知识点：大空间沸腾换热特点PPT.
合集下载
《传热学》第七章 凝结与沸腾换热
适用范围：
水平管：
适用范围：
（由于管径不会很大， 一般不会到达紊流）
进行修正后，得到：
垂直壁层流膜状凝结换热平均表面传热系数：
垂直壁与水平管凝结换热强度的比较—— 由于垂直壁定型尺寸远大于水平管，因而水平管凝结换热性能 更好，在实际管外凝结式冷凝器设计中多采用水平管。
垂直壁层流膜状凝结换热另一准则方程：
层流膜状凝结换热 速度变化规律：
蒸气静止，且对液膜无黏滞应力作用
层流膜状凝结换热 温度变化规律：
ts为蒸气饱和温度
可采用对流换热微分方程组对垂直壁层流膜状凝结换热加以研究
1.X方向液膜动量方程： 将： 代入，得：
v为蒸汽密度
假定液膜流动缓慢，则惯性力项可忽略，动量方程可简化为：
一般情况下：
从而：
已知壁温：
二、管内沸腾换热
特征：由于流体温度随流向逐渐 升高，沸腾状态随流向不断改变
液相单相流 h较低
垂 直 管 内 沸 腾
Байду номын сангаас
泡状流
h升高
块状流
h高
环状流
h高
气相单相流
h急剧降低
水平管内沸腾
液 相 单 相 流
泡 状 流
块 状 流
波 浪 流
环 状 流
气 相 单 相 流
汽水分层，管上半部局部换热较差
第七章重点： 1.膜状凝结换热特征和计算方法
2.沸腾换热的四个阶段 3.热管的工作原理
谢谢观看
三、水平管束管外凝结换热
上一层管子的凝液流到下一层管 子上，使下一层管面的膜层增厚
下层管上的h比上层管的h低
计算方法：用nd代替d代入水平单管管外凝结换热计算式
凝结与沸腾换热PPT课件
(2)珠状凝结
凝结液面不能很好地润湿壁面，在 壁面上形成一个个小的液珠，且不断 发展，到一定程度后，重力大与依附 力，向下运动
特点：凝结放出的潜热不须穿过 g 液膜的阻力即可传到冷却壁面上。
tw ts
3. 两种凝结方式换热系数的大小
膜状凝结：由于壁面被一层液膜覆盖，因而凝结放 出的热量首先必须穿过这层液膜（以导热形式），后 才传至壁面。主要热阻为液膜层。（导热因液膜层内 速度很小，热阻大）
珠状凝结：由于大部分冷壁面总是直接暴露在蒸气 中，不存在液膜层。（热阻小）
所以h珠>h膜
虽然，珠状凝结的表面传热系数远远大于膜状凝结， 从换热角度考虑，希望采用珠状凝结，但要维持珠状凝 结是非常困难的，所以在实际工业应用上都只能实现膜 状凝结。玻璃器皿洗干净有一层水膜。
第二节 膜状凝结分析解及实验关联式
——厚度薄、热阻小。
2. 准则方程
• 液膜的流动方式也有层流和紊流之分，还是 采用雷诺数（膜层）来判断。
Re de ul
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层 流
Re 20
有波动层 流
Rec 1600
湍流
如图
de 4Ac / P 4b / b 4
1. 纯净蒸气层流膜状凝结分析解 • 努赛尔通过一系列的假设后，得到了纯净蒸
气层流膜状凝结的分析解，具体假设有： （1）常物性（物性参数不随温度变化）； （2）蒸气静止不动，对液层无粘滞应力； （3）液膜的惯性力可以忽略； （4）气液界面无温差（即凝液温度等于蒸气温
度）；
(5)膜内温度分布是线性的（液膜内的热量传 递只有导热，而无对流作用）； （6）液膜的过冷度可以忽略； （7）蒸气密度远远小于凝结液体的密度ρl； （8）液膜表面平整无波动。
知识点：无限大空间流体自由流动时的换热特点PPT.
