10传热学沸腾换热_756407533

第十五讲 1 根据热力学理论：只要液体的温度等于或高于 对应压力下液体的饱和温度，该处液体就会发生汽 化。汽化有沸腾和蒸发两种方式。 蒸发：液—汽界面上液体汽化的相变过程 ( Evaporation) 沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽化过程 ( Boiling) 一、基本概念 7.4 沸腾换热现象(Boiling Heat Transfer) 第十五讲 2 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走壁面热量，并 使其冷却的一种传热方式 第十五讲 3 二、沸腾的分类 1、按沸腾发生的空间分: A、容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling）： 沸腾直接发生在液体容积内部，不存在固体加热壁面。 B、表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling）： 沸腾发生在与液体相接触的加热面上。 表面沸腾的分类： 1、大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）： 热壁面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾 2、有限空间沸腾（或称受迫对流沸腾、管内沸腾） 第十五讲 4 第十五讲 5 B、过冷沸腾：液体主体温度tf低于ts，而tw>ts A、饱和沸腾：液体主体温度tf为ts，而壁面温度tw>ts 即：tw >tf =ts 壁面附近有很大的温度梯度；绝大部分液体的 温度略高于饱和温度 即：tw >ts >tf 2、按沸腾发生时的液体温度分： 第十五讲 6 1934年,日本学者Nukiyama(拔三四郎) 用镍 铬合金丝（熔点:1500K）和铂丝（熔点:2045K)作 为加热元件，观测水在常压下不同加热热流条件 的沸腾换热过程，得到了大容器饱和沸腾曲线。 三、大容器饱和沸腾曲线 表征了大容器饱和沸腾的全部过程。 第十五讲 7 沸腾温差：饱和沸腾时Δt=tw−ts 沸腾曲线：热流密度q与沸腾温差Δt的关系曲线 第十五讲 8 第十五讲 9 Nukiyama认为，虚线 所示的过程无法获得。恒 热流加热条件下，壁温不 是独立变量。 1937年,Drew and Muller实验证实了这一设想： 他设想，对加热过程 中的壁温独立控制，就可 以获得虚线所示的沸腾过 程 管内：不同压力的蒸汽凝结，可调节Δt； 管外：低沸点流体沸腾 第十五讲 10 DNB D、稳定膜态沸腾：辐射影响:D-E C、过渡沸腾（不稳定的膜态沸腾）：C-D A、自然对流沸腾：Δt≈3~5℃ B、核态沸腾（泡态沸腾）:A-C 四种沸腾状态 第十五讲 11 （1）热流密度的峰值qmax 称为临界热流密度，亦称烧毁点。 一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。 两点说明： DNB （2）对稳定膜态沸腾，因为热量必须穿过热阻较大的汽膜， 所以表面传热系数比核态沸腾小得多。 第十五讲 12 ⇒ ⇒ ⇒ 四、汽泡动力学简介 1、 汽泡的成长过程 实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生 在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些 产生气泡的点被称为汽化核心。 加热时间 第十五讲 13 气泡半径为R，忽略重力时， 气泡受到表面张力σ、内压力pv、 外压力pl的作用。 2、核态沸腾机理（气泡生成、长大、传热规律）分析 （1）气泡得以存在的力学条件 表面张力σ和外压力pl总是使气泡表面积缩 小，而内压力总是使气泡长大。要使气泡长大，气 泡内外压力差须克服表面张力对外作功。 第十五讲 14 dW = (pv−pl)dV −σdA 假设气泡体积膨胀了微元体积dV，相应地表面积 增加了dA。则作功量为： 当气泡处于平衡状态时（既不 长大，也不缩小）： dW =0 (pv−pl)dV =σdA 34 3 V Rπ= 24A Rπ= ( ) 24 8v lp p R dR RdRπ σ π− = 第十五讲 15 气泡能够存在而不消失的力学条件： ( ) 2v lp p R σ− = 如果压力差作用力大于表面张 力，气泡就能继续长大 ( ) 2v lp p R σ− > ( ) 2 2v lp p R Rπ σ π− > 或者 （laplace方程） 第十五讲 16 液体的导热系数远大于蒸汽，热量传递主要 依靠液体,即：壁面加热液体、液体加热气泡 （2）气泡长大的热学条件 在加热壁面处的气泡接受热量 的途径：与气泡直接接触的壁面； 壁面传给液体，液体传到气泡表面。 气泡表面接受热量后，液体在气泡壁上汽 化，气泡继续长大。 