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
第4页/共28页
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
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
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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。
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
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
Hale Waihona Puke 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
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。
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。
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）：
.
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％
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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 ：
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
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)
ppt课件
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
ppt课件
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）：
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
凝结与沸腾换热
加热表面
4 汽泡动力学简介
(1) 汽泡旳成长过程
试验表白，一般情况下，沸腾开始时汽泡只发生在加 热面旳某些点，而不是整个加热面上，这些产愤怒泡 旳点被称为汽化关键，较普遍旳看法以为，壁面上旳 凹穴和裂缝易残留气体，是最佳旳汽化关键，如图所 示。
(2) 汽泡旳存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才干存活
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)
式中：下标“ H ”体现水平管。
定性温度与前面旳公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整顿旳整个表面旳平均努塞尔数：
h 0.555[ g( v )3r]1/ 4 d (ts tw )
r r 0.68cp( ts tw )
5 大容器饱和沸腾曲线：
qmax
qmin
6 沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热旳一种，所以，牛顿冷却公式依然合用， 即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热旳h却有许多不同旳计算公式 为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）米海耶夫公式——水
对于水旳大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4 106 Pa
（2）优良旳等温性。热管内腔旳蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽旳压 力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生旳压降 很小，根据热力学中旳方程式可知，温降亦很小，因而热管具有 优良旳等温性。
（3）采用不同旳工作液，热管合用-200到2200℃温度范围内旳工作。 （4）热流密度可变性。热管能够独立变化蒸发段或冷却段旳加热面积，
2 膜状液膜旳流态
凝结液体流动也分层流和湍流，而 且其判断根据依然是Re，
4 汽泡动力学简介
(1) 汽泡旳成长过程
试验表白，一般情况下，沸腾开始时汽泡只发生在加 热面旳某些点，而不是整个加热面上，这些产愤怒泡 旳点被称为汽化关键，较普遍旳看法以为，壁面上旳 凹穴和裂缝易残留气体，是最佳旳汽化关键，如图所 示。
(2) 汽泡旳存在条件 汽泡半径R必须满足下列条件才干存活
hH
0.729
l
gr d(
l2l3
ts tw
1/ 4
)
式中：下标“ H ”体现水平管。
定性温度与前面旳公式相同
定性尺寸:单管为管外径d 水平管束为nd
6 水平管内凝结换热
利用上面思想，整顿旳整个表面旳平均努塞尔数：
h 0.555[ g( v )3r]1/ 4 d (ts tw )
r r 0.68cp( ts tw )
5 大容器饱和沸腾曲线：
qmax
qmin
6 沸腾换热计算式
沸腾换热也是对流换热旳一种，所以，牛顿冷却公式依然合用， 即
q h(tw ts ) ht
但对于沸腾换热旳h却有许多不同旳计算公式 为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）米海耶夫公式——水
对于水旳大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4 106 Pa
（2）优良旳等温性。热管内腔旳蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽旳压 力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生旳压降 很小，根据热力学中旳方程式可知，温降亦很小，因而热管具有 优良旳等温性。
（3）采用不同旳工作液，热管合用-200到2200℃温度范围内旳工作。 （4）热流密度可变性。热管能够独立变化蒸发段或冷却段旳加热面积，
2 膜状液膜旳流态
凝结液体流动也分层流和湍流，而 且其判断根据依然是Re，
沸腾换热简介教程讲义
《传热学》讲义
§ 沸腾换热简介
一 液体汽化的两种方式
1 蒸发（evaporation ） 2 沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
1
（2）分类
《传热学》讲义
? 过冷沸腾 饱和沸腾
加热壁面沉
↗ 大容器沸腾 (池沸腾)
? 强制对流沸腾
浸在具有自 由表面的液 体中所发生 的沸腾
26
《传热学》讲义
作业： 6-7 6-10 6-25（Cwl＝0.013） 6-32 6-39
预习：
§7-1 §7-2
27
? 壁面过热度和汽化核心数 ? 计算公式分歧较大 ? 目前存在两种计算式
1 米海耶夫公式－水
15
《传热学》讲义
2 Rohsenow公式－适用性广
St = f ( Re, Pr )
St ? 1 ? C wl ?Re 0.33 ?Prls
Nu
r
St ?
?
Re?Pr C pl ?? t
q
?
Re ?
