第六章 第四、五、六节传热学讲稿

第五节 沸腾换热的计算
• 大容器饱和核态沸腾换热的计算 • 大容器沸腾的临界热流密度计算
• 大容器膜态沸腾换热的计算
大容器饱和核态沸腾换热的计算
• 影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核 心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状 况、压力、物性的支配。 • 由于因素比较复杂，如壁面的表面状况需视表面 污染、氧化程度而有不同等情况，因此各文献提 出的计算式分歧较大。 • 在此仅介绍两种类型的计算式： (1)是针对一种液体的； (2)是广泛适用于各种液体的。 • 一般而言，针对性强的计算式精度比较高。
pl pv
压力
R 2 pv pl
R 表面张力
2R
R 2 pv pl 2R
2 R pv pl
对汽泡存在条件的分析
• 如果忽略液柱高度的影响，对 于饱和沸腾有 • 所以，汽泡存在的力学条件为 • 汽泡在液体中存在时，其汽泡 内的最低温度为 pv 压力下的饱 和温度t v ，而此时液体主体温 度 t l 也必须大于等于该温度， 即 tv · 所以，汽泡存在的温度条件为 流体必须是过热的。 ·由于壁面处流体的温度最高，所 以此处最易产生汽泡。
气泡存在的条件
• 右图所示为在流体中存在的一 个球形汽泡，它与周围液体处 于力平衡和热平衡条件下。 • 汽泡受力分析如图所示。 • 由于表面张力的作用，汽泡内 的压力必须大于汽泡外的压力。 根据力平衡条件，汽泡内外压 差应被作用于汽、液界面上的 表面张力所平衡，即 • 由此可以得到汽泡在液体中存 在的条件为
各种沸腾换热的定义
• 饱和沸腾：流体主体温度达到饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸 腾。 • 过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为过冷沸 腾。 • 大空间沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液体 中所发生的沸腾称为大空间沸腾换热。 • 管内强制对流沸腾：流体在管内流动时发生的沸 腾称为管内强制对流沸腾。
核态沸腾区的特点
• 当壁面过热度进一步增加时，加热面上开始出现汽泡。
• 开始阶段，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称独立汽 泡区； • 随着壁面过热度的进一步提高，汽化核心数增加，汽泡互 相影响，并会形成汽块或汽柱； • 在这两个区域中，汽泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度 都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性的影响，这 两区的沸腾统称为核态沸腾（或称为泡状沸腾）。核态沸 腾具有温差小、换热强的特点，所以一般工程应用都设计 在这个范围。核态沸腾的终点即为热流密度最大时对应的 点。
气泡动力学简介
气泡动力学简介
气泡成长过程
气泡存在的条件
气泡的成长过程
• 实验表明，在通常情况下，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 生汽泡的点称为汽化核心。比较普遍的看法是， 壁面上的凹穴和裂缝处易残留气体，是最好的汽 化核心。在汽化核心产生的汽泡，由于受到周围 加热面的加热，汽、液交界面上的液体继续蒸发， 汽泡长大。待汽泡长大到一定的程度后，汽泡受 到的液体浮力超过汽、固间产生的表面张力，汽 泡便脱离加热面，四周的液体来补充汽泡脱离后 留下的空间。 • 演示：单个气泡的生成长大过程
膜态沸腾的特点
随着壁面温度的进一步提高，壁面上已形成稳定 的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律的排列膜层，热 流密度随壁面过热度的增加而增加。此段称为稳 定膜态沸腾区。稳定膜态沸腾区在物理上与膜状 凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻 较大的汽膜，而不是液膜，所以换热系数比凝结 要小得多。
临界热流密度
大气压力下饱和沸腾的分析
• • • • • 演示：大气压力下大空间饱和沸腾过程 第一个区域：自然对流区； 第二个区域：核态沸腾区； 第三个区域：过渡沸腾区； 第四个区域：稳定的膜态沸腾区。
自然对流区的特点
壁面过热度较小时（ t 5 ℃），加热面上不产生 汽泡，只有被加热表面加热的液体向上升浮，该 区域称为自然对流区，此时的换热遵从单项流体 的对流换热规律。
孤立气泡区的照片
汽块区的照片
过渡沸腾区域的特点
从峰值点开始进一步提高壁面温度时，会发现换热规律出 现几乎寻常的变化。此时，热流密度不仅不随的温度的升 高而提高，反而是越来越低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加 热面上，壁面上生成的气泡不能自由升腾，蒸汽排除的过 程越趋恶化。这种情况一直持续到达到最低热流密度为止。 这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的沸腾过程。
• 管内强制对流换热时，由于产生的 蒸汽混入液流，会出现多种不同形 式的两相流结构，换热机理也很复 杂。右图展示的是竖管内的强制对 流换热。 • 随着流动过程的进行，流动依次出 现单相流、泡状流、块状流、环状 流和单相流。 • 相应的换热会出现未饱和流体的对 流换热、过冷沸腾换热、核态沸腾、 液相对流沸腾、湿蒸汽换热和过热 蒸汽换热。 • 对流换热表面传热系数也会出现如 图所示的相应变化。
• 定义：核态沸腾终点时所对应的热流密度称为临 界热流密度。用符号 qmax 表示。 • 意义：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热 设备（如电加热器、对冷却水加热的核反应堆等 设备）， 临界热流密度是最大值，是不能超过的， 否则，设备将有被烧毁的危险。 • 有时临界点也被称为“烧毁点”。
管沸腾简介内
pl ps
2 R pv p s
tl ts tv
对汽泡存在条件来自百度文库分析
• 还应该指出，平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍 微小于上式所要求的半径，表面张力大于压差，则汽泡内 蒸汽凝结，汽泡瓦解。只有半径大于上式所要求的半径时， 界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。 • 在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足上式条件的那 些点，才能成为工作的汽化核心。 • 随着壁面过热度的提高，压差的值越来越高。所以汽泡的 平衡半径将递减。因此，壁面温度提高时，壁面上越来越 小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，因此汽化核心数 随壁面过热度提高而增加。 • 关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中长大 与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的机理以及强 化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸 腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡动力学 的某种理解而建立起来的。