传热学7.2 沸腾传热
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传热学7-2
热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导 热性能的传热元件。
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
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
64-传热学-7-2
ρv
)
⎤1 ⎥⎦
2
⎡ ⎢ ⎢⎣
c p,l (tw Cw,l r
− ts Prls
)
⎤3 ⎥ ⎥⎦
s=1.0(水)；s=1.7(其他液体); C w ,l—实验确定的常数
3) 临界热流密度的计算式：
Zuber N.（朱泊）- Kutateladze关联式：
[ ] qmax
=
π
24
rρ
1 v
2
gσ (ρl
气泡存在和长大的动力条件是液体
的过热度
tl ≥ tv > ts
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
气泡难于脱离壁；传热量低
（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
)
≥
2σ
⎜⎛ ⎝
dp dT
⎟⎞ ⎠s
=
rρv ρl
Ts (ρl − ρv )
r — 饱和温度下 的汽化潜热
ρv、ρl —气泡内蒸汽和沸腾液体的密度，kg/m3
当沸腾远离临界点时： ρv << ρl
⎜⎛ dp ⎟⎞ ≈ rρv
⎝ dT ⎠s Ts
rρv = pv − pl
Ts tv − ts
⎜⎛ dp ⎟⎞ ≈ rρv
where ∆t is a dependent variable
He also believed that by using a heating process
permitting the independent control of ∆t , the missing
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。
《传热学》第7章-凝结与沸腾换热
补充例题3
v 思路： 膜态沸腾换热套用公式计算即可。
稳定的膜态沸腾时，金属丝的电流的发热量 一部分通过沸腾换热传给了水，其余部分则 使金属丝的内能增加（温度升高），这是一 个能量平衡。
补充例题3
v 解：膜态沸腾换热系数的计算套教材中的公式，略 去。结果为： h=236.70 W/(m2.℃)
每米长金属丝的传热量为:
理论解的修正
h
=
0.943
gγρ
µH (ts
2λ3 − tw
1/ 4
)
实验证实： Re < 20
时，实验结果与理论解相吻合
Re > 20 时，实验结果比理论解高20%
所以在工程计算时将该式的系数加大20%
h
=
1.13
gγρ 2λ3
µl(ts − tw
)
1/
4
定性温度
tm
传热学
第7章 凝结与沸腾换热 Condensation and boiling
简介
蒸气被冷却凝结成液体的换热过程称为凝结换热； 液体被加热沸腾变成蒸气的换热过程称为沸腾换热
——有相变的对流换热
一般情况下，凝结和沸腾换热的表面传热系数要比单相 流体的对流换热高出几倍甚至几十倍。
7-1 凝结换热现象
膜状凝结换热 的主要阻力
=
1 2
(ts
+
tw
)
其他
单根水平圆管外壁面上的层流膜状凝结换热平均表面传热系数
h=
( ) 紊流膜状凝结换热
0.729
gγρ µd ts
2λ3 − tw
1/ 4
( ) 整个垂直壁面的平均表面传热系数
传热学课件第七章 凝结与沸腾换热
第一节
二、膜状凝结换热
凝
结
换
热
1.层流膜状凝结换热的理论解（纯净蒸汽在竖壁的膜状凝结） 3>.实用关系式 上式结果与实验相较，实验h值比上式计算值高20%左右，故 在实际使用时，将系数0.943修改成1.13。 对于水平放臵的圆管外壁的凝结换热，若以外径d定型， 1 其h为： 2 g3r 4 h 0.725 d t t s w 上列各表中定性温度均为：tm=（ts+tw）/2 对于竖放管外壁凝结换热，其计算可用竖壁公式计算，此 时定型尺寸为管长l，故只要管子不是很短，横放时管外凝结 表面的换热系数将高于竖放，如当l/d=50时，h横>2h竖，故冷 凝设计多用横管。
第二节
沸
腾
换
热
三、管内沸腾（有限空间沸腾）换热简介
换热一般经历： 单相流体对流换热→过冷沸腾→泡态沸腾→液膜对流沸腾 →单相换热（湿蒸汽换热→ 过热蒸汽换热）
流动一般经历： 液相单相流→泡状流→块状流→环状流→气相单相流。
第三节
热
管
力管注 式壳入 热 热、工 管 管管作 就 利芯液 是 用和体 将 重工后 通 力作密 的 场介封 金 回质的 属 流三管 管 ，部子 子 不分。 抽 设组通 成 管成常 真 芯。是 空 。重由 ， 热 管 的 构 造 和 简 单 原 理
第二节
一、沸腾分类
沸
腾
换
热
大空间沸腾：指加热壁面被沉浸在无宏观流速的液体表面 （自由表面）下所发生的沸腾。 有限空间沸腾（管内沸腾、受迫对流沸腾等）：液体在压 差作用下以一定的速度流过加热管（或其它形状通道）内部 时，在管内表面上发生的沸腾。 另根据液温与壁温的关系可分为： 过冷沸腾：通常tw>ts，而tl<ts，目前研究不充分。 饱和沸腾：tw>ts，且tl>ts，从壁面产生的气泡不再被凝结。 通常有三种基本的沸腾状态： ①自然对流沸腾：只有少量气泡产生； ②泡态沸腾（核沸腾）：大量产生气泡； ③膜态沸腾：壁与液体间产生气体隔膜。
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）。
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
传热-第7章-2
School of Energy and Power Engineering － NCEPU
主讲：魏高升
（3）不凝结气体：强化传热 （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。 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。
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主讲：魏高升
（5）振荡流热管（脉动热管）；
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主讲：魏高升
第7章 小结
（1）表面凝结的两种基本形态膜状凝结和珠状凝 结的特点和形成条件； （2）努塞尔关于竖壁膜状凝结换热的理论分析方法；
（3）影响膜状凝结换热的主要因素 ；
主讲：魏高升
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主讲：魏高升
强迫对流沸腾简介 外力驱动下流体在宏观定向 运动过程中发生的沸腾现象。如 电站直流锅炉水冷壁管和制冷系 统蒸发器管中的沸腾。 强迫对流沸腾过程中始终 伴随有汽液两相流动。
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为表面张力。
汽泡的 pl 2
pv pl ps pv tv ps ts
2 R pv pl
t v ts
tv ts 称为过热度
从传热角度分析，应该 tl t v ，即液体是过热的。
过热度越大，能够生存的汽泡半径越小。加热壁面处 的过热度最大，所以该处的汽泡最容易生存。
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（3）不凝结气体：强化传热 （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。 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。
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（5）振荡流热管（脉动热管）；
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第7章 小结
（1）表面凝结的两种基本形态膜状凝结和珠状凝 结的特点和形成条件； （2）努塞尔关于竖壁膜状凝结换热的理论分析方法；
（3）影响膜状凝结换热的主要因素 ；
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强迫对流沸腾简介 外力驱动下流体在宏观定向 运动过程中发生的沸腾现象。如 电站直流锅炉水冷壁管和制冷系 统蒸发器管中的沸腾。 强迫对流沸腾过程中始终 伴随有汽液两相流动。
