7.4沸腾传热解析
7.4 沸腾传热的模式
7.4 沸腾传热的模式液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。
前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。
就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。
大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。
本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。
7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。
在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。
烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。
随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = t w - t s（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）：图7-14饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线(p = 1.013×105Pa)（1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。
（2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt > 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。
随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。
在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。
由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。
传热学7-2
热管中各个传递环节的热阻分析
设热管的外径 do =25mm， 内径 di =21mm，蒸发段长度 le及冷 凝段长度 lc均为 1m，碳钢导热系数 =43.2 W/(m· K)。热量从热 流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下： (1). 从热流体到蒸发段外壁的换热热阻 R1 设蒸发段外表面总表面传热系数为 ho，e，则：
D
F
A B E
6/45
三 气泡动力学简介
1 沸腾传热具有较高传热强度的原因 气泡的形成、成长、脱离壁面所引起的各种 扰动而造成的。 要进一步强化沸腾传热就要设法增加加热表 面上产生气泡的地点----汽化核心 2 汽化核心产生地点
加热表面上凹坑、裂穴最有可能成为汽化核心
7/45
3 加热表面上要产生气泡液体必须过热
C
D
F
A B E
t q
5/45
沸腾传热有：
（1）壁温可以控制的情况 （2）热流密度可以控制的情况
C
临界热流密度 qmax
对于依靠控制热流密度来改 变工况的加热设备（电加热器 和核反应堆），一旦热流密度 超过峰值，工况将沿qmax 虚线 跳至稳定膜态沸腾线， t 将 猛升至近1000 º C，可能导致设 备的烧毁，所以qmax亦称烧毁点。 必须严格监视并控制热流密度。
R7
1
d o l c ho,c
在 R1~R7中，属于热管内部的热阻为R2~R6，其和为 6.78 10-3 K/W。一根长2m、直径为25mm的铜棒的热阻是上述钢-水 热管的1500倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为“超导 热性”。
本章作业
7-5、7-8、7-21、7-24、730、7-32
沸腾传热
沸腾传热开放分类：物理、热量沸腾传热boiling heat transfer热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。
化工生产中常用的蒸发器、再沸器和蒸气锅炉，都是通过沸腾传热来产生蒸气的。
类型按液体所处的空间位置，沸腾可以分为：①池内沸腾。
又称大容器内沸腾。
液体处于受热面一侧的较大空间中，依靠汽泡的扰动和自然对流而流动。
如夹套加热釜中液体的沸腾。
②管内沸腾。
液体以一定流速流经加热管时所发生的沸腾现象。
这时所生成的汽泡不能自由上浮，而是与液体混在一起，形成管内汽液两相流。
如蒸发器加热管内溶液的沸腾。
机理沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。
汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。
这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。
根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv 为：式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气压ps；σ为汽液界面张力；R为汽泡半径。
由于pv>ps，汽泡内蒸气的饱和温度Tv必然大于与ps对应的饱和温度Ts。
汽泡周围的液体若要汽化进入汽泡，则它的温度Te必须大于或至少等于汽泡内蒸气的饱和温度，即Te≥Tv。
从上式可知，当R=0时，pv将趋于无限大。
因此在一个绝对光滑的平面上是不可能产生汽泡的，必须有汽化核心。
加热表面上的划痕或空穴中含有的气体或蒸气，都可作为汽化核心。
紧贴这些核心的液体汽化后，形成汽泡并逐渐长大，然后脱离表面，接着又有新的汽泡形成。
在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动，所以对同一种液体来说，沸腾传热的传热分系数要比无相变时大得多。
常压下水沸腾时的传热分系数一般为1700～51000W/(m2·K)。
沸腾曲线池内沸腾根据过热度（加热壁面温度TW与液体饱和温度Tm之差,ΔT=TW-Tm）的大小,分为泡核沸腾和膜状沸腾（见图）。
当过热度很小时，传热取决于单相液体的自然对流。
当过热度增大时，汽泡不断在壁面上产生，并在液体中上升和长大,这对液体对流起着显著作用,称为泡核沸腾。
传热-第7章-2
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主讲：魏高升 主讲：
33％
100％
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主讲：魏高升 主讲：
（3）库珀（Cooper)公式（适用于制冷剂）： 库珀（Cooper)公式 适用于制冷剂）： 公式（
g ( ρl − ρ v ) q w = ηl r γ
1/ 2
c p , l ∆t n Cwl rPrl
3
（2）加热表面状况 ：决定汽化核心数目的多少。 决定汽化核心数目的多少。 (a) 壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的厚 壁面材料的种类、 度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸 度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、 热系数 (λρc)1/2对沸腾换热都有影响； 对沸腾换热都有影响； (b) 加热壁面的粗糙度； 加热壁面的粗糙度 的粗糙度； (c) 加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。 加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。
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7-5 沸腾换热计算公式 1.大容器饱和核态沸腾换热计算公式 大容器饱和核态沸腾换热计算公式
（1）米海耶夫公式（适用于水在105～4×106压 米海耶夫公式（适用于水在10 力下大容器饱和沸腾） 力下大容器饱和沸腾）：
