)算整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式式中：。除用壁溫

計(jì)算外，其余物理量的定性溫度均為第24頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六§6-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化2.管子排數(shù)

前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。橫管管束凝結(jié)換熱情況比較復(fù)雜。工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過(guò)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(guò)程的阻力，同時(shí)使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力。例：水蒸汽中質(zhì)量含量占1％的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60％，后果是很?chē)?yán)重的。

第25頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

3.管內(nèi)冷凝

此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時(shí)，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(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。第26頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

6.液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性如果考慮過(guò)冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代替計(jì)算公式中的r，4.蒸氣流速

流速較高時(shí)（對(duì)于水蒸汽流速大于10m/s），蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄，h增大；反之使h減小。5.過(guò)熱蒸氣

把計(jì)算式中的潛熱改為過(guò)熱蒸氣與飽和液的焓差。第27頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉薄使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉。

7.3.2膜狀凝結(jié)的強(qiáng)化原則和技術(shù)盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度第28頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第29頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第30頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第31頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4沸騰換熱現(xiàn)象沸騰的定義：沸騰指液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過(guò)程稱為沸騰。

沸騰的特點(diǎn)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(shí)帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動(dòng)，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無(wú)相變的換熱。

沸騰換熱分類(lèi)：

1）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）；2）管內(nèi)沸騰（強(qiáng)制對(duì)流沸騰）上述每種又分為過(guò)冷沸騰和飽和沸騰。第32頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（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(diǎn)：氣泡能自由浮升穿過(guò)液體自由面進(jìn)入容器空間。

（3）飽和沸騰

定義：液體主體溫度達(dá)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(diǎn):隨著壁面過(guò)熱度的增高，出現(xiàn)4個(gè)換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。

（4）過(guò)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(guò)冷沸騰。（2）管內(nèi)沸騰

流體的運(yùn)動(dòng)需加外加的壓差才能維持。第33頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細(xì)管，通電加熱以使其表面產(chǎn)生汽泡，燒杯底下的電熱器用于將水加熱到飽和溫度，這樣在不銹鋼表面上進(jìn)行的沸騰為飽和沸騰。隨著電流密度的增大，燒杯中的水與不銹鋼管表面間的熱交換依次會(huì)出現(xiàn)以下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。7.4.1大容器飽和沸騰四個(gè)區(qū)域

第34頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六傳熱學(xué)HeatTransfer7-4沸騰傳熱的模式大容器飽和沸騰曲線0℃<?t<4℃:

單相自然對(duì)流區(qū)，無(wú)汽泡。4℃<?t<25℃:核態(tài)沸騰區(qū)。產(chǎn)生汽泡，汽泡間的劇烈擾動(dòng)使表面換熱系數(shù)和熱流密度急劇增加，強(qiáng)化換熱。25℃<?t<200℃:過(guò)渡沸騰區(qū)。汽泡的產(chǎn)生速度大于脫離速度，汽泡附著形成汽膜，汽膜的熱阻減弱換熱效果。200℃<?t:穩(wěn)定模態(tài)沸騰區(qū)。形成穩(wěn)定汽膜，雖然汽膜的熱阻減弱了換熱效果，但是高溫壁面的輻射換熱卻進(jìn)一步增強(qiáng)了換熱效果。大容器飽和沸騰的四個(gè)區(qū)域萊登佛羅斯特點(diǎn)CHF第35頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過(guò)熱度的增大，區(qū)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的換熱過(guò)程。1）單相自然對(duì)流段（液面汽化段）

壁面過(guò)熱度小，沸騰尚未開(kāi)始，換熱服從單相自然對(duì)流規(guī)律。第36頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2）核態(tài)沸騰（飽和沸騰）

隨著的上升，在加熱面的一些特定點(diǎn)上開(kāi)始出現(xiàn)汽化核心，并隨之形成汽泡，該特定點(diǎn)稱為起始沸點(diǎn)。①開(kāi)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)。

第37頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六③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，則稱該段為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）。

其特點(diǎn)：溫壓小，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。

第38頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

3）過(guò)渡沸騰

從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高，熱流密度q減小；當(dāng)增大到一定值時(shí)，熱流密度減小到，這一階段稱為過(guò)渡沸騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過(guò)程。

原因：汽泡的生長(zhǎng)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(guò)程惡化，致使熱流密度下降。第39頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4）穩(wěn)定膜態(tài)沸騰

從開(kāi)始，隨著的上升，氣泡生長(zhǎng)速度與躍離速度趨于平衡。此時(shí)，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(shí)，熱流密度q上升，此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。

其特點(diǎn)：a、汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對(duì)流；b、輻射熱量隨著△t的加大而劇增，使熱流密度大大增加；c、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。第40頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六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)DNB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。7.4.2臨界熱流密度及其工程意義