知识点：无限大空间流体自由流动时的换热特点
平板热面朝上，表面积很大，受热介质在板面上方出现局部 上升和局部下降的情况。图3(a)所示为尺寸较小，热表面朝 上，水平放置的平板上方受热气流的流动情况。从图中可以 看出，此时板上方只有一股气流上升，且集中在板中间。对 于热表面朝下的平板，气流运动的情况如图3(c)所示。此时 只有在平板表面下面的一薄层流体在流动，再下面的流体则 保持静止状态。 图1(b)为无限大空间空气沿热竖壁作自由运动时，流动 边界层内的流速分布情况和热边界层内的温度分布情况的示 意图。
知识点：无限大空间流体自由流动时的换热特点
前面讲过，按对流换热过程中流体有无相变，将对流换 热单相流体对流换热和变相流体对流换热。单相流体对流换 热是指流体在对流换热过程中没有相变，流体始终是液相或 是气相。属于单相流体对流换热的类型有：按流动的起因分 流体自由流动换热和受迫流动换热（除综合流动换热）；流 体自由流动换热可分为无限空间自由流动换热和有限空间自 由流动换热；受迫流动换热可分为流体在管内受迫流动时的 换热和流体在管外横向流动时的换热。 本知识点主要研究无限大空间自由流动时的换热特点。 无限大空间自由运动换热是当流体自由运动所处的空间 很大，因而冷热流体的运动相互之间不发生干扰时的换热过 程。
知识点：无限大空间流体自由流动时的换热特点
(b)
(a)
(b)
(a)
(c)
图2 空气在横管周围的自由流动
图3 空气在热横表面的自由流动
知识点：无限大空间流体自由流动时的换热特点
高度无关。 流体沿横管、球体以及其它一些椭圆形物体作自由流动 时，流动状态与竖壁相同,也有三种。图2所示为直径不同的 两根热横管周围空气作自由运动的情况。对于小直径管，由 于高度较小，空气流直到热表面以上的一定高度仍保持层流 状态，见图2(a)，当气流再升高时才变为紊流。对于管径很 大的管子，热空气流在管子的上边缘处就开始变为紊流，见 图2(b)。上面两种情况充分说明，在自由运动的发展过程中 物体的形状仅产生次要作用，起主要作用的则是热空气沿物 体表面运动所经过的路程长短。 对于水平放置的平板，随热表面的朝向和板面的宽度不 同，由板面放热引起的气体自由运动也不同。图3(b)所示的
知识点：大空间沸腾换热特点PPT.
知识点：大空间沸腾换热特点
过程中，我们知道气泡的生成及运动起着决定性的影响，所 以称为泡态沸腾。 3.过渡沸腾段 在泡态沸腾段中，从热流密度峰值点C以后，随着沸腾温 差的增加热流密度有下降趋势。这是因为生成的气泡太多汇 聚而形成气膜覆盖在加热面上所致，这种气膜阻碍了传热， 而且气膜不稳定，使换热情况恶化。这种情况持续到热流密 度最低值点D。这一段的换热是不稳定的，因此，我们称它 为过渡沸腾。 4.膜态沸腾段 随着沸腾温差继续提高，在D点以后，汇聚在加热面上 的气泡联片，形成一层稳定的覆盖气膜，由于有气膜的热阻
Hale Waihona Puke 知识点：大空间沸腾换热特点
出现，此时换热系数很小。汽化只能在气-液面上进行，通过 气膜以对流、辐射、导热三种方式传递汽化所需要的潜热。 产生的蒸汽有规律地排离膜层。热流密度随着沸腾温差的增 大而加大，这一段称为稳定膜态沸腾。 沸腾过程中，由于汽泡在加热面上不断产生、扩大、脱 离，冷液体不断冲刷壁面，使紧贴加热面的液体层剧烈扰动 换热强度也就大幅度增加，所以，对同一流体来说，沸腾换 热时的换热系数比无相变时对流换热的换热系数大得多。沸 腾换热时的换热系数的数值与加热面的过热程度有关，随着 温差Δ t或热流密度q而显著变化。 沸腾换热的热流密度的峰值点C具有很大的工程意义。在 实际工程中的一些电加热设备，一旦热流密度q超过峰值，工
知识点：大空间沸腾换热特点
况将沿着峰值点C直接变化到（沿虚线）膜态沸腾段，容器 的壁温也将突然升高到E点（超过1000℃），如图1所示。此 时设备因瞬时过热而被毁坏。所以点C又称为烧毁点。所以 在工程应用中的热力设备的热流密度的设计值必须低于峰值 热流密度。 影响液体沸腾时换热的重要因素除温度差外，还有压力 压力愈大，饱和温度下的液体表面张力愈小，因而一定半径 的汽泡内部压力就愈小，它所要求的温差也就愈小。如果温 差Δ t一定，则压力愈大，汽化中的汽泡半径将愈小，因而 汽泡数将愈多，换热系数就愈大。 总之，压力愈大，温差愈大，沸腾时的换热系数就愈大 另外，沸腾液的润湿能力、导热性以及加热面的材料、加热 面的情况都对换热系数产生影响。
知识点：大空间沸腾换热计算PPT.
