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）。核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图7-14中热流密度的峰值点。
（3）过渡沸腾区（transition boiling）：从峰值点进一步提高Δt，传热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越降低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到到达最低热流密度为q min为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。
（4）膜态沸腾区（film boiling）：从q min起传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随Δt的增加
而增大。此段称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾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气膜，而不是液膜，所以传热系数比凝结小得多。稳定膜态沸腾的照片示于图7-15c。
位于过渡沸腾与稳定膜态沸腾之间的热流密度最低的点，文献中称为莱登佛罗斯特（Leidenfrost）点。
当将水泼在灼热的钢板上时，会在短时间内在钢板上形成很多不断跳跃的小水滴，这是因为在灼热的钢板上形成了膜态沸腾，小水滴不断地被形成的气流带向上面所致。莱登佛罗斯特（Leidengfrost）是德国18世纪的医生，他研究了这一现象，故而命名之。
习惯上将包含自然对流在内的图7-14所示的q~Δt曲线称为大容器饱和沸腾曲线（saturated pool boiling curve），其中核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾三个区域属于沸腾传热的范围。由以上讨论可见，对于沸腾传热，过程进行的动力是壁面的过热度，所以牛顿冷却公式中的温差是Δt = t w - t s。
(a) 孤立汽泡区
(b) 气柱汽块区
(c) 膜态沸腾区
图7-15加热面为金属丝时的不同沸腾区域
(本照片承日本Kanagawa大学M. Shoji教授提供)
7.4.2 临界热流密度及其工程意义
上述热流密度的峰值q max有重大实践意义，被称为临界热流密度（critical heat flux，CHF）（俄文文献常称之为沸腾危机）。下面从热流密度可控与加热壁温可控两种情形来讨论。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）以及冷却水加热的核反应堆，一旦热流密度超过峰值，工况将沿过q max点的虚线跳至稳定膜态沸腾线，Δt将猛升至近1000℃，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以q max亦称烧毁点。在图7-14中的烧毁点附近，有个比q max的热流密度略小，表现为q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB（Departure from Nucleate Boiling的缩写，意即偏离核态沸腾规律），可以用它作为监视接近q max的警戒。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视是重要的。因为一旦q超过转折点之值，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使传热量大大减少。
图7-14中的具体数据是对水在一个大气压下的饱和沸腾采用不锈钢管作为加热面而得出的。不同工质在不同压力和不同的加热面条件下沸腾的参数（沸腾
起始点、沸腾转折点DNB、临界热流密度等）会随之而异，但是沸腾传热现象演变的总体规律是类似的。
7.4.3 气泡动力学简介
1.为什么沸腾传热有那样高的传热强度
由图7-14可见，在核态沸腾的范围内，水沸腾时的热流密度可以高达105~106 W/m2的量级，比相同温差变化范围内水的强制对流传热的热流密度至少高一个数量级。这样高的传热强度主要是由于汽泡的形成、成长以及脱离加热壁面所引起的各种扰动所造成的。因此，要进一步强化沸腾传热就要设法增加加热表面上能产生汽泡的地点——汽化核心（nucleation site）。
2.加热表面上什么地点最容易成为汽化核心
在传热学的发展史上，曾经认为加热表面上的微小突起是产生汽化核心的有利地点。经过近几十年的研究和工程实践，现已查明：壁面上的凹坑、细缝、裂穴等最可能成为汽化核心（图7-16）。这是因为：首先，在表面上的狭缝地带，处于狭缝中的液体所受到的加热的影响比位在平直面上同样数量的液体要多得多（图7-16a）；其次，狭缝中容易残留气体，这种残留气体就自然成为产生汽泡的核心（图7-16b）。所以，增加表面上狭缝、空穴与凹坑成为工程中开发强化沸腾传热的基本目标。
(a) 受热面积大的空穴内的液体(b) 残存在空穴内的气体是孕育
(c) 汽泡的长大过程
汽泡的有利场所
图7-16加热面上最有利于成为汽化核心的地点及汽泡的成长
3.加热表面上要产生汽泡液体必须过热
即使是表面上的空穴地带，也不是其温度一上升到液体的饱和温度就会产生
汽泡，而必须达到一定的过热度。为说明其理由，试分析位于液体中的一个球形汽泡。
设在流体中存在一个球形汽泡，如图7-17所示，它与周围液体处于力平衡和热平衡条件下。由于表面张力的作用，汽泡内的压力p v 必大于汽泡外的压力p l 。根据力平衡条件，汽泡内外压差应被作用于气液界面上的表面张力所平衡，即
()22v l R p p R ππσ-=
式中σ为气液界面的表面张力。若忽略液柱静压的影响，则p l 可认为近似等于沸腾系统的环境压力，即p l ≈ p s 。而热平衡则要求汽泡内蒸气的温度为p v 压力下的饱和温度t v 。界面内外温度相等，即t l = t v ，所以汽泡外的液体必然是过热的，过热度为t l - t s 。贴壁处液体具有最大过热度t w - t s ，加上凹穴处有残存气体，壁面凹处最先能满足汽泡生成的条件
2v s R p p σ
=- (7-15)
故汽泡都在壁面上产生。
式(7-15)给出了对于半径为R 的汽泡所必需的压力差，即液体的过热度。利用工程热力学中克劳修斯-克拉贝龙(Clausius –Clapeyron)方程[26]，可得出产生半径为R 的汽泡所需的过热度
2s l s v T T T T r R λρ?=-= (7-16)
