沸腾换热ppt课件
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18
（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
19
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。
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
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
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)
21
（2）罗森诺公式：
c pl Δt rPrls
当气泡处于平衡状态时：
dW 0 ( pv pl )dV dA
球形气泡： V 4 R3, A 4 R2
3
( pv pl )4 R2dR 8 RdR 2
pv pl R
14
气泡能够存在而不消失的条件：
2
pv pl R
如果压强差作用力大于表面张力，气泡就能继续长大
pv
pl
2
R
( pv pl ) R2 2 R
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 ：
pv
pl
2
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。
17
气泡难于脱离壁；传热量低
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
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
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
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～
C
E
B
A
D
8
核态沸腾
9
过渡沸腾
10
膜态沸腾
11
沸腾危机:
（DNB: departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点， 安全警界点
12
7.4.3 汽泡动力学简介
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
20
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）：
15
（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）
16
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）
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
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
6
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。
Cwl
q
l r
0.33
g(l
ห้องสมุดไป่ตู้
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）；
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；
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
Cq0.67
M
0.5 r
prm
lg pr
0.55
C 90 W0.33 ( m0.66 K)
m 0.12 0.2 lg Rp μm
Mr为液体的相对分子质量（分子量）
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
（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。
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
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
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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（2）罗森诺公式：
c pl Δt rPrls
当气泡处于平衡状态时：
dW 0 ( pv pl )dV dA
球形气泡： V 4 R3, A 4 R2
3
( pv pl )4 R2dR 8 RdR 2
pv pl R
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气泡能够存在而不消失的条件：
2
pv pl R
如果压强差作用力大于表面张力，气泡就能继续长大
pv
pl
2
R
( pv pl ) R2 2 R
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 ：
pv
pl
2
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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气泡难于脱离壁；传热量低
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
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
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
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～
C
E
B
A
D
8
核态沸腾
9
过渡沸腾
10
膜态沸腾
11
沸腾危机:
（DNB: departure from nucleate boiling）偏离核沸腾点， 安全警界点
12
7.4.3 汽泡动力学简介
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
20
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）：
15
（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）
16
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）
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
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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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。
Cwl
q
l r
0.33
g(l
ห้องสมุดไป่ตู้
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）；
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；
22
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）：
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Cq0.67
M
0.5 r
prm
lg pr
0.55
C 90 W0.33 ( m0.66 K)
m 0.12 0.2 lg Rp μm
Mr为液体的相对分子质量（分子量）
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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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