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1、沸腾传热沸腾传热7.4 7.4 沸腾传热的模式沸腾传热的模式7.5 7.5 大容器沸腾传热的试验关联式大容器沸腾传热的试验关联式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基本概念基本概念定义：定义：a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种猛烈的汽化过程的一种猛烈的汽化过程 b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁面冷却的一种传热方式面冷却的一种传热方式沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式照旧适用沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式照旧适用大
2、空间沸腾大空间沸腾管内沸腾管内沸腾饱和沸腾饱和沸腾过冷沸腾过冷沸腾饱和沸腾饱和沸腾过冷沸腾过冷沸腾沸腾分类沸腾分类基本概念基本概念大大空空间间沸沸腾腾：高高于于饱饱和和温温度度的的热热壁壁面面沉沉醉醉在在具具有有自自由由表面的液体中进行沸腾表面的液体中进行沸腾特点：蒸气泡自由浮升，进入容器空间特点：蒸气泡自由浮升，进入容器空间管管内内沸沸腾腾：因因空空间间限限制制，蒸蒸气气和和液液体体混混合合在在一一起起，构构成汽液两相流成汽液两相流特点：沸腾状态随流向不断变更特点：沸腾状态随流向不断变更壁面旁边的流体运动是由自然对流及气泡的生长和脱离导致的混合壁面旁边的流体运动是由自然对流及气泡的生长和脱离
3、导致的混合而引起的而引起的流体的运动是由外部手段及自然对流和气泡引发的混合而引起的流体的运动是由外部手段及自然对流和气泡引发的混合而引起的将同样的两滴水分别滴在温度为120和300的锅面上，试问哪只锅上的水先被烧干，为什么？大容器饱和沸腾曲线大容器饱和沸腾曲线D DB BC CA AE ENatural convectionNucleate boilingTransition boilingFilm boilingDeparture fromNucleate boiling 管内沸腾换热管内沸腾换热(1)(1)汽化核心汽化核心 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，实验表明，
4、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而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心汽化核心.较普较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示。化核心，如图所示。产生沸腾的条件产生沸腾的条件(2)(2)液体过热液体过热产生沸腾的条件产生沸腾的条件 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受材料、表面状况、压力等因素的支配，所以汽化核心数受材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的状况液比较困
5、难，导致计算公式分歧较大。目沸腾换热的状况液比较困难，导致计算公式分歧较大。目前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广泛适用于各种液体的。泛适用于各种液体的。1 1 大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾为此，书中分别举荐了两个计算式为此，书中分别举荐了两个计算式大容器沸腾换热计算式大容器沸腾换热计算式对于水的大容器饱和核态沸腾，教材举荐运用，压力范围：对于水的大容器饱和核态沸腾，教材举荐运用，压力范围：1051054 4 106 Pa106 Pa（1 1）米海耶夫公式）米海耶夫公式水水按按 （2 2）罗森诺公式）罗森诺公式多种液体多种
6、液体既然沸腾换热也属于对流换热，那么，既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st=f(Re,Pr)st=f(Re,Pr)也应当适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量试验得出也应当适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量试验得出了如下试验关联式：了如下试验关联式：式中，r 汽化潜热；Cpl 饱和液体的比定压热容 g 重力加速度 l 饱和液体的动力粘度 Cwl 取决于加热表面液体 组合状况的试验常数(表7-1)q 沸腾传热的热流密度 s 阅历指数，水s=1,否则，s=1.72 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书中举荐运用如下阅历公式：书中举荐运用如下阅历公式：物性值由饱和温度物性值由
7、饱和温度 ts ts 确定外确定外3 3 大容器膜态沸腾的试验关联式大容器膜态沸腾的试验关联式（1 1）横管的模态沸腾）横管的模态沸腾式中，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 ts ts 确定外，其余确定外，其余物性均以平均温度物性均以平均温度 tm tm(tw(twts)/2 ts)/2 为定性温度，为定性温度，特征长度为管子外径特征长度为管子外径d,d,假如加热表面为球面，则上式中假如加热表面为球面，则上式中的系数的系数0.620.62改为改为0.670.67（2 2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用由于模态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考由于模态换热时
8、，壁面温度一般较高，因此，有必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是干脆增虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是干脆增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而削减了换加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而削减了换热量。因此，必需综合考虑热辐射效应。热量。因此，必需综合考虑热辐射效应。勃洛姆来建议接受如下超越方程来计算：勃洛姆来建议接受如下超越方程来计算：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困难的，影响因素也沸腾换热是我们学过的换热现象中最困难的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，
9、影响因素也只针对大容器沸腾换热。素也只针对大容器沸腾换热。1 1 不凝合气体不凝合气体液体中的不凝合气体会使沸腾换热得到某种程度的强化液体中的不凝合气体会使沸腾换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，因自然对流换热时，只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热时，因此，过冷会强化换热。，因此，过冷会强化换热。3 3 液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，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沸腾换热表面传热系数与液位高度无关。但当液位降低到确高度无关。但当液位降低到确定值定值(临界液位临界液位)时，表面传热时，表面传热系数会明显地
10、随液位的降低而系数会明显地随液位的降低而上升。上升。4 重力加速度重力加速度 随着航空航天技术的进步，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明，从0.1 1009.8 m/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 因此，g Nu 换热加强。5 沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最简洁产生汽化核心，因此，凹坑沸腾表面上的微小凹坑最简洁产生汽化核心，因此，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探讨主要是增加表面凹坑。目前有两种常
11、用的沸腾换热的探讨主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的手段：手段：用烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等物理与化学手段在换用烧结、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。热表面上形成多孔结构。机械加工方法。机械加工方法。一个平底紫铜锅的底部直径为一个平底紫铜锅的底部直径为0.3m0.3m，由电加热器维，由电加热器维持在持在118118。计算使锅中的水沸腾所需的功率。蒸。计算使锅中的水沸腾所需的功率。蒸发速率？临界热流密度？发速率？临界热流密度？QqA59.1kW一个柱形金属铠装加热元件水平的浸没在水浴中，它的直径为一个柱形金属铠装加热元件水平的浸没在水浴中，它的直径为6m
12、m6mm，表面放射率为，表面放射率为1 1。在稳态条件下金属的表面温度为。在稳态条件下金属的表面温度为255255。计算单位长度加热器的功耗。计算单位长度加热器的功耗。1、在对流温度差大小相同的条件下,在夏季和冬季,屋顶天花板内表面的对流换热系数是否相同?为什么?2、在地球表面某试验室内设计的自然对流换热试验，到太空中是否照旧有效，为什么？在室温下，玻璃的导热系数比空气大50倍以上，因此希望接受双层结构的窗户，在这种结构中，两层玻璃板之间有空气层。若通过空气层的传热为导热，可以通过增大间隙厚度来提高相应热阻。但是，这种方法的功效受到一些限制，因为假如超过临界值就会引发对流流淌，从而使热阻降低。考虑温度分别为22和-20的垂直玻璃板封装的常压空气。要是通过空气的传热为导热，允许的最大间距是多少？饱和水蒸汽在长2m，外径19mm的管外凝合，如气压为0.074bar(确定)，管壁平均温度为25，求将管横放和竖放时的平均凝合换热系数及凝合液量。本章作本章作业7-11、7-17、7-23式中：表面张力，N/m；r 汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，C ts 对应压力下的饱和温度，C可见，(tw ts),Rmin 同一加热面上，可成为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增加克拉贝隆方程