Heat Transfer传热学传热学 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !7 凝结凝结与沸腾换热与沸腾换热 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !Chapter7CondensationAndBoilingHeatTransferL o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering物质由液态变为气态时发生的换热物质由液态变为气态时发生的换热与冷凝是相反过程与冷凝是相反过程沸腾比凝结复杂得多沸腾比凝结复杂得多沸腾传热过程简介沸腾传热过程简介一、沸腾传热定义一、沸腾传热定义液体内部有气泡产生。液体内部有气泡产生。 主要特征：主要特征：实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹缝上产生，这些点称为缝上产生，这些点称为汽化核心汽化核心。 汽化核心：汽化核心：7-2 沸腾换热沸腾换热L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering二、沸腾传热分类：二、沸腾传热分类：大容器大容器(或池或池)沸腾沸腾(Pool boiling) 加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。强制对流沸腾强制对流沸腾(Forced convection boiling) 液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时所发生的沸腾换热。所发生的沸腾换热。 汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽成汽液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。 按流动动力分：按流动动力分：沸腾传热过程简介沸腾传热过程简介L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering过冷沸腾过冷沸腾(Subcooled boiling) 液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。腾换热。 气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。饱和沸腾饱和沸腾(Saturated or bulk boiling) 液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸腾换热。腾换热。 从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中不会再重新凝结。不会再重新凝结。如：烧开水如：烧开水 按主体温度分：按主体温度分：沸腾传热过程简介沸腾传热过程简介L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering三、沸腾传热机理三、沸腾传热机理 气泡生成的必要条件：气泡生成的必要条件： 液体必须过热，即液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱液体的温度高于相应压强下的饱和温度和温度ts ； 加热壁面上应存在有汽化核心。加热壁面上应存在有汽化核心。 传热表面的汽化核心：传热表面的汽化核心： 传传热热表表面面的的汽汽化化核核心心与与该该表表面面的的粗粗糙糙程程度度、氧氧化化情情况况以及以及材质材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 一一般般认认为为：粗粗糙糙表表面面上上微微细细的的凹凹缝缝或或裂裂穴穴最最可可能能成成为为汽汽化化核核心心，在在凹凹穴穴中中吸吸附附了了微微量量的的气气体体或或蒸蒸汽汽，这这里里就就成为孕育新生汽泡的胚胎。成为孕育新生汽泡的胚胎。 L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering 由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。 沸腾换热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的沸腾换热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，三、沸腾传热机理三、沸腾传热机理 沸腾曲线：沸腾曲线： 液体主体达到饱和温度液体主体达到饱和温度ts，随壁面过热度随壁面过热度t=tw-ts的的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大气压力下沸腾传热热流密度气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度与壁面过热度t的变化关的变化关系，称为系，称为沸腾曲线沸腾曲线。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering A 自然对流区自然对流区pure convection t 内外压差，汽泡不能形成。内外压差，汽泡不能形成。 若表面张力若表面张力 内外压差，界面上汽泡不断蒸发，汽泡内外压差，界面上汽泡不断蒸发，汽泡才能成长。才能成长。 L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer(2) (2) 汽泡的存在条件汽泡的存在条件 汽泡半径汽泡半径R R必须满足下列条件才能存活必须满足下列条件才能存活( (克拉贝龙克拉贝龙方程方程) )式中：式中： 表面张力，表面张力，N/m；r 汽化潜热，汽化潜热，J/kg v 蒸汽密度，蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面温度，壁面温度， C ts 对应压力下的饱和温度，对应压力下的饱和温度， C可见，可见， (t(tw w t ts s ) ) , R , Rminmin 同一加热面上，称为汽化核心同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加的凹穴数量增加 汽化核心数增加汽化核心数增加 换热增强换热增强L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer五、沸腾换热计算式五、沸腾换热计算式 沸腾换热也是对流换热的一种，因此，沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷牛顿冷却公式仍然适用却公式仍然适用，即：，即：但对于沸腾换热的但对于沸腾换热的h h却有许多不同的计算公式。却有许多不同的计算公式。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer1. 大容器饱和核态沸腾大容器饱和核态沸腾 影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压心数，而汽化核心数受表面材料、表面状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种计算是：计算是：（ 1 1 ）针对一种液体的计算公式；）针对一种液体的计算公式； （ 2 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；）广泛适用于各种液体的计算式； L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer（1 1）适用于水的米海耶夫计算式）适用于水的米海耶夫计算式 在在 压力下大容器饱和沸腾计算式：压力下大容器饱和沸腾计算式：按按 L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer（2 2 ）适用于各种液体的计算式）适用于各种液体的计算式: : 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 = st = f ( Re, Pr )f ( Re, Pr )也应该适用。罗森诺正是在这种思也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：路下，通过大量实验得出了如下实验关联式：L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer上式可以改写为：上式可以改写为： 对于制冷介质而言，以下的对于制冷介质而言，以下的库珀（库珀（CooperCooper）公）公式式目前得到广泛的应用：目前得到广泛的应用：L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer其中：其中： 为液体的相对分子质量；为液体的相对分子质量； 为对比压力（液体压力与该流体的临界压力为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；之比）； 为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为面，为0.30.40.30.4）；）； 为热流密度。