cw 0.013 0.013 0.006 0.010 0.027
液体壁面材料 水—金刚砂磨光的铜 水—金、磨光的不锈钢 水—化学腐蚀的不锈钢 水—机械磨光的不锈钢 四氯化碳—金刚砂磨光的铜
cw 0.0128 0.0080 0.0133 0.0132 0.007
知识点：大空间沸腾换热计算
Δ t─沸腾温差(壁面过热度)，℃； μ ─饱和液体的动力粘度，kg／m.s； ρ 、ρ v─相应于饱和液体与饱和蒸汽的密度，kg／m σ ─液体—蒸汽界面表面张力，N／m； S─经验指数，对于水S=l，对于其他液体S=1.7。 cw 值 表1
表1
cw值
液体壁面材料 水—铜 水—铂 水—黄铜 苯—铬 乙醇—铬
知识点：大空间沸腾换热计算
目前，对于大空间沸腾换热计算，不同学者提出了不同 的实验数据和计算公式。由于沸腾换热比较复杂，他们提出 的这些数据和公式往往分歧较大。在此仅介绍两种类型的计 算式。一种类型是针对水的，另一种类型是适用于各种液体 的。 对于水在大容器中饱和沸腾时，米海耶夫(MuxeeB)推荐 在0.1～4MPa压力下的计算公式为 0.533 p 0.15 q 0.7 W/m2·℃ （1） 由于 q t 的关系，将上式表示为 （2） 0.122 t 2.33 p 0.5 W/m2·℃ 式中 p─沸腾时的绝对压力，pa； Δ t─沸腾温差（ t w t s)，W／m2。 对于各种不同液体在不同壁面材料的大空间中泡态沸腾 罗森瑙 (Rohsenow)提出以下实验关联式：
cp t q cw rPr r g ( v )
1
3
（3）
式中 cp─饱和液体定压比热，J／kg.℃； cw─取决于液体和壁面材料不同组合情况的实验系数， 见表1； r─液体的汽化潜热，J／kg； g─重力加速度，m／s2； Pr─饱和液体的普朗特准则；
沸腾换热(课堂PPT)
7-2 沸腾换热现象 (Boiling Heat Transfer) 蒸发：液－汽界面上液体汽化的相变过程 沸腾：液体内部产生汽泡的剧烈汽化过程
.
1
根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压 力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产 生沸腾现象 液体沸腾可以分为两大类：容积沸腾、表面沸腾 容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling):沸腾直接发生 在液体容积内部，且不存在固体加热壁面 表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling):沸腾发生在 与液体接触的加热面上
表面沸腾（非均相沸腾）分类： 大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：
热表面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾
有限空间沸腾（或受迫对流沸腾、管内沸腾）：
.
2
.
3
饱和沸腾：液体主体温度为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
.
22
Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
.
23
33％ 100％
.
24
（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：
h C q 0 .6 7 M r 0 .5p rm lgp r 0 .5 5
C90W 0.33(m 0.66K)
m0.120.2lgRpμm
Mr为液体的相对分子质量（分子量） pr为对比压力，即液体压力与其临界压力之比。 Rp为表面平均粗糙度，单位为m。对于一般工业用材料表面， Rp=0.3~0.4 m。
.
25
7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度计算公式
朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度 的计算公式 ：
.
1
根据热力学理论：只要液体内部的温度等于或高于对应压 力下液体的饱和温度，该处液体就会发生相变，并可能产 生沸腾现象 液体沸腾可以分为两大类：容积沸腾、表面沸腾 容积沸腾（均相沸腾，homogeneous boiling):沸腾直接发生 在液体容积内部，且不存在固体加热壁面 表面沸腾（非均相沸腾，heterogeneous boiling):沸腾发生在 与液体接触的加热面上
表面沸腾（非均相沸腾）分类： 大空间沸腾（或大容器沸腾、池沸腾）：
热表面沉浸在具有自由表面的液体中的沸腾
有限空间沸腾（或受迫对流沸腾、管内沸腾）：
.
2
.
3
饱和沸腾：液体主体温度为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
.