? lr g(?l ? ?v)
5
《传热学》讲义
过渡沸腾
Transitional boiling regime
6
《传热学》讲义
膜态沸腾
film boiling
7
《传热学》讲义 2 工程指导
临界热流密度 (Critical Heat Flux) qmax及相对
应的过热度 ? t具有重要的意义
（1）对于热流密度可以控制的情况 （2）对于壁温可以控制的情况
Aggressive Creative Selfmotivated
12
四 管内沸腾简介
§ 沸腾换热简介
一 液体汽化的两种方式
1 蒸发（evaporation ） 2 沸腾（boiling） （1）定义
工质内部形成大量气泡并由液态转 换到气态的一种剧烈的汽化过程
1
（2）分类
《传热学》讲义
? 过冷沸腾 饱和沸腾
加热壁面沉
↗ 大容器沸腾 (池沸腾)
? 强制对流沸腾
浸在具有自 由表面的液 体中所发生 的沸腾
26
《传热学》讲义
作业： 6-7 6-10 6-25（Cwl＝0.013） 6-32 6-39
预习：
§7-1 §7-2
27
? 壁面过热度和汽化核心数 ? 计算公式分歧较大 ? 目前存在两种计算式
1 米海耶夫公式－水
15
《传热学》讲义
2 Rohsenow公式－适用性广
St = f ( Re, Pr )
St ? 1 ? C wl ?Re 0.33 ?Prls
Nu
r
St ?
?
Re?Pr C pl ?? t
q
?
Re ?
? lr g(?l ? ?v)
5
《传热学》讲义
过渡沸腾
Transitional boiling regime
6
《传热学》讲义
膜态沸腾
film boiling
7
《传热学》讲义 2 工程指导
临界热流密度 (Critical Heat Flux) qmax及相对
应的过热度 ? t具有重要的意义
（1）对于热流密度可以控制的情况 （2）对于壁温可以控制的情况
Aggressive Creative Selfmotivated
12
四 管内沸腾简介
热工学基础：沸腾换热
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。
4. 影响沸腾换热的因素
（1）液体的性质 一般情况下，表面传热系数随着液体的热导率和密度的增加而增大，随液体的黏度 和表面张力的增大而减小。
（2）不凝结气体 严重影响吸热制冷，应严禁不凝性气体混入制冷系统内。 （3）液位高度 当液位降低到临界液位值时，沸腾表面传热系数会明显地随液位的降低而升高。 （4）加热壁面的影响 加热壁面的材料、粗糙度、布置情况等不同，对沸腾换热将产生显著的影响。
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
(1) 竖直管内沸腾换热
流动类型
单相流 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。
沸腾换热
沸腾换热指液体受热沸腾过程中与固体壁面间的换热现象。 1. 液体沸腾的分类
（1）大容器沸腾和管内沸腾
大容器沸腾 ➢ 指加热面被浸在没有强制对流的液体中所发生的沸腾现象。 ➢ 此时液体内一方面存在着由温度差引起的自然对流，另一方面又存在着因汽泡运动所导
致的液体运动。
沸腾换热
管内沸腾
是液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象，又 称为强制对流沸腾。
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
4. 影响沸腾换热的因素
（1）液体的性质 一般情况下，表面传热系数随着液体的热导率和密度的增加而增大，随液体的黏度 和表面张力的增大而减小。
（2）不凝结气体 严重影响吸热制冷，应严禁不凝性气体混入制冷系统内。 （3）液位高度 当液位降低到临界液位值时，沸腾表面传热系数会明显地随液位的降低而升高。 （4）加热壁面的影响 加热壁面的材料、粗糙度、布置情况等不同，对沸腾换热将产生显著的影响。
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
(1) 竖直管内沸腾换热
流动类型
单相流 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。
沸腾换热
沸腾换热指液体受热沸腾过程中与固体壁面间的换热现象。 1. 液体沸腾的分类
（1）大容器沸腾和管内沸腾
大容器沸腾 ➢ 指加热面被浸在没有强制对流的液体中所发生的沸腾现象。 ➢ 此时液体内一方面存在着由温度差引起的自然对流，另一方面又存在着因汽泡运动所导
致的液体运动。
沸腾换热
管内沸腾
是液体在一定压差作用下，以一定的流速流经加热管时所发生的沸腾现象，又 称为强制对流沸腾。
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
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 ℃）
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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）：
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 ：
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
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。
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
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
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
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
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）
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
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。
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）
Cwlql rFra bibliotek0.33
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）；
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；