平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍微小于式(7–15)所示半径，表面张力大于压差，则汽泡内蒸气凝结，汽泡瓦解。只有半径大于式(7–15)所示半径时，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。综上所述可知，在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足式(7-15)条件的那些地点，才能成为工作的汽化核心。
随着壁面过热度的提高，压差p v - p s 越来越高。按式(7-15)，汽泡的平衡态半径R 将递减。因此，壁温t w 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，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。
关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中的长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾传热的基本机理以及开发强化沸腾传热的表面都具有十
分重要的意义。现有的预测沸腾传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。正是20世纪50年代末关于汽化核心首先是在表面上的一些微小凹坑上形成的这一基本观点的确立[27]，才导致了20世纪70年代关于沸腾传热强化表面开发工作的蓬勃开展。
沸腾传热是个典型的非线性物理过程，有关沸腾传热机理及其物理与数学的建模仍然是当前传热学研究中的重要课题。关于沸腾传热机理近期的研究情况可参见文献[28-30]。
气液两相流和沸腾传热.pdf0
第一章绪论 第一节两相流及其定义 异质物体或系统中，各存在分界面的独文物质称之为相。众所周知，自然界常见酌物质有三相，即固相+液相和气相。因此，由任意两种存在分界试坤独物质组成【十体或系统 都称之，为两相物体或两相表统。树如，水和己的撮合物为一种两相物体，因为水和卸：都是存 在分界面的独立物质。但是，'盐水浴液是一种单相物体，田为在此溶液中盐和水之间无分界 面，盐和水不居两种独立存在的物质。 两相物体的流动称为两相流。在两相城中，两相之闻不仅存在分界面，面且进一公界面是随者派动在不断变化的。因此，两相觥可定义为存在变动外界面的两种狡文物质组成的物体的 . 流动。气体和固体耦粒洇合物的流动为一种两相流，因为在此甜动表统中不仅存在两种独立 物质，而且这两种物质之间的分界面是随流动面变化的。 根据两相流的定义，可以将两相褓大致分为如下三类，气体和液体共同流动时气筱两相流，气体和固体耦】位共同流动的气团两相流·液体和固体解放共同流动的液固两相流。忱 外，两种不同组分液体的共同流动也届于两相流范辟， 本书主要讨论气液两相流的流体动力学和悦据传热问题。 气踺两相流根据物质组分的不同又可分为两种。由同一组分枸顶种相组成髀气液两相流称为单组分】液两相舐，例如由木鼓汽和水构成的两相硫。由不同组士的两种相组成肿气踺 两相硫称为】组公气液两相流，例如由空气卸水构成的气淹两相流。在不监生相变的流动过 程中，单组分两相流和】煳i分两相流适用同样的物理规铮，因而可通称为气液两相硫。 棣揖散热惜晚的不同，气密两相硫还可公为绝热气淹两相掀和有热弈换酌气密两相硫。 当存在热交投时，在单组分气筱两相部中伴随菹流动含线工质的相交。 两·相铈这一术语在本世纪30年代苜光出现于美国的一些研究生论文中。l945年，苏碟苜先将毡一来语应用于正式出版的学术刊物上。 莫+ 苏、银三国在本世纽20年代已''开始了气淹两相硫的研究工作，日本姑子即年代，我国在60年代也开始了这方面的研究工：，ff；·。' 总的来说，气被两相硫的研究历史较短，它是一门 年轻的大有发思前逮脾单科。 第二节气液两相流和传热学科的进展与工程的关系 气淹两相涨体的雅动工况在动力，化工、按酯、制冷、石油，冶金等工业中经徐迪到。 】这些工业的具有热弈换的设备中还存在两相硫体酌传热问题。例如，在核电站和火力发电 姑中的各种部聘管、各式气雅混合器，气液分离器、各种热交换鹊、楫饬, 化学反拉俊各， -I- PDF 文件使用”pdfFactory Pro 试用版本创建
强化沸腾传热的方法
沸腾传热强化技方法及比较 摘要针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 关键词沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；粉末多孔表面 Boiling heat transfer enhancement techniques and comparison Abstract:To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray method .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect. Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface 1 前言 在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 2沸腾强化传热技术 对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础, 已有的研究表明, 影响汽泡状沸腾传热的主要因素有： ( 1) 流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多, 汽泡脱离频 率增大, 因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小, 则汽泡脱离频率增高, 因而能增强沸腾传热。 ( 2) 换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明, 同一液体在抛光壁面上沸腾传热时, 其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低,这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热系数也有相当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组
第七章—凝结和沸腾换热