tw>tl>tv>ts气泡长大的热学条件 第十五讲 17 与液体压力pl 对应的饱和温度为ts，所以有： tl > ts 气泡生成后继续长大的动力条件：液体有一 定的过热度 设气泡内饱和蒸汽压力为pv 对应的饱和温度 为tv；为使气泡长大，气泡壁须不断蒸发，所以气 泡壁周围的液体温度tl一定满足： v lp p> tl ≥tv tl ≥ tv > tstv > ts ( ) 2v lp p R σ− >气泡长大力学条件 第十五讲 18 附着力与液体对壁面 的湿润能力有关 液体很好地润湿壁：水、煤油等 液体不能很好地润湿壁：水银 当气泡难于脱离壁面时，热量传递过程受阻， 传热量降低。 （3）气泡脱离壁面的力学条件 气泡膨胀长大，受到 的浮升力也增加；当浮升 力大于气泡与壁面的附着 力时，气泡就脱离壁面升 入液体。 第十五讲 19 （4）气泡的生长点及最小气泡半径 气泡能够在液体中存在并继续长大的力学条件： ( ) 2v lp p R σ− ≥ 一个气泡长大所需要的压力差与它的半径R 成反 比，与表面张力成正比。半径R 越小的气泡需要较大 的压力差。 R → 0 ⇒ ( pv − pl ) → ∞ → tl ＞＞ ts 气泡的生成理论上需要无限大的过热度 这和实际观测的结果相差很远。为什么？ 第十五讲 20 实际加热壁面上总是存在各种伤痕、裂缝和 加工的痕迹。液体淹没时，这些凹缝中已经存在 微小气泡，其长大所需要的过热度为有限值。 气泡核产生时， 它必须挤开周围的液 体，需耗费一定能 量；借助于凹缝等外 部条件所需能量为最 小。孕育气泡核的这 些点称为活化点或核 化中心。 实际加热壁面的气泡生长点 第十五讲 21 克劳修斯—克拉贝隆方程式：饱和曲线上压力 随温度的变化率与饱和状态各参数间的关系式： ( ) v l S s l v rdp dT T ρ ρ ρ ρ ⎛ ⎞ =⎜ ⎟ −⎝ ⎠ 当沸腾远离临界点时,ρv <<ρl v S s rdp dT T ρ⎛ ⎞ ≈⎜ ⎟⎝ ⎠ 壁面上气泡核生成时的最小半径 第十五讲 22 v l v v s s p p r t t T ρ− =− ( ) 2v lp p R σ− = 2 v v s s rR t t T σ ρ=− 2 ( ) s v v s TR r t t σ ρ= − 沸腾时，气泡核在壁面上生成；tv的最大可能 值是tw。壁面上气泡核生成时的最小半径为： min 2 ( ) s v w s TR r t t σ ρ= − 由于( pv − pl )很小，故： v l S v s p pdp dT t t −⎛ ⎞ ≈⎜ ⎟ −⎝ ⎠ 第十五讲 23 1、最小的气泡在壁面上生成；即：壁面上的凹缝、孔 隙等是生成气泡核的最好地点； 3、壁面过热度Δt=tw−ts增大，Rmin 减小，气泡数量 增多，表面传热系数增大； 4、工作压力p 增大，ρv↑↑， ts↑，r会下降，综合导致Rmin 减 小，气泡数量增多，表面传热系 数增大。 min 2 ( ) s v w s TR r t t σ ρ= − min 2 ( 1)wv s R Tr T σ ρ = − 讨论 2、半径小于Rmin的气泡是不会长大的。 第十五讲 24 Rmin和壁面过热度的量级比较： 一个大气压下水的沸腾 σ = 5.89 ×10−2 N·m; r = 2257×103J/kg ρv = 0.598kg/m3 ; Ts =373K 3.2×10−310 10.8×10−33 最小气泡半径Rmin mm 壁面过热度Δt=tw−ts ℃ 第十五讲 25 管内沸腾时，沸腾空间有限，产生的蒸 汽与液体混合在一起，构成汽液两相混合 物——两相流。比大空间沸腾复杂。 垂直管内沸腾时的流型： 单相流、泡状流、块状流、环状流 垂直管内沸腾时的换热方式： 液体对流换热、过冷沸腾、泡态沸腾、 液膜对流沸腾、蒸汽与过热蒸汽换热 五、管内沸腾换热简介（Flow boiling） 第十五讲 26 管内沸腾换热取决于管的放置位置、管长与管径、 壁面状况、液体的初参数、流量、汽液的比例等。 流速较高时，情形与垂直管类似；流速低 时，气液将分别趋于集中在管的上半部和下半部。 水平管内沸腾的流型： 第十五讲 27 7.5 沸腾换热计算式 沸腾换热也是对流换热，牛顿冷却公式仍然适用： thtthq sw ∆=−= )( 对于沸腾换热，表面传热系数h有许多不同的 计算公式 1、大容器饱和核态沸腾的关联式 影响核态沸腾的主要因素为过热度和汽化核心数，而汽 化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，情况 复杂。各计算公式分歧较大。 第十五讲 28 罗森诺公式——大容器饱和核态沸腾换热公式 沸腾换热属于对流换热，那么，St=f(Re,Pr)也应该适用。 罗森诺基于这种思路，通过大量实验得出了实验关联式： s lwlCSt PrRe 33.01 ⋅⋅=− r：汽化潜热； Cpl：饱和液体比定压热 σ ：汽液界面表面张力 ηl：饱和液体的动力粘度 Cwl:取决于加热表面－液体组合情况 的经验常数(p321表7－1) q :沸腾热流密度 s :经验指数，水:s=1,其它:s=1.7 tC rNuSt pl ∆⋅=⋅= PrRe )(Re vll gr q ρρ σ η −= l lpl l C λ η=Pr 各符号的意义 第十五讲 29 为了便于使用，罗森诺公式可以改写为表面 传热系数与温差的关系、表面传热系数与热流密 度的关系或热流密度与温差的关系： 321 Pr )( ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ∆ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= s lwl plvl l rC tCgrq σ ρρη q～Δt3 。