7.4沸腾传热解析

h
43

43 hc
43 hr
hr
4 (Tw Ts4 )
Tw Ts
影响沸腾换热的因素
沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也 最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因 素也只针对大容器沸腾换热。 1 不凝结气体 液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热 时， h (t w t f ) n ，因此，过冷会强化换热。
l
2 大容器沸腾的临界热流密度
书中推荐使用如下经验公式：
qmax

24
12 rv
g ( l v )1 4
物性值由饱和温度 ts 决定外
3 大容器膜态沸腾的实验关联式
（1）横管的模态沸腾
gr v ( l h 0.62 v d (t w t s )
3 14 v )v
h 0.533q p
0.7

0.15
按
q ht
h 0.122t
2.33
p
0.5
（2）罗森诺公式——多种液体
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr ) 也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出 了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re 0.33 Prls
沸腾分类
大空间沸腾 管内沸腾
饱和沸腾
过冷沸腾
饱和沸腾
t t s t t s
过冷沸腾
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
3
液位高度
当传热表面上的液位足够高时， 沸腾换热表面传热系数与液位 高度无关。但当液位降低到一 定值(临界液位)时，表面传热 系数会明显地随液位的降低而 升高。
4 重力加速度 随着航空航天技术的进步，超重力和微重力条件下的传热规律 得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表 明，从0.1 ~ 1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没 有影响，但对自然对流换热有影响，由于
影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而
汽化核心数受材料、表面状况、压力等因素的支配，所以
沸腾换热的情况液比较复杂，导致计算公式分歧较大。目 前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广 泛适用于各种液体的。 为此，书中分别推荐了两个计算式
（1）米海耶夫公式——水
百度文库
对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4106 Pa
特点：沸腾状态随流向不断改变 流体的运动是由外部手段及自然对流和气泡引发的混合而引起的
将同样的两滴水分别滴在温度为120℃和300 ℃的锅面上，试问哪只锅上的水先被烧干， 为什么？
大容器饱和沸腾曲线
C Departure from Nucleate boiling
t t w t s 0
式中，
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容 g — 重力加速度
Nu r St Re Pr C pl t
Re q l r
g ( l v )

l —饱和液体的动力粘度
P rl
C pl l
Cwl — 取决于加热表面－液体
组合情况的实验常数(表7-1) q — 沸腾传热的热流密度 s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
E
B Natural convection Nucleate boiling Transition boiling Film boiling A D
管内沸腾换热
产生沸腾的条件
(1) 汽化核心
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，如图所示。
Gr
gtl
3

2
Nu C (Gr Pr)
n
因此，g Nu 换热加强。
5 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑 多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化 沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的 手段： (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。

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：



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 , pl ps pv pl R Tv Tl Ts


大容器沸腾换热计算式
1 大容器饱和核态沸腾
沸腾传热
7.4 沸腾传热的模式 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
基本概念
定义：
a 沸腾：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
b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁
面冷却的一种传热方式
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用
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 r Pr l wl