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主讲：魏高升 主讲：
（3）不凝结气体：强化传热 不凝结气体： （4）加热表面的大小与方向以及液体自由表面 的高度（即液位）等因素的影响。 的高度（即液位）等因素的影响。 了解影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就 了解影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就 是为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。 是为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。
沸腾传热过程PPT课件
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影响沸腾传热的主要因素
➢ 过冷度的影响：
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。
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。
在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当大的
1
1
比例，而自然对流时，h ~ t 4 , t ~ (t w tf )4 , 因而过冷
如：烧开水
4
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沸腾传热机理
➢ 气泡生成的必要条件： ✓ 液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱 和温度ts ； ✓ 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与该表面的粗糙程度、氧化情况
以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 一般认为：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成为
Hale Waihona Puke 从附录查得，ts 100 C 时水和水蒸气的物性为：
c pl 4.220 kJ (kg K) l 958.4 kg m3
r 2257 kJ kg
v 0.594 kg m3
17
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沸腾传热系数计算
58.9 103 N m
l 0.2825 103 kg (m s)
代入式(*)得：
15
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沸腾传热系数计算
➢ 库珀（Cooper）公式：
h
Cq 0.67
M
0.5 r
prm
(
lg
pr
) 0.55
C 90W0.33 /(m0.66 K)
m 0.12 0.21lg Rp μm
式中：Mr 为液体的分子量； pr对比压力（液体的压力与其临界压力之比； Rp为表面粗糙度。
7.4沸腾传热解析
饱和水蒸汽在长2m，外径19mm的管外凝结， 如气压为0.074bar(绝对)，管壁平均温度为2 5℃，求将管横放和竖放时的平均凝结换热系 数及凝结液量。
本章作业
• 7-11、7-17、7-23
T
Tl
Ts
2Ts rv R
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
克拉贝隆方程
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
沸腾分类
饱和沸腾 大空间沸腾
过冷沸腾
管内沸腾 饱和沸腾 过冷沸腾
t ts t ts
基本概念
大空间沸腾：高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由 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 壁面附近的流体运动是由自然对流及气泡的生长和脱离导致的混 合而引起的
管内沸腾：因空间限制，蒸气和液体混合在一起，构 成汽液两相流
(1) 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。
(2) 机械加工方法。
一个平底紫铜锅的底部直径为0.3m，由电加热器维 持在118℃。计算使锅中的水沸腾所需的功率。蒸 发速率？临界热流密度？
q
l
r
g
l
v
1 2 C pl t
C
wl
r
Prl
s
3
863 k W
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 换热增强
Nucleate boiling
A
D
Transition boiling
7.4 沸腾传热的模式
7.4 沸腾传热的模式液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。
前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。
就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。
大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。
本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。
7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。
在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。
烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。
随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = t w - t s（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）：图7-14饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线(p = 1.013×105Pa)（1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。
（2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt > 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。
随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。
在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。
由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。
凝结与沸腾传热知识点总结
凝结与沸腾传热知识点总结一、凝结传热1. 基本概念凝结传热是指气体或蒸汽在与冷凝器或凝析器接触时，由于在高温高压下从气态转变为液态而释放出的潜热，使得冷却表面获得热量，达到热交换的目的。
凝结传热广泛应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统、核电站等领域。
2. 传热机理凝结传热的机理主要包括蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态的过程。
蒸汽接触冷却表面后，从气态开始逐渐降温，当温度降至饱和温度时，蒸汽开始冷凝成液态，同时向冷凝器表面释放潜热。
这一过程中，冷凝器表面得到了传热，达到冷却的效果。
3. 影响因素凝结传热的影响因素主要包括冷凝器表面的特性、冷却介质的流动情况、冷凝器的结构设计等。
其中，冷凝器表面的特性对传热性能影响较大，如表面粗糙度、表面材质等都会对凝结传热产生影响。
二、沸腾传热1. 基本概念沸腾传热是指在液体受热时，液体表面发生气泡并从表面蒸发的过程，通过气泡与液体间传热的方式，将热量传递给液体。
沸腾传热广泛应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