已知△t计算q时，与实验值的偏 差可达±100％，但已知q计算△t 时，则偏差缩 小到±33％。 在计算热流密度q，必须谨慎 第十五讲 30 2、大容器饱和沸腾的临界热流密度计算 推荐如下经验公式： 1 4 1 / 2 max 2 ( ) 24 l v v l v v l gq r σ ρ ρ ρρ ρπ ρ ρ⎛ ⎞ ⎛ ⎞−= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ＋ 工作压力离临界压力较远时： ( )1 41 2max 0.149 ( )v l vq r gρ σ ρ ρ= − 第十五讲 31 3、大容器膜态沸腾的关联式 （1）横管的膜态沸腾 1 43( ) 0 .6 2 ( ) v l v v v w s g r h d t t ρ ρ ρ λ η ⎡ ⎤−= ⎢ ⎥−⎢ ⎥⎣ ⎦ r和ρl的值由饱和温度ts 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 ，其余物性均以平 均温度tm＝(tw＋ts)/2决定，特征长度为管外径d。 对于球形加热表面，式中系数0.62改为0.67。 汽膜的流动换热与膜状凝结的液膜流动换热有 类似之处，采用式（7－4）的形式计算： 第十五讲 32 可采用如下超越方程计算总体传热系数： 343434 rc hhh += sw sw r TT TTh − −= )( 44εσ hc为膜态沸腾的表面传热系数，hr为等效 辐射表面传热系数： （2）考虑热辐射作用 膜态沸腾时的壁温一般较高，有必要考虑热辐 射换热的影响：一是直接增加了换热量，二是增大 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。 第十五讲 33 7.6 影响沸腾换热的因素 沸腾换热是对流换热现象中最复杂、影响因素 最多换热过程。针对大容器沸腾换热来讨论。 1 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 会使沸腾换热得到某种程度的强化。 只影响过冷沸腾。因自然对流换热 时， ，因此，过冷会强化换热。1/ 4( )w fh t t∝ − 见p.273 2 过冷度 第十五讲 34 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 到一定值时，表面 传热系数会明显地 随液位的降低而升 高(临界液位)。 一个大气压下水沸腾实验结果 3 、液位高度 第十五讲 35 因此，g ↑ ⇒ Nu ↑ ⇒ 换热加强。 2 3 ν α tlgGr ∆= ( Pr)nNu C Gr= 从0.1～100×9.8m/s2 的范围内，g对核态沸 腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影 响。由于 4 重力加速度 第十五讲 36 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。 凹坑多，汽化核心多，换热就会得到强化。强化沸 腾换热的主要途径是增加表面凹坑。有两种方式： (1)用烧结、钎焊、热喷涂、电离沉积等物理 与 化学手段在换热表面上形成多孔结构； （2）机械加工。 5 沸腾表面的结构 第十五讲 37 第十五讲 38 7.7 热管（Heat pipe） 集沸腾与凝结于一身的具有很高热传输性能的元 件——热管；1964年 热管的组成：管壳、管芯（起毛细管作用的多 孔结构物）、工作液。 主要功能：把热量从蒸发端转移到冷凝端 第十五讲 39 热管的特点： （1）传热能力很强。其“导热能力”可超过同样形状和 大小的铜、银制品的导热能力几倍到几千倍； （2）加热区和散热区温度很接近，轴向传热温差很小； （3）采用不同的工作液，可使热管在-200℃到2200 ℃的范围内工作； （4）加热区和散热区的热流密度可以不同； （5）结构简单，无运动部件，工作可靠，可制作成 各种形状。 第十五讲 40 管芯材料： 金属丝网、玻璃纤维、布、多孔金属层等 热管材料 散热器、加热器、余热利用换热器、电子元 器件的冷却、卫星热控制等 热管用途 工作液（介质）： 氨、甲醇、水、氟利昂、汞、钠、钾等 管壳材料： 铜、铝、钢、不锈钢等 第十五讲 41 凝结换热 沸腾换热 热管 对流换热部分小结 对流换热分析 单相流体对流换热 对流换热过程的数学描述 边界层概念及边界层换热微分方程组 边界层换热积分方程组及求解 相似理论在对流换热中的应用 管内受迫对流换热 外掠圆管对流换热 自然对流与混合对流换热 凝结与沸腾换热 作业：7-19；7-25；7-29