沸腾换热 ppt课件
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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。
沸腾传热过程PPT课件
21
第21页/共28页
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
第17页/共28页
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。
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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
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比例，而自然对流时，h ~ t 4 , t ~ (t w tf )4 , 因而过冷
如：烧开水
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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
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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。
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
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PPT
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
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
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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
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
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）：
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2
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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
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Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
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33％ 100％
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（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。
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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 ：
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
精品课件-凝结与沸腾换热原理
7. 凝结表面的几何形状
• 强化凝结换热的原则是尽量减薄粘滞在换热表面 上的液膜的厚度。
• 可用各种带有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜拉 薄，或者使已凝结的液体尽快从换热表面上排泄 掉。
§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。
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：温压小，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。
dp 0 dx
u
x
v y
0
l (u
u x
v
u y
)
dp dx
l g
l
2u y 2
u
t x
v
t y
al
2t 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 v t 0 x y
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
al
2t y 2
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
x
v y
0
l (u
沸腾换热 ppt课件
ppt课件
33
热管的工作特点：
（1）传热能力强：一根钢－水热管 的传热能力大致相当于同样尺寸紫铜 棒导热能力的1500倍；
（2）传热温差小；
（3）结构简单、工作可靠、传输距 离长；
（4）热流密度可调（通过改变加热 段和放热段的长度或加装肋片）；
（5）采用不同的工质可适用不同的 温度范围（－200～2200度）
h C1t 2.33 p0.5 C1 0.122 W /(m N0.5 K3.33 )
t tw ts 为过热度，p为绝对压力。 q ht t q h
h C2q0.7 p0.15
C2 0.533W0.3 /(m0.3 N0.15 K)
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21
（2）罗森诺公式：
c pl Δt rPrls
Cwl
q
l r
0.33
g(l
v
)
q
lr
g(l
v ) 1/ 2
c pl Δt Cwl rPrls
3
l 为饱和液体的动力粘度（Pas）；
r 为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kg）；
a) 最小的气泡在壁面上；即：壁面上的凹缝，空隙等是 生成气泡核的最好地点。
b) Δt=tw-ts
R
气泡量增多 h
c) p 、Ts 、 r Rmin 气泡核增多