第七章 凝结与沸腾换热 （Condensation and Boiling Heat Transfer ） 本章重点：① 凝结与沸腾换热机理及其特点； ② 大空间饱和核态沸腾及临界热流密度。 第一节 凝结换热现象 （condensation heat transfer phenomena ） 1-1 基本概念 1．凝结换热现象 蒸汽与低于饱和温度 (saturated temperature) 的壁面接触时，蒸气会在壁面上凝结成液体并向壁面放出凝结潜热，这种现象称为凝结换热现象。有两种凝结形式。 2．凝结换热的分类 根据凝结液与壁面浸润能力不同分两种 ： （1）膜状凝结（film-wise condensation ） ① 定义：凝结液体能很好地湿润壁面，并能在壁面上均匀铺展成膜的凝结形式。 ② 特点：壁面上有一层液膜，凝结放出的相变热（潜热）须穿过液膜才能传到冷却壁面上， 此时液膜成为主要的换热热阻。 （2）珠状凝结（drop-wise condensation ） ① 定义：凝结液体不能很好地湿润壁面，凝结液体在壁面上形成小液珠的凝结形式。 ② 特点：凝结放出的潜热不须穿过液膜的阻力即可传到冷却壁面上。 问：在其它条件相同时，珠状凝结和膜状凝结，哪个换热系数高？为什么？ 答：实验证明，同种蒸气珠状凝结时的表面传热系数比膜状凝结的高一个数量级。例如，大气压下水蒸气珠状凝结时的表面传热系数约为)/(10~104254K m W ??，膜状凝结约为)/(10~106243K m W ??。 珠状凝凝结中，蒸汽与壁面直接接触，而膜状凝结时，蒸汽要通过凝结液膜与壁面传热，所以珠状凝结比膜状凝结的换热系数高。
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。此阶段中传热分系数h，随ΔT增大而明显上升。当过热度超过某临界值时，汽泡大量产生，在壁面连结成汽膜，称为膜状沸腾。在此阶段初期，汽膜不稳定，随时破裂变成大汽泡，离开加热面。随过热度的增大，汽膜渐趋稳定。由于汽膜的热导率很低，使传热分系数下降。当过热度很大时，辐射传热起了重要作用，使传热分系数重新上升。由于泡核沸腾具有传热分系数大和壁温低的优点，故工业设备中的沸腾传热多在此状况下进行。 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热过程的因素很多，包括液体和蒸气的性质、加热面的表面物理性质和粗糙程度，尤其重要的是液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差。在泡核沸腾范围内，温度差越大，传热分系数也越大。加热壁面粗糙和能被液体润湿时，也能使传热分系数增大。据此，将细小金属颗粒沉积于金属板或管上，制成金属多孔表面，可使沸腾传热分系数提高十几倍至几十倍。
沸腾换热计算式
沸腾换热计算式 沸腾换热计算式 (1)大容器饱和核态沸腾 前面的分析表明，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墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。 对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为 (3-4) 按q=h△t的关系,上式也可转换成 (3-5) 以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K) p:沸腾绝对压力,Pa; △t:壁面过热度,℃; q:热流密度,W/m2。 基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式: (3-6) 式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K); C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数; r:汽化潜热,J/kg; g:重力加速度,m/s2; Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l; μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s); ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3; γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m; s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。 由实验确定的C wl值见表3-1。
表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值 图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。 式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式: (3-7) 这里要着重指出两点： 1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。其中： 是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；为特征长度，它正比于旗 袍脱离加热面时的直径。不难证明，r/c pl△t就是St数，其中Nu数也以为特征长度。 2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数据的偏差程度最大。以图3-5所示情形为例，当已知△t计算q时，计算值与实验值的偏差可达±100％；而由于q～△t3，因而已知q计算△t时，则偏差可缩小到±33％左右。 对于制冷介质而言，以下的库珀(Cooper）公式目前得到教广泛的应用： （3-8） 式中，M r为液体的分子量；p r为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；R p为表面平均粗糙度，μm（对一般工业用管材表面，R p为0.3～0.4μm）；q为热流密度，W/m2；h的单位为W/（m2·K）。