2. 传热机理沸腾传热的机理主要包括液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，同时气泡与液体之间发生传热。
气泡在液体中的形成、生长、脱离和再次形成的过程构成了沸腾传热的基本机理。
3. 影响因素沸腾传热的影响因素主要包括液体的性质、加热表面的特性、液体的流动情况等。
其中，液体的性质对沸腾传热产生较大影响，如液体的表面张力、黏度、温度等都会对沸腾传热产生影响。
三、凝结与沸腾传热的比较凝结传热与沸腾传热在传热机理、应用领域等方面存在显著差异。
凝结传热是气体或蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态，释放潜热的过程，适用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域。
而沸腾传热是液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，通过气泡与液体间传热的方式，适用于锅炉、蒸馏器等领域。
在传热特性上，沸腾传热的传热系数通常比凝结传热高，因此在某些情况下，沸腾传热更适于热交换。
此外，在应用领域上，凝结传热主要应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域，而沸腾传热主要应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。
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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
沸腾换热的情况液比较复杂，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 泛适用于各种液体的。 为此，书中分别推荐了两个计算式
（1）米海耶夫公式——水
对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4106 Pa
式中，
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容 g — 重力加速度
Nu r St Re Pr C pl t
Re q l r
g ( l v )
l —饱和液体的动力粘度
P rl
C pl l
Cwl — 取决于加热表面－液体
组合情况的实验常数(表7-1) q — 沸腾传热的热流密度 s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
E
B Natural convection Nucleate boiling Transition boiling Film boiling A D
管内沸腾换热
产生沸腾的条件
(1) 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， 而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心.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 化核心，如图所示。
一个平底紫铜锅的底部直径为0.3m，由电加热器维 持在118℃。计算使锅中的水沸腾所需的功率。蒸 发速率？临界热流密度？
g l v q l r
12
C pl t 2 863 kW / m s C r Pr l wl
l
2 大容器沸腾的临界热流密度
书中推荐使用如下经验公式：
qmax
24
12 rv
g ( l v )1 4
物性值由饱和温度 ts 决定外
3 大容器膜态沸腾的实验关联式
（1）横管的模态沸腾
gr v ( l h 0.62 v d (t w t s )
3 14 v )v
Gr
gtl
3
2
Nu C (Gr Pr)
n
因此，g Nu 换热加强。
5 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，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 沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的 手段： (1) 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。 (2) 机械加工方法。
沸腾传热
7.4 沸腾传热的模式 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
基本概念
定义：
a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态
的一种剧烈的汽化过程
b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁
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，牛顿冷却公式仍然适用
沸腾分类
大空间沸腾 s t t s
过冷沸腾
基本概念
大空间沸腾：高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由 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 壁面附近的流体运动是由自然对流及气泡的生长和脱离导致的混 合而引起的
管内沸腾：因空间限制，蒸气和液体混合在一起，构 成汽液两相流
h
43
43 hc
43 hr
hr
4 (Tw Ts4 )
Tw Ts
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，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。 1 不凝结气体 液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2 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， h (t w t f ) n ，因此，过冷会强化换热。
h 0.533q p
0.7
0.15
按
q ht
h 0.122t
2.33
p
0.5
（2）罗森诺公式——多种液体
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr ) 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：
St 1 Cwl Re 0.33 Prls
产生沸腾的条件
(2) 液体过热
dW ( pv pl )dV dA
4 3 2 dW 0, dV d R , dA d 4R 3 2 pv pl , pl ps pv pl R Tv Tl Ts
大容器沸腾换热计算式
1 大容器饱和核态沸腾
式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物 性均以平均温度 tm ＝( tw＋ts ) / 2 为定性温度，特 征长度为管子外径d, 如果加热表面为球面，则上式中的 系数0.62改为0.67
（2）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 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，从而减少了换 热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。 勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：
特点：沸腾状态随流向不断改变 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
C Departure from Nucleate boiling
t t w t s 0
3
液位高度
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(临界液位)时，表面传热 系数会明显地随液位的降低而 升高。
4 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