h
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7-5 大容器沸腾传热实验关联式 7.5.1.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压力下大容器饱和 沸腾）：
气泡受到两种力作用： 表面张力σ、压强 p 表面张力σ使气泡表面积缩小 要使气泡长大，气泡内压力需 克服表面张力对外做功
《沸腾》PPT-完美版
•
（2）学生找句子，交流体会方法。
•
（3）教师归纳总结体会含义深刻的句 子方法 ：
•
联系上下文；联系生活实际；结合时 代背景 ；展开 丰富联 想。… …
•
师：希望同学们在以后的学习过程中 ，继续 运用我 们总结 的这些 体会句 子的方 法去学 习课文 ，一定 会有更 多的收 获。
•
日积月累
•
过渡：鲁迅先生的文章无疑是人类文 化宝库 中的一 笔财富 ，这节 课我们 一起细 细品读 鲁迅先 生文章 中的脍 炙人口 、发人 深省的 名言警 句。
3．酒精灯里装着酒精，酒精很容易燃烧，所以使用时要按要求去做，以免发生危
险。（ ）
4．通过水的蒸发和沸腾现象可以看出，水的形态不是固定不变的，它可以发生变
化。（ ）
三、科学探究：
把一壶凉水放在火炉上，不一会儿，水壶里就发出了一种唱歌似的声音，等水壶不
唱歌了，水就要开了。水壶里的歌声是从哪里来的呢？答：水壶里的歌声自水泡的破裂。
在地面上，任何物体受到的压强都是一个大气压。从地面往下走， 越深气压越大，水的沸点越高。深度平均每增加1千米，水的沸点就 要提高37℃。反之，水的沸腾温度则会降低。高山上不易把饭煮熟， 就是因为那里的气压低，水不到100 ℃就沸腾了。如果你在珠穆朗玛 峰的峰顶烧水，烧到72 ℃左右，水就会沸腾。
一、我来填一填：
•
（4）汇报交流，师生评议。
•
（5）教师小结。阅读了鲁迅先生的文 章，认 识了鲁 迅这位 伟大的 文学家 、思想 家和革 命家， 希望同 学们能 从他的 身上汲 取力量 ，超越 自我。
•
2、交流体会含义深刻的句子。
•
（ 1）学生读教材中的内容，谈理解 。
传热学《沸腾换热现象》PPT课件-10分钟试讲课件
4 ）稳定膜态沸腾
从 qmin 开始，随着 t 的上升， 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。
情况说明：
（ 1 ）峰值 qmax ，称为临界热流密度，亦称烧毁点。 对于依靠控制热流密度的设备如点加热器、核 反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿虚 线调至稳态膜态沸腾，温差将猛的突升1000℃，
研究表明：壁面上狭缝、凹坑、细缝等最有可能成为气化核心， 因为相比于平直面上的液体，这些地方的液体更容易受到加热的 影响，且狭缝更容易残留气体。
本章小结：
(1) 沸腾换热定义及分类 (2) 大容器饱和沸腾曲线 (3) 汽化核心形成
③随着 t 的增大， q 增大，当 t 增 大到一定值时， 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：温压小，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。
3）过渡沸腾
从峰值点进一步提高 t ，热流密度 q 减小；当 增大到一定值时，热流密度 减小到 qmin ，这一阶段称为过渡沸腾。该 区段的特点是属于不稳定过程。 原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加 热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面 上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程 恶化，致使 q m 下降。
不同的阶段：自然对流、核态沸
腾、过渡沸腾、稳定膜态沸腾， 如图所示：
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： 1）自然对流段（液面汽化段）
壁面过热度小时（图中 t 4 ℃）
最新3.3-沸腾传热PPT课件
DNB的含义是偏离泡核沸腾 (Departure from Nucleate Boiling)，它表示由泡核沸腾 （欠热泡核沸腾或低含汽率饱和 泡核沸腾）直接进入稳定膜态沸 腾的转变。
在DNB之前是欠热泡核沸腾或饱 和泡核沸腾,在DNB之后时反环状 流(膜态沸腾工况)
核态沸腾传热
q
当液体温度远小于 ts时，在ONB上没 有明显可见的气泡, 只有热的液体从过 热边界层流到冷的 液体中去
对于：ts
qG4cpzD1htf
,in
令：tstf,intsub in
则得：
tsub in
4z 1 q
GcpD h
凡满足上式的都落入图中A区，在这个区域内不会产生任何气泡
随着距离z的增加，斜率减小；而质量流密度G、通道直径D或换热系数的增 加，斜率则增大
通常q，Δ
始点
t
sub
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
如图，当加热面的温度小于流 体在该特定位置的饱和温度，
即 tw ts 时，是不会产生沸
腾的，显然产生沸腾的下限为
：
ts tw
∵
tw
tf
z
q h
tf (z) G4czpqDtf ,in
∴
ts
qG4cpzD1htf
,in
过冷沸腾中壁面温度和液体温度的分布
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
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
在DNB之前是欠热泡核沸腾或饱 和泡核沸腾,在DNB之后时反环状 流(膜态沸腾工况)
核态沸腾传热
q
当液体温度远小于 ts时，在ONB上没 有明显可见的气泡, 只有热的液体从过 热边界层流到冷的 液体中去
对于：ts
qG4cpzD1htf
,in
令：tstf,intsub in
则得：
tsub in
4z 1 q
GcpD h
凡满足上式的都落入图中A区，在这个区域内不会产生任何气泡
随着距离z的增加，斜率减小；而质量流密度G、通道直径D或换热系数的增 加，斜率则增大
通常q，Δ
始点
t
sub
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
如图，当加热面的温度小于流 体在该特定位置的饱和温度，
即 tw ts 时，是不会产生沸
腾的，显然产生沸腾的下限为
：
ts tw
∵
tw
tf
z
q h
tf (z) G4czpqDtf ,in
∴
ts
qG4cpzD1htf
