沸腾传热过程

C = 90W 0.33 /( m 0.66 ⋅ K )
17
沸腾传热系数计算
的绝对压力下， 例1 在1.013×105Pa的绝对压力下，水在 w=113.9℃的 × 的绝对压力下 水在t ℃ 铂质加热面上作大容器内沸腾， 铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽 化率。 化率。 壁面过热度△ 从图6-6知处于核态 解： 壁面过热度△t=113.9-100 ℃，从图 知处于核态 沸腾区，因而可按式(6–18)求取 q 。 沸腾区，因而可按式 求取 从附表查得：对于水 铂组合 铂组合： 从附表查得：对于水-铂组合：C wl = 0.013 从附录查得， 时水和水蒸气的物性为： 从附录查得，t s = 100°C 时水和水蒸气的物性为：
St −1 = C wl ⋅ Re 0.33 ⋅ Prls
St = Nu r = Re⋅ Pr C pl ⋅ ∆t
式中， 汽化潜热； 式中，r — 汽化潜热； 饱和液体的比定压热容； Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度； 重力加速度； 饱和液体的动力粘度； ηl —饱和液体的动力粘度； 饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体组合 取决于加热表面－ 情况的经验常数； 情况的经验常数； q — 沸腾传热的热流密度； 沸腾传热的热流密度； s — 经验指数，水s = 1,否则 经验指数， 否则s=1.7。 否则 。
C
D F
A B
E

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沸腾传热机理 管内沸腾传热：
竖直管内强制对流沸腾： 流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽 换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
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c pl = 4.220 kJ (kg⋅ K)
r = 2257kJ kg
ρl = 958.4 kg m3 ρ v = 0.594 kg m3
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沸腾传热系数计算
γ = 58.9 × 10−3 N m
Pr l = 1.75
η l = 0.2825 × 10 −3 kg (m ⋅ s)
代入式(*)得 代入式 得：
q = 0.0002825 × 2257 × 103 × [ ( 4220 × 13.9 0.013 × 2257 × 103 × 1.75 9.8 × (958.4 − 0.594) 1 2 ] × 0.0589
)3 = 3.79 × 105 W m 2
单位加热面的汽化率为： 单位加热面的汽化率为：
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Re =
q ηl r
g (ρl − ρv )
σ
Pr l =
C pl η l
λl
沸腾传热系数计算
取决于加热表面－液体组合情况的经验常数C 表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数 wl
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沸腾传热系数计算 该式还可以改写成以下便于计算的形式
上式可以改写为： 上式可以改写为：
g (ρl − ρv ) q = ηl r σ
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C pl ∆t C r Pr s l wl
3
（*） ）
可见， 因此， q 可见， ~ ∆t 3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到 与实验值的偏差高达± ％，但已知q计算 ％，但已知 的q与实验值的偏差高达±100％，但已知 计算 ∆t 时， 与实验值的偏差高达 则可以将偏差缩小到± ％。 ％。这一点在辐射换热种更为 则可以将偏差缩小到±33％。这一点在辐射换热种更为 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。
5
沸腾传热机理
气泡生成的必要条件： 液体必须过热， 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 ； 和温度 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与该表面的粗糙程度、 传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度、氧化情 粗糙程度 以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 材质等诸多因素有关 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 裂穴最可能成 凹缝或 一般认为 ： 粗糙表面上微细的凹缝 或裂穴最可能成 为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里 为汽化核心， 在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽， 就成为孕育新生汽泡的胚胎。 就成为孕育新生汽泡的胚胎。
3
沸腾传热过程简介 沸腾传热分类：
按流动动力分： 大容器(或池 沸腾 大容器 或池)沸腾 或池 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。 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(Forced convection boiling) 强制对流沸腾 ——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， 液体在外力的作用下 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， 汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形 成汽—液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。 成汽—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， 工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。 冰箱的蒸发器。
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
沸腾传热过程
周帼彦 副教授 2011-102011-10-18
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提 纲
1 2 3 4 5 沸腾传热过程简介 沸腾传热机理 沸腾传热系数计算 影响沸腾传热的主要因素 沸腾传热过程强化

2
沸腾传热过程简介 沸腾传热：
物质由液态变为气态时发生的换热 与冷凝是相反过程 沸腾比凝结复杂得多 主要特征： 液体内部有气泡产生。 液体内部有气泡产生。 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。 汽化核心： 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 上产生，这些点称为汽化核心 汽化核心。 缝上产生，这些点称为汽化核心。
q 3.79 × 105 = = 0.168 kg ( m 2 ⋅ s) r 2257 × 103
C
D F
A B
E

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沸腾传热机理
D过度沸腾区 Transition boiling 过度沸腾区 过度沸腾 regime 汽泡迅速形成， 汽泡迅速形成，许多汽泡连成 一片，在壁面上形成一层汽膜， 一片，在壁面上形成一层汽膜，汽 膜的导热系数低。 膜的导热系数低。 E,F稳定膜态沸腾区 Stable film 稳定膜态沸腾区 稳定膜态沸腾 boiling regime 汽泡的产生和脱离速度几乎不 在壁面上形成稳定的汽膜。 变，在壁面上形成稳定的汽膜。 E 区：辐射比例小 F区：辐射所占比例越来越大 区
h = 0.5335q 0.7 p 0.15
罗诺森公式： 基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流 换热的设想。 换热的设想。
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沸腾传热系数计算
罗森诺基于St 罗森诺基于 = f ( Re, Pr )也应该适用于沸腾换热的理 也应该适用于沸腾换热的理 通过大量实验得出了如下实验关联式： 念，通过大量实验得出了如下实验关联式：
chemech.ecusห้องสมุดไป่ตู้ 7
沸腾传热机理 大容器饱和沸腾曲线：
A 然对流区 然对流区pure convection ∆t<4℃ ℃ 过热液体对流到自由液 面后蒸发 B,C核态沸腾区Nucleate boiling 核态沸腾区 核态沸腾 B 孤立汽泡区： 孤立汽泡区： 汽泡彼此不干扰， 汽泡彼此不干扰， 对液体扰动大， 对液体扰动大， 换热强 C 汽块区： 汽块区： 扰动更强q上升 扰动更强 上升
沸腾传热机理
水平管内强制对流沸腾：
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沸腾传热机理 管内沸腾传热：
无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。 无相变：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， 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处 过冷沸腾。 于过冷状态，称为过冷沸腾 于过冷状态，称为过冷沸腾。 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。 形成泡状流 块状流(汽泡汇合成块 泡状流和 汽泡汇合成块)， 形成泡状流和块状流 汽泡汇合成块 ，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，称为环 一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环 状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失， 状流。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：对湿蒸汽继续加热， 单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相 传热区。 传热区。
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沸腾传热系数计算
库珀（Cooper）公式：
h = Cq 0.67 M r−0.5 p rm (− lg p r ) −0.55
m = 0.12 − 0.21 lg{Rp } µm
式中： 为液体的分子量； 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； 对比压力（液体的压力与其临界压力之比； Rp为表面粗糙度。 为表面粗糙度。
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沸腾传热机理
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、 的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化， 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。 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。 沸腾给热时，由于气泡的生成和脱离， 沸腾给热时，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，α 沸腾 >> α 无相变 沸腾曲线： 液体主体达到饱和温度t 随壁面过热度⊿ 液体主体达到饱和温度 s，随壁面过热度⊿t=tw-ts的 增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。 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q与壁面过热度 的变化关 与壁面过热度⊿ 气压力下沸腾传热热流密度 与壁面过热度⊿t的变化关 沸腾曲线。 称为沸腾曲线 系，称为沸腾曲线。