沸腾换热

②随着 t的上升，汽化核心增加，生成的汽泡
数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱， 称为相互影响区。
③随着 的t 增大， q 增大，当 增大t 到一定值时，
q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换 热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡状沸 腾）。
其特点：换热强度大，其终点的热流密度 q 达最 大值 。工业设计中应用该段。
稳定条件：热平衡 力平衡
热平衡 tl= tv tl < tv 汽泡向流体传热，汽泡中的汽要凝结缩小； tl > tv 液体向汽泡传热，汽泡中的汽要膨胀长大。
力平衡 取半个汽泡为控制体，受两个力
要使气泡长大，泡内压力需克服表面 张力对外做功，设气泡体积膨胀了dV, 相应的表面积增量为dA，则做功量
x
v y
0
l
(u
u x
v
u ) ydp dxl gl2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t y 2
下脚标 l 表示液相
考虑假定（3）液膜的惯性力忽略
l(uuxvuy)0
将动量方程应用于边界层外的蒸汽,并考虑假定 （7）忽略蒸汽密度，边界层外的压力变化更大
u
x
v y
0
dp dx
v
g
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
t t 2t
u
x
v
y
al
y 2
考虑假定（5） 膜内温度线性分布，即热量转
移只有导热
u
t x
v
t y
0
只有u 和 t 两个未知量，于是，上面得方程组 化简为：
l
g
l
2u y 2
0
a
l
2t y 2
0
边界条件：y0时，u0, t tw
y时，du 0,
度；8）液膜表面平整无波动
tw ts
g
根据以上 8 个假设从边界层微分方程组推出努 塞尔的简化方程组，从而保持对流换热理论的 统一性。同样的，凝结液膜的流动和换热符合 边界层的薄层性质。
以竖壁的膜状凝结为例： x 坐标为重力方向，如 图所示。
在稳态情况下，凝结液膜流动的微分方程组为 ：
u
表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个 换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡 沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：
qmax qmin
如图 6-11 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐 标）；纵坐标为热流密度（算术密度）。 从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区 段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换 热过程，其特性如下：
所以，在其它条件相同时，珠状凝结的表面传 热系数定大于膜状凝结的传热系数。
§ 7-2 膜状凝结分析解及关联式
1、纯净蒸汽层流膜状凝结分析解
假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性
力忽略；4）气液界面上无温差，即液膜温度等于
饱和温度；5）膜内温度线性分布，即热量转移只
有导热；6）液膜的过冷度忽略； 7）忽略蒸汽密
dW (pvpl)dV dA
气泡处于稳定的力平衡状态时
dW(=p v 0p l)d V d,V A 4 3 R 2,A 4 R 2
上式为气泡能存在的条件。要使气泡逐渐长大，则
(pv
pl
)
2
R
§7-5 沸腾换热计算式
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，即
qh(twts)ht
4 ）稳定膜态沸腾
从 qm开in 始，随着 的t上升，气泡生长速度与 跃离速度趋于平衡。此时，在加热面上形成稳定的 蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 t 上升时，热流密度 q 上升，此阶段称为稳定膜态 沸腾。
其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着 的t 加大而剧增，使热流密度大 大增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必 须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较 小的液膜。
(1) 汽泡的成长过程
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。
汽泡动力学简介：
1. 汽泡稳定存在条件：
设有一个容器，底面加热，上面压力ps 对应ts， 如中间有汽泡，其内压力pv，温度tv， 周围流体对应pl , tl 。
增h 大；反之使 减h小。
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
4. 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用下式代替
计算公式中的 ，r
rr0.68cp(tstw)
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。 前面推导的横管凝结换热的公式只适用于单根横管。
§6-4 沸腾换热现象
沸腾的定义：沸腾指液体吸热后在其内部产生汽泡 的汽化过程称为沸腾。
沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，所以沸 腾换热强度远大于无相变的换热。
沸腾换热分类： 1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾）
g
特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的
相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷
却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热
阻
tw ts
(2)珠状凝结
定义：凝结液体不能很好地湿润壁 面，凝结液体在壁面上形成一个个 小液珠的凝结形式，称珠状凝结。
tw ts
g
特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即 可传到冷却壁面上。
（1）适用于水的米海耶夫计算式
在 15 0~41压6 0P 力a下大容器饱和沸腾计算式：
hC1t2.33 p0.5
C 1 0 .1W 2(m 2 N 0 .5 K 3 .3)3
Re30
有波动层流
Rec 1800
湍流
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
3 湍流膜状凝结换热
实验证明： （ 1 ）膜层雷诺数 Re=1800 时，液膜由层流
定性温度：tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
(3) 修正：实验表明，由于液膜表面波动，凝结 换热得到强化，因此，实验值比上述得理论值高 20％左右
修正后：
hV 1.13lgl(rtsl2tl3w)1/4
（4）当是水平圆管及球表面上的层流膜状凝结时， 其平均表面传热系数为：
水平管： hH 0.729ldgr(tsl2tl3w)1/4
但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式
1 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 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 杂，导致了个计算公式分歧较大。目前存在两种 计算是： （ 1 ）针对一种液体的计算公式； （ 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；
1 ）单相自然对流段（液面汽化段）
壁面过热度小时（图中 t ℃4）沸腾尚未开始， 换热服从单相自然对流规律。
2 ）核态沸腾（饱和沸腾）
随着 t的上升，在加热面的一些特定点上开始 出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为 起始沸点。其特点是：
①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰， 称为孤立汽泡区；
hhl
xc l
ht
1xlc
式中：hl为层流段的传热系数；ht为紊流段的传热系数； xc为层流转变为紊流时转折点的高度 l为竖壁的总高度
利用上面思想，整理的实验关联式：
N uG a1/3
R e
1/4
58P rs1/2 P P r rw s (R e3/4253)9200
式中：Nuhl/;Gagl3 /2 。除 P r w 用壁温 t w
状凝结理论
1 、凝结换热现象
蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，将汽化 潜热释放给固体壁面，并在壁面上形成凝结液的 过程，称凝结换热现象。有两种凝结形式。
2 、凝结换热的分类
根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种
(1)膜状凝结
定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并
能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式，
称膜状凝结。
dy
t ts
求解上面方程可得：
(1) 液膜厚度
4llg(tsl2rtw
)x1/
4
定性温度：
tm
ts
tw 2
注意：r 按 ts 确定
(2) 局部表面传热系数
hx
4lg(rts l2tlw 3
1/ )x
4
整个竖壁的平均表面传热系数
(ttstwC)
hV1 l 0 lhxdx0.943 lg l(rtsl2 tl3 w) 1/4
上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心
1 大容器饱和沸腾曲线
（1）大容器沸腾 定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中 所发生的沸腾称为大容器沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面 进入容器空间。
球：
hS 0.826ldgr(tsl2lt3w)1/4
横管与竖管的对流换热系数之比：
hH
0.77
l
1 4
hV