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为表面张力。
汽泡的 pl 2
pv pl ps pv tv ps ts
2 R pv pl
t v ts
tv ts 称为过热度
从传热角度分析，应该 tl t v ，即液体是过热的。
过热度越大，能够生存的汽泡半径越小。加热壁面处 的过热度最大，所以该处的汽泡最容易生存。
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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
9
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
10
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。
沸腾传热过程
Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度；
l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
14
沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
汽泡的产生和脱离速度几乎不 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
CDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
AB
E
9
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
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
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。
16
沸腾传热系数计算
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 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化
l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
14
沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
汽泡的产生和脱离速度几乎不 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
CDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
AB
E
9
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
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
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。
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沸腾传热系数计算
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 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化
(完整版)《传热学》第7章_相变对流传热
13
第7章 相变对流传热
3. 管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结
液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成 环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。
4. 蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸
16
第7章 相变对流传热
家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和 三维的微肋管。 低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提 高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微 肋管可以提高2-3倍。 及时排液的技术： 两种加快及时排液的方法： 第一：在凝液下流的过程中分段排泄，有效地控制了液 膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作 用。主要用于立式冷凝器。 第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不 水平管束上的冷凝液体不会集聚到其下的其它 管束上。主要用于卧式冷凝器。
的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈
线性分布，利用r`代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。
r r 0.68cp tr tw
上式也可以表示为：
r r1 0.68 Ja
其中，Ja是雅各布数，定义为
竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数可以表示为：
h hl
xc l
ht
1
xc l
hl，ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数， xc是流态转折点的高度，l为壁面的总高度
整个壁面的平均表面传热系数可以通过以下实验关联式计算：
Nu Ga1/3 58 Prw1/ 2
Prw/ Prs
Re 1/ 4 Re 3/ 4 253
第7章 相变对流传热
3. 管内凝结 管内凝结传热情况与蒸气流速有很大关系:当蒸气流速较低时,凝结
液主要聚集在管子底部,蒸气在管子上半部；当蒸气流速比较高时,形成 环状流动,中间蒸气四周凝结液,随着流动进行,凝结液占据整个截面。
4. 蒸气流速 努塞尔理论分析忽略了流速的影响，只适于流速较低的场合。当蒸
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第7章 相变对流传热
家用空调的冷凝器中已成功应用了二维和 三维的微肋管。 低肋管凝结传热的表面传热系数比光管提 高2-4倍，锯齿管可以提高一个数量级，微 肋管可以提高2-3倍。 及时排液的技术： 两种加快及时排液的方法： 第一：在凝液下流的过程中分段排泄，有效地控制了液 膜的厚度，管表面的沟槽又可以起到减薄液膜厚度的作 用。主要用于立式冷凝器。 第二：右图中的泄流板可以使布置在该板上不 水平管束上的冷凝液体不会集聚到其下的其它 管束上。主要用于卧式冷凝器。
的潜热改为过热蒸气与饱和液的焓差即可。 6. 液膜过冷度及温度分布的非线性
努塞尔理论分析忽略了液膜过冷度的影响，并假设液膜中的温度呈
线性分布，利用r`代替公式中的潜热r即可兼顾以上两个因素。
r r 0.68cp tr tw
上式也可以表示为：
r r1 0.68 Ja
其中，Ja是雅各布数，定义为
竖壁凝结传热壁面的平均表面传热系数可以表示为：
h hl
xc l
ht
1
xc l
hl，ht分别是层流和湍流层的平均表面传热系数， xc是流态转折点的高度，l为壁面的总高度
整个壁面的平均表面传热系数可以通过以下实验关联式计算：
Nu Ga1/3 58 Prw1/ 2
Prw/ Prs
Re 1/ 4 Re 3/ 4 253
7.4沸腾传热
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 wl r Prl
3 14 v ) v
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：
在室温下，玻璃的导热系数比空气大50倍以上， 因此希望采用双层结构的窗户，在这种结构中， 两层玻璃板之间有空气层。若通过空气层的传 热为导热，可以通过增大间隙厚度δ来提高相 应热阻。但是，这种方法的功效受到一些限制， 因为如果δ超过临界值就会引发对流流动，从 而使热阻降低。 考虑温度分别为22℃和-20℃的垂直玻璃板封 装的常压空气。要是通过空气的传热为导热， 允许的最大间距是多少？