,in
过冷沸腾中壁面温度和液体温度的分布
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
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
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
热工学基础：沸腾换热
工程实际中一般总是设法控制在泡态沸腾区内操作，沸腾温差t 要严格
控制在临界点以下。
临界点C
临界温差tc 临界热流密度qc
3. 管内沸腾换热过程
液体一方面在加热面上沸腾，一方面又以一定的速度流过加热面，受空间的限制，使 沸腾产生的气体和液体混合在一起，构成汽液两相的混合物。
管内沸腾换热涉及到管 内的两相流动的问题
管内沸腾换热在工程应用较为广泛，如管式蒸发器和水管锅炉等。
竖直管内沸腾换热
水平管内沸腾换热
管内沸腾换热
(块状流 雾状流
泡状流 环状流 单相流
换热类型
对流换热 泡态沸腾 湿蒸汽换热
过冷沸腾 液体对流沸腾 过热蒸汽换热
管内沸腾换热
(2) 水平管内沸腾换热
水平管内的沸腾换热情形与流速有关。
➢ AB 段，常压下t＜5℃，q、h 随t 缓慢增加。 ➢ q 较低，即使壁面上产生了汽泡也不能脱离上浮。其换热过程符合无相变的对流换热规律。
大容器沸腾换热
② 泡态沸腾
➢ BC 段，t5～25℃，有大量汽泡在壁面上迅速生长和激烈运动，强烈扰动周围液体， 使h 和q 都显著增大，且h 达到峰值；
➢ BC 段的沸腾换热主要取决于汽泡的生成和运动 。
③ 膜态沸腾
➢ C点以后，t＞25℃，
不稳定膜态沸腾 稳定膜态沸腾
大容器沸腾换热
不稳定膜态沸腾区
➢ CD 段，大量汽泡在壁面汇合在一起形成一层不稳定的汽膜，汽膜的附加热阻使得h和q
都急剧下降。
稳定膜态沸腾
➢ DE 段 ，壁面全部被一层稳定的汽膜所覆盖，这时汽化只能在膜的汽液交界上进行，以 后h 随t 的增加基本不变，而q又开始随t 的增加而上升。
管内沸腾换热受管子的放置（垂直、水平或倾斜）、管长与管径、壁面状况、气液比、液体 初参数、流速、流量等多方面因素影响，比大容器沸腾换热复杂得多。
沸腾换热与热管汇总课件
沸腾换热是一种高效的传热方式，可以在高温、高压、腐蚀等恶劣环境下工作，因 此对其研究具有重要的实际意义和应用价值。
通过研究沸腾换热的规律和机理，可以更好地了解其传热机制和影响因素，为优化 传热过程和提高能源利用效率提供理论支持和技术指导。
在能源、动力、化工、航空航天等领域，沸腾换热都发挥着重要的作用，因此对其 研究也可以促进相关领域的发展和进步。
在电子器件的冷却中，热管可以快速导出器 件产生的热量，防止器件过热而损坏。同时 ，沸腾换热技术在其中起到了关键作用。
微通道热管在芯片冷却中 的应用
微通道热管具有较高的传热性能，适用于高 功率芯片的冷却。通过将微通道热管与沸腾 换热技术结合，可以更有效地导出芯片产生
的热量。
沸腾换热与热管在环保领域的应用及前景
沸腾换热在核能发电中的运用
在核反应堆中，沸腾的水可以作为介质吸收并导 出一部分核能，这部分能量再通过热管导出，进 而推动蒸汽轮机发电。
热管技术在地热能利用中的结合
地热能是一种清洁的能源，通过热管技术，可以 将地热井中的热能导出，用于区域供暖或者工业 用热。
沸腾换热与热管在电子器件冷却中的应用案例
电子器件的热管冷却
电子芯片冷却
在电子设备中，芯片会产生大量的热量，这些热量需要通过热管等散热装置迅速传递出去 ，以保持芯片的正常工作。此时，沸腾的液体被用来将芯片产生的热量传递到散热装置中 。
工业余热回收
在许多工业过程中，会产生大量的余热，这些热量可以通过沸腾换热等手段进行回收和再 利用，提高能源利用效率。
沸腾换热的研究意义
VS
在工业界的推广价值
沸腾换热和热管技术适用于各种工业领域 ，如能源、动力、化工等，能够提高设备 的能源利用效率和可靠性，具有巨大的推 广价值和应用前景。
通过研究沸腾换热的规律和机理，可以更好地了解其传热机制和影响因素，为优化 传热过程和提高能源利用效率提供理论支持和技术指导。
在能源、动力、化工、航空航天等领域，沸腾换热都发挥着重要的作用，因此对其 研究也可以促进相关领域的发展和进步。
在电子器件的冷却中，热管可以快速导出器 件产生的热量，防止器件过热而损坏。同时 ，沸腾换热技术在其中起到了关键作用。
微通道热管在芯片冷却中 的应用
微通道热管具有较高的传热性能，适用于高 功率芯片的冷却。通过将微通道热管与沸腾 换热技术结合，可以更有效地导出芯片产生
的热量。
沸腾换热与热管在环保领域的应用及前景
沸腾换热在核能发电中的运用
在核反应堆中，沸腾的水可以作为介质吸收并导 出一部分核能，这部分能量再通过热管导出，进 而推动蒸汽轮机发电。
热管技术在地热能利用中的结合
地热能是一种清洁的能源，通过热管技术，可以 将地热井中的热能导出，用于区域供暖或者工业 用热。
沸腾换热与热管在电子器件冷却中的应用案例
电子器件的热管冷却
电子芯片冷却
在电子设备中，芯片会产生大量的热量，这些热量需要通过热管等散热装置迅速传递出去 ，以保持芯片的正常工作。此时，沸腾的液体被用来将芯片产生的热量传递到散热装置中 。
工业余热回收
在许多工业过程中，会产生大量的余热，这些热量可以通过沸腾换热等手段进行回收和再 利用，提高能源利用效率。
沸腾换热的研究意义
VS
在工业界的推广价值
沸腾换热和热管技术适用于各种工业领域 ，如能源、动力、化工等，能够提高设备 的能源利用效率和可靠性，具有巨大的推 广价值和应用前景。
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（2）罗森诺公式：
c pl Δt rPrls
Cwl
q
l r
0.33
g(l
v
)
q
lr
g(l
v ) 1/ 2
c pl Δt Cwl rPrls
3
l 为饱和液体的动力粘度（Pas）；
r 为沸腾液体的汽化潜热（kJ/kg）；
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23
33％ 100％
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24
沸腾曲线：沸腾时热流通量（热流密度）q随沸腾温差变 化的关系曲线
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6
ppt课件
7
大容器饱和沸腾的特点：加热表面上有汽泡生成，随着汽泡 长大和脱离壁面，容器内的液体受到剧烈扰动，换热强度很高。
饱和沸腾曲线:
qw~t
4个阶段： （1）自然对流 （2）核态沸腾A~C （3）过渡沸腾C~D
（4）膜态沸腾D～