22
Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
.
23
33％ 100％
.
24
（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）：
h C q 0 .6 7 M r 0 .5p rm lgp r 0 .5 5
C90W 0.33(m 0.66K)
m0.120.2lgRpμm
Mr为液体的相对分子质量（分子量） pr为对比压力，即液体压力与其临界压力之比。 Rp为表面平均粗糙度，单位为m。对于一般工业用材料表面， Rp=0.3~0.4 m。
.
25
7.5.2 大容器沸腾的临界热流密度计算公式
朱伯（N.Zuber）给出了大空间核态饱和沸腾临界热流密度 的计算公式 ：
第七章沸腾换热ppt课件
2 膜层中凝结液的流动状态
凝结液体流动也分层流和湍流，并且其判断依据 仍然时Re，
Re deul
式中：
ul 为 x = l 处液膜层的平均流速；
de 为该截面处液膜层的当量直径。
无波动层流
Re30
有波动层流
Rec 1800
湍流
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
tw ts
凝结换热的关键点
g
• 凝结可能以不同的形式发生，膜状凝结和珠 状凝结
• 冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻
• 层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式 • 影响膜状凝结换热的因素
• 会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜 状凝结理论
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
如图 d e 4 A c/P 4 b/b 4
Re4ul 4qml
由热平衡
h(tstw)lrqml
所以
Re 4hl( ts tw )
r
横管：用d 代替 L
并且横管一般都处于层流状态
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
3 、了解内容： ①了解强化凝结与沸腾换热的措施及发展
现状、动态。 ②蒸汽遇冷凝结，液体受热沸腾属对流换
沸腾传热 ppt课件
影响池式沸腾的因素
系统压力 主流液体的温度（或欠热度）：欠热度对传热
强度影响很小，但对qc有显著影响，qc随欠热 度的增加而升高。 加热表面粗糙度：壁表面越粗糙，泡化空穴越 大，使泡核沸腾传热增强； 壁面方位和尺寸。 其他如液-壁接触角和液体中含不凝气体等
控制热流密度加热时大空间 饱和沸腾换热的烧毁点：
临界热流密度
C点--临界热流密度点（CHF）：标志着泡核沸 腾的上限。在C点之后由于部分加热表面被整 齐覆盖而使传热减弱。或者可能因为q的稍微 增加而导致壁温骤然增加（近1000℃），将可 能导致壁面烧毁。因此qmax亦称为烧毁点。
两种机理：1、汽泡合并；2、流体动力学不稳 定性（造成的结果都是蒸汽覆盖表面而传热恶 化）
随着q的增加，在 加热面上产生气泡， 但很快在跃离壁面 之前就被冷凝了， 在热边界层引起微 量的对流
当液体温度接近ts 时，气泡在加热面 上长大并跃离壁面， 它们升向自由表面 的过程中，被冷液 体所冷凝
当液体达到饱和温 度时，气泡将不再 在液体中凝结，而 是上升到自由表面
两种临界热流密度点（CHF）工况
TW TW TS TSUBTS Tf
大容积沸腾传热
定义:浸没在池内（大容积内）原来静止 （或流速很低）液体内的受热面上产生的 沸腾。又称池式沸腾。
当池内液体整体温度比系统压力下的饱和温度 低时的沸腾叫欠热沸腾；当池内液体处在与系 统压力相应的饱和温度时的沸腾叫饱和沸腾
饱和沸腾： tf ts，twts
，G是给定的，故易算出通道壁面温度超过液体饱和温度的起
in
➢ 当壁面温度超过饱和温度时，不会立即就形成稳定 的过冷沸腾
在液体的单相对流区与 充分发展的过冷区之间 存在一个“部分沸腾” 区
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