为热流密度。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer2.2.大容器沸腾的临界热流密度大容器沸腾的临界热流密度 对于大容器沸腾的临界热流密度的对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如下半经验公式：计算，推荐采用如下半经验公式：L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer3.大容器膜态沸腾的关联式大容器膜态沸腾的关联式（1 1）横管的膜态沸腾）横管的膜态沸腾 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 t ts s 决定外，其决定外，其余物性均以平均温度余物性均以平均温度 t tm m ( t( tw wt ts s ) / 2 ) / 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, 如果加热表面为球面，则上式中如果加热表面为球面，则上式中的系数的系数0.620.62改为改为0.670.67L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer勃洛姆来建议采用如下勃洛姆来建议采用如下超越方程超越方程来计算：来计算：其中：其中：（2）考虑热辐射作用）考虑热辐射作用 由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此，有由于膜态换热时，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，一必要考虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从是直接增加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。而减少了换热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer五、影响沸腾换热的因素五、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复杂的，沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer1.1.不凝结气体对膜状凝结换热的影响不凝结气体对膜状凝结换热的影响 与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不凝结气体与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。会使沸腾换热得到某种强化。 因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成会从液体中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成为汽泡的胚芽，从而使为汽泡的胚芽，从而使 q q t t 沸腾曲线向着沸腾曲线向着 t t减小的减小的方向移动，即在相同的方向移动，即在相同的 t t下产生更高的热流密度，强下产生更高的热流密度，强化了换热。化了换热。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer2.2.过冷度过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾。只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾。 在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度的沸腾称为过冷沸腾。压力下的饱和温度的沸腾称为过冷沸腾。 对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近对于大容器沸腾，除了在核态沸腾起始点附近区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。区域外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。 在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当大的比例，而自然对流时，因而过冷会使该区域大的比例，而自然对流时，因而过冷会使该区域的换热有所增强。的换热有所增强。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer3.3.液位高度液位高度 当传热表面上的液位足够高时，沸腾换热表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定值时，表面传热系数会明显地随液位的降低而升高。升高。这一特定的液位值称为这一特定的液位值称为临界液位临界液位。对于常。对于常压下的水，其值约为压下的水，其值约为5mm。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer图中介质为一个图中介质为一个 大气压下的水大气压下的水L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer4.4.沸腾表面的结构沸腾表面的结构 沸沸腾腾表表面面上上的的微微笑笑凹凹坑坑最最容容易易产产生生汽汽化化核核心心，因因此此，凹凹坑坑多多，汽汽化化核核心心多多，换换热热就就会会得得到到强强化化。近近几几十十年年来来的的强强化化沸沸腾腾换换热热的的研研究究主主要要是是增增加加表表面凹坑。目前有两种常用的手段：面凹坑。目前有两种常用的手段：(1)(1)用用烧烧结结、钎钎焊焊、火火焰焰喷喷涂涂、电电离离沉沉积积等等物物理理与与 化化学手段在换热表面上形成多孔结构。学手段在换热表面上形成多孔结构。(2)(2)机械加工方法。机械加工方法。L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering六、管内沸腾传热：六、管内沸腾传热：流动类型流动类型 单相水单相水 泡状流泡状流 块状流块状流 环状流环状流 单相汽单相汽换热类型换热类型 单相对流换热单相对流换热 过冷沸腾过冷沸腾 液膜对流沸腾液膜对流沸腾 湿蒸汽换热湿蒸汽换热 过热蒸汽换热过热蒸汽换热 竖直管内强制对流沸腾：竖直管内强制对流沸腾：3636L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering 水平管内强制对流沸腾：水平管内强制对流沸腾：3737L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineering 无相变：无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。液体进入管内至开始产生汽泡。 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处于过冷状态，称为于过冷状态，称为过冷沸腾过冷沸腾。 泡状沸腾区：泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。继续加热而至饱和温度时。 形成形成泡状流泡状流和和块状流块状流(汽泡汇合成块汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进，随着蒸汽含量的进一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环环状流状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为蒸干。蒸干。 单相传热区：单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相传热区。传热区。 管内沸腾传热：管内沸腾传热：3838L o g o建筑工程系TheDepartment of ConstructionEngineeringHeat TransferHeat Transfer本节小结：本节小结：一一 、基本概念、基本概念1.沸腾的定义沸腾的定义2.沸腾的特点沸腾的特点3.沸腾换热分类沸腾换热分类4.产生沸腾的条件产生沸腾的条件二、大容器饱和沸腾曲线二、大容器饱和沸腾曲线三、汽化核心的分析三、汽化核心的分析四、沸腾换热计算四、沸腾换热计算五、影响沸腾换热的因素五、影响沸腾换热的因素 感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！