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 R
pv pl , pl ps Tv Tl Ts
大容器沸腾换热计算式
1 大容器饱和核态沸腾
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
传热学-7 凝结和沸腾传热
7-2 沸腾传热
2 汽泡的存在条件
汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝
龙方程)
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
可见， (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上，汽化核 心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
7-2 沸腾传热
二 大容器沸腾 1 饱和沸腾曲线 大容器沸腾：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液 体中所发生的沸腾。 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。 大容器饱和沸腾曲线：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。
7-2 沸腾传热
饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾。 特点：随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热规律 全然不同的区域。
过冷沸腾：液体主体温度低于相应压力下饱和温度， 壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热。
7-2 沸腾传热
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。 一 汽泡动力学简介 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。
7-1 凝结传热
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，
r r 0.68cp( ts tw )
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。
6. 凝结表面的几何形状
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 ℃）
传热学-7-凝结和沸腾传热
增加顺液膜流动方向的蒸汽流速； 水平放置单管或管束。 （2）加速液膜的排出 分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等。 （3）减少不凝结气体 抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速。 （4）凝结表面实现珠状凝结
7-2 沸腾传热
沸腾：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程。
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）。 上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能进 入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却 下降，设备易烧毁。
qmax 临界热流密度（烧毁点） 设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点） 沸腾换热：换热温差∆t 越大 ≠ 热流密度大 沸腾换热的两种加热方式： （a）控制壁温 （b）控制热流（大于qmax 时，工况沿虚线直接跳 至稳定膜态沸腾， ∆t 猛增到1000℃，需要避免）
凝结换热实例：汽轮机中的凝汽器 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程
凝结换热的关键点 （1）凝结可以膜状凝结和珠状凝结的形式发生； （2）冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻； （3）层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式； （4）影响膜状凝结换热的因素； （5）会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝
7-2 沸腾传热
3） 临界点的沸腾 当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离 加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜 态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临 界热负荷qc，也就是图中的qmax。
7-2 沸腾传热
4）过渡沸腾 从临界点继续提高沸腾温差 ⊿ t（>50℃） ，则热流密度 q 不仅 没有增加，反而迅速降低至一极小值qmin 。这是由于产生的汽 泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使 换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面， 其换热状态是不稳定的，这一阶段为过渡沸腾。
7-2 沸腾传热
沸腾：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程。
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）。 上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾。
工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能进 入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却 下降，设备易烧毁。
qmax 临界热流密度（烧毁点） 设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点） 沸腾换热：换热温差∆t 越大 ≠ 热流密度大 沸腾换热的两种加热方式： （a）控制壁温 （b）控制热流（大于qmax 时，工况沿虚线直接跳 至稳定膜态沸腾， ∆t 猛增到1000℃，需要避免）
凝结换热实例：汽轮机中的凝汽器 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程
凝结换热的关键点 （1）凝结可以膜状凝结和珠状凝结的形式发生； （2）冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻； （3）层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式； （4）影响膜状凝结换热的因素； （5）会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝
7-2 沸腾传热
3） 临界点的沸腾 当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离 加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜 态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临 界热负荷qc，也就是图中的qmax。
7-2 沸腾传热
4）过渡沸腾 从临界点继续提高沸腾温差 ⊿ t（>50℃） ，则热流密度 q 不仅 没有增加，反而迅速降低至一极小值qmin 。这是由于产生的汽 泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使 换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面， 其换热状态是不稳定的，这一阶段为过渡沸腾。