知识点：大空间沸腾换热特点
过程中，我们知道气泡的生成及运动起着决定性的影响，所 以称为泡态沸腾。 3.过渡沸腾段 在泡态沸腾段中，从热流密度峰值点C以后，随着沸腾温 差的增加热流密度有下降趋势。这是因为生成的气泡太多汇 聚而形成气膜覆盖在加热面上所致，这种气膜阻碍了传热， 而且气膜不稳定，使换热情况恶化。这种情况持续到热流密 度最低值点D。这一段的换热是不稳定的，因此，我们称它 为过渡沸腾。 4.膜态沸腾段 随着沸腾温差继续提高，在D点以后，汇聚在加热面上 的气泡联片，形成一层稳定的覆盖气膜，由于有气膜的热阻
知识Байду номын сангаас：大空间沸腾换热特点
况将沿着峰值点C直接变化到（沿虚线）膜态沸腾段，容器 的壁温也将突然升高到E点（超过1000℃），如图1所示。此 时设备因瞬时过热而被毁坏。所以点C又称为烧毁点。所以 在工程应用中的热力设备的热流密度的设计值必须低于峰值 热流密度。 影响液体沸腾时换热的重要因素除温度差外，还有压力 压力愈大，饱和温度下的液体表面张力愈小，因而一定半径 的汽泡内部压力就愈小，它所要求的温差也就愈小。如果温 差Δ t一定，则压力愈大，汽化中的汽泡半径将愈小，因而 汽泡数将愈多，换热系数就愈大。 总之，压力愈大，温差愈大，沸腾时的换热系数就愈大 另外，沸腾液的润湿能力、导热性以及加热面的材料、加热 面的情况都对换热系数产生影响。
知识点：大空间沸腾换热特点
出现，此时换热系数很小。汽化只能在气-液面上进行，通过 气膜以对流、辐射、导热三种方式传递汽化所需要的潜热。 产生的蒸汽有规律地排离膜层。热流密度随着沸腾温差的增 大而加大，这一段称为稳定膜态沸腾。 沸腾过程中，由于汽泡在加热面上不断产生、扩大、脱 离，冷液体不断冲刷壁面，使紧贴加热面的液体层剧烈扰动 换热强度也就大幅度增加，所以，对同一流体来说，沸腾换 热时的换热系数比无相变时对流换热的换热系数大得多。沸 腾换热时的换热系数的数值与加热面的过热程度有关，随着 温差Δ t或热流密度q而显著变化。 沸腾换热的热流密度的峰值点C具有很大的工程意义。在 实际工程中的一些电加热设备，一旦热流密度q超过峰值，工
知识点：大空间沸腾换热特点
温差(Δ t=tw-ts) 10 过度沸腾段 膜态沸腾段 自然对流段 泡态沸腾段 的关系曲线。 E C 10 1.自然对流 沸腾段 10 液体在沸腾 D B 过程中，加热面 10 传给液体的热量 A 10 全部用来使液体 500 10 Δ t 30 50 10 120 5 10 转变为气体，而 图1 大空间沸腾曲线（p=101325Pa） 液体的温度并不 改变。沸腾过程中壁面温度与液体的饱和温度之差为沸腾温 差，即存在着过热现象。过热的程度取决于液体的种类及沸
q(W/m 2 )
7 6 5 4 3 2 3
知识点：大空间沸腾换热特点
腾的强烈程度。 实验表明，在加热之初加热壁面的过热度很小，在壁面 上产生的气泡非常少，并且这些气泡不能脱离壁面而浮升， 热量靠自然对流由壁面传递到液体主体，蒸发在液体自由表 面进行，看不到沸腾现象。我们称其为自然对流沸腾，该部 分换热系数可近似按单相流体自然对流换热计算。 2.泡态沸腾段 随着沸腾温差的不断升高，加热壁面热流密度的增大， 从点开始，产生的气泡迅速增多，在该过程中，气泡逐渐长 大而脱离壁面向上浮生，最后冲破液面进入气相空间。随着 气泡的大量生成，气泡之间相互影响。此时，热流密度随着 沸腾温差急剧增大，直到热流密度达到它的峰值点 C。在此
知识点：大空间沸腾换热特点
当液体与高于其相应压力下饱和温度的壁面接触时可能 发生沸腾换热。沸腾换热可分为大容器沸腾和管内强迫对流 沸腾两种，也可以按液体温度分为饱和沸腾和过冷沸腾。 高于饱和温度的加热面沉浸于具有自由表面的液体中所 发生的沸腾称为大空间沸腾。此时产生的气泡能自由浮升， 穿过液体自由表面进入容器空间。 一定压力下，当液体主体温度为饱和温度ts，壁面温度 tw高于饱和温度ts时的沸腾，称为饱和沸腾。如果液体的主 体温度低于饱和温度，而壁面温度超过饱和温度时发生的沸 腾为过冷沸腾。根据饱和沸腾时壁面与饱和温度之差的变化 可将沸腾换热过程划分四段及四个沸腾换热过程段的区分， 图1示出了在101325Pa压力下饱和沸腾时，热流密度与沸腾