气泡受到两种力作用： 表面张力σ、压强 p 表面张力σ使气泡表面积缩小 要使气泡长大，气泡内压力需 克服表面张力对外做功
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13
假设：气泡体积膨胀了微元体积dV， 相应地表面积增加了dA. 作功量为：
dW ( pv pl )dV dA
当气泡处于平衡状态时：
dW 0
( pv pl )dV dA
2
pv pl R
pv pl
与pl相对应的是饱和温度为ts：tv>ts
tw >tl >tv >ts
tl >ts 气泡存在和长大的动力条件是液体的过热度
气泡膨胀长大，受到的浮升力也增加；当浮升力大于气泡与 壁面的附着力时，气泡就脱离壁面升入液体，附着力与液体 对壁面的湿润能力有关。
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（2）气泡被加热的途径
热量一方面由壁面与 气泡直接接触的表面 传给气泡；另一方面 热由壁面传给液体， 再由液体传到气泡表 面
气泡内饱和蒸汽压力pv相对应的饱和温度为tv；为使气泡长大， 气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度tl大于或至少等 于tv（tl≥tv）
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气泡内饱和蒸汽压力pv相对应的饱和温度为tv；为使气泡长 大，气泡壁须不断蒸发，所以气泡壁周围的液体温度tl大于 或至少等于tv（tl≥tv）
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4
过冷沸腾：液体主体温度低于ts，而壁面温度 tw> ts 即： tw> ts >tf
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5
一、大空间沸腾换热（Pool boiling） 1、饱和沸腾过程与沸腾曲线
Nukiyama (拔三四郎) 1934年 镍铬合金丝
熔点：
1500K 铂(白金)丝 熔点：
2045K
沸腾温差：饱和沸腾时△t=tw-ts
C
E
B
A
D
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8
核态沸腾
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9
过渡沸腾
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10
膜态沸腾
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11
沸腾危机:
（DNB: departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点， 安全警界点
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7.4.3 汽泡动力学简介
汽化核心：加热表面上能产生汽泡的地点。 （1）气泡得以存在的力学条件
球形气泡： V 4 R3, A 4 R2
3
( pv pl )4 R2dR 8 RdR
pv
pl
2
R
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14
气泡能够存在而不消失的条件：
pv
p用力大于表面张力，气泡就能继续长大
pv
pl
2
R
( pv pl ) R2 2 R
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）：
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2
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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
a) 最小的气泡在壁面上；即：壁面上的凹缝，空隙等是 生成气泡核的最好地点。
b) Δt=tw-ts
R
气泡量增多 h
c) p 、Ts 、 r Rmin 气泡核增多
h
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7-5 大容器沸腾传热实验关联式 7.5.1.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压力下大容器饱和 沸腾）：
为液体与饱和蒸气界面上的表面张力（N/m）； l、v 分别为饱和液与饱和蒸气的密度（kg/m3）；
cpl 为饱和液体的比定压热容（J/kgK）； t 为壁面的过热度，即沸腾温差（℃）； s 为经验指数，对水s=1，对其它液体，s=1.7；
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Cwl 为根据加热面与液体种类选取的经验常数；
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
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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
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气泡难于脱离壁；传热量低
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（3）气泡的生长点及最小气泡半径
气泡能够存在不消失并继续长大的力学条件：
pv
pl
2
R
半径R越小的气泡需要较大的压强差
R 0 pv pl
利用克劳修斯-克拉贝龙方程，可得出：
T
T
l Ts
2Ts r v R
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加热壁面上总是存在各种伤 痕、裂缝和加工的痕迹。这 些地点中容易残留气体，这 种残留气体就自然成为产生 气泡的核心。所以，增加表 面上狭缝、空穴与凹坑成为 工程中开发强化传热的基本 目标。
h C1t 2.33 p0.5 C1 0.122 W /(m N0.5 K3.33 )
t tw ts 为过热度，p为绝对压力。 q ht t q h
h C2q0.7 p0.15
C2 0.533W0.3 /(m0.3 N0.15 K)
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