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。萊登佛羅斯特點(diǎn)第41頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第42頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)踐上，上述熱流密度的峰值有重大意義，它被稱為臨界熱流密度。①對(duì)于依靠控制熱流密度來(lái)改變工況的加熱設(shè)備，如電加熱器、對(duì)冷卻水加熱的核反應(yīng)堆，一旦熱流密度超過(guò)峰值，工況將沿虛線跳至穩(wěn)定膜態(tài)沸騰線，將猛升至近1000℃，可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀，所以必須嚴(yán)格監(jiān)視并控制熱流密度，確保在安全工作范圍之內(nèi)。也由于超過(guò)它可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以亦稱燒毀點(diǎn)。DNB（DepartmentfromNucleateBoiling）：核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)偏離核態(tài)沸騰規(guī)律的點(diǎn)，作為監(jiān)視接近的警戒，很可靠。

對(duì)于冷凝器等壁面可控的設(shè)備，這種監(jiān)視也是重要的，因?yàn)橐坏┏^(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之值，就可能導(dǎo)致膜態(tài)沸騰，使傳熱量減小。

第43頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.4.3氣泡動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽化核心，普遍認(rèn)為壁面上的凹坑和細(xì)縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽化核心。1、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強(qiáng)度主要是由于氣泡的形成、成長(zhǎng)以及脫離加熱壁面所引起的各種擾動(dòng)所造成的。2、加熱表面上什么地點(diǎn)最容易形成汽化核心處于狹縫中的液體所受到的加熱影響要多；狹縫中的氣體易成為氣泡核心第44頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第45頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、加熱表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過(guò)熱流體中形成的汽泡，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/㎡。第46頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六汽泡外的液體是過(guò)熱的，其過(guò)熱度為：。貼壁處液體具有最大過(guò)熱度。則壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件：產(chǎn)生半徑為R的氣泡所需過(guò)熱度（克勞修斯－克拉貝龍方程）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。第47頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六可見(jiàn)，(tw–ts),Rmin同一加熱面上，成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)討論：①若汽泡半徑<R時(shí)，表面張力>內(nèi)外壓差，則汽泡內(nèi)蒸汽凝結(jié)，汽泡不能形成。②若汽泡半徑>R時(shí)，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長(zhǎng)。第48頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.5大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)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

對(duì)于沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)許多不同的計(jì)算公式。影響核態(tài)沸騰的主要因素主要是壁面過(guò)熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性等的支配，由于因素比較復(fù)雜，文獻(xiàn)中提出的沸騰傳熱的計(jì)算式分歧較大。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)算式第49頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.5.1大容器飽和核態(tài)沸騰的無(wú)量關(guān)聯(lián)式綱羅森諾認(rèn)為，核態(tài)沸騰傳熱之所以強(qiáng)烈，主要是由于氣泡的產(chǎn)生與脫離造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)之故，基于這樣的思想，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出了如下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：第50頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六系數(shù)Cwl的取值，是一個(gè)純經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取決于固體表面的性質(zhì)以及沸騰液體的性質(zhì)，由實(shí)驗(yàn)確定。第51頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六顯熱/潛熱Re可見(jiàn)，，因此，盡管有時(shí)上述計(jì)算公式得到的q與實(shí)驗(yàn)值的偏差高達(dá)100％，但已知q計(jì)算,則可以將偏差縮小到33％。這一點(diǎn)在輻射換熱更為明顯。計(jì)算時(shí)必須謹(jǐn)慎處理熱流密度。無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式Ja＝f(Re,Pr)第52頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六對(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）；q為熱流密度。第53頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.5.2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：當(dāng)壓力離開(kāi)臨界壓力較遠(yuǎn)時(shí)，上述右端最后一項(xiàng)取為1，同時(shí)將理論分析得出的系數(shù)0.131用實(shí)驗(yàn)值0.149代替，得到以下推薦公式：物性均按照飽和溫度查取，無(wú)特征長(zhǎng)度。當(dāng)加熱面的特征長(zhǎng)度大于三倍氣泡直徑時(shí)，即可適用。第54頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.5.3大容器飽和液體膜態(tài)沸騰的傳熱計(jì)算式（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第55頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六勃洛姆來(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)。第56頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7.6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)換熱的影響與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會(huì)使沸騰換熱得到某種程度的強(qiáng)化。第57頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2過(guò)冷度只影響過(guò)冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對(duì)流換熱時(shí)，，因此，過(guò)冷會(huì)強(qiáng)化換熱。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(臨界液位)。第58頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的水第59頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4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(yuǎn)沒(méi)到成熟的地步，就現(xiàn)有的成