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）。核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图7-14中热流密度的峰值点。 （3）过渡沸腾区（transition boiling）：从峰值点进一步提高Δt，传热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越降低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到到达最低热流密度为q min为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。 （4）膜态沸腾区（film boiling）：从q min起传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随Δt的增加
表面芯吸性对淬火过程中沸腾传热特性的影响
第52卷第5期2018年5月浙 江 大 学 学 报(工学版)J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y (E n g i n e e r i n g S c i e n c e )V o l .52N o .5M a y 2 018收稿日期:20170521.网址:w w w.z j u j o u r n a l s .c o m /e n g /f i l e u p /H T M L /201805001.h t m 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51206142).作者简介:牟林巍(1992 ),男,硕士生,从事气液相变传热研究.o r c i d .o r g /0000-0002-0963-8348.E -m a i l :m o u l i n w e i @z j u .e d u .c n 通信联系人:范利武,男,研究员.o r c i d .o r g /0000-0001-8845-5058.E -m a i l :l i w u f a n @z j u .e d u .c n D O I :10.3785/j .i s s n .1008-973X.2018.05.016表面芯吸性对淬火过程中沸腾传热特性的影响 牟林巍1,张宇鸿1,李佳琦1,张嘉懿1,蒋平2,范利武1(1.浙江大学热工与动力系统研究所,浙江杭州310027;2.北京宇航系统工程研究所,北京101300 )摘 要:研究表面芯吸性对淬火过程中的冷却速率和沸腾传热特性的影响.采用质量分数约为50%的氢氟酸溶液 对不锈钢球表面进行化学腐蚀,在恒温50?C 时通过改变腐蚀时间得到具有不同芯吸性的试样并对表面芯吸量和初 始芯吸通量进行定量表征.在常压下的饱和水中对所制备的芯吸表面进行可视化淬火实验.结果表明,原始不锈钢表 面不具有芯吸性,随着腐蚀时间的增加表面芯吸能力也逐渐增强.经过腐蚀3m i n 之后,表面芯吸通量达到20μL /(m m 2四s ).该芯吸表面使淬火冷却时间相较于原始表面缩短约80%,临界热流密度提高了约84%. 构建表面芯吸性可以有效地增大固液接触面积并加剧表面汽膜波动,抑制了稳定膜态沸腾的出现,强化了过渡态沸腾传热.关键词:芯吸表面;淬火;沸腾传热;临界热流密度;过渡沸腾 中图分类号:T K124 文献标志码:A 文章编号:1008973X (2018)05096006S u r f a c ew i c k i n g e f f e c t o nb o i l i n g h e a t t r a n s f e r d u r i n gq u e n c h i n g MO U L i n -w e i 1,Z H A N G Y u -h o n g 1,L I J i a -q i 1,Z H A N GJ i a -y i ,J I A N GP i n g 2,F A NL i -w u 1(1.I n s t i t u t e o f T h e r m a lS c i e n c e a n dP o w e rS y s t e m s ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u 310027,C h i n a ;2.B e i j i n g I n s t i t u t e o f A s t r o n a u t i c a lS y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g 1 01300,C h i n a )A b s t r a c t :T h e e f f e c t o f s u r f a c ew i c k i n g o n t h e c o o l i n g r a t e a n db o i l i n g h e a t t r a n s f e r d u r i n gq u e n c h i n g w a s a n a l y z e d .S t a i n l e s s s t e e l s p h e r e s a m p l e sw i t h v a r i o u s s u r f a c ew i c k i n g a b i l i t i e sw e r e p r e p a r e d b y v a r y i n g t h e e t c h i n g t i m e i n a h y d r o f l u o r i c a c i d s o l u t i o n (m a s s c o n c e n t r a t i o n o f a b o u t 50%)a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e o f 50?.T h ew i c k i n g v o l u m ea n d i n i t i a lw i c k i n g f l u xo nt h e s e s a m p l es u r f a c e sw e r e q u a n t i f i e d .V i s u a l i z e d q u e n c h i n g e x p e r i m e n t sw e r e p e r f o r m e do nt h e s e s a m p l e s i ns a t u r a t e dw a t e r a t t h ea t m o s p h e r i c p r e s s u r e .W a t e r c o u l dn o t b ew i c k e db y t h e o r i g i n a l s t a i n l e s s s t e e l s u r f a c e ,a n d s u r f a c ew i c k i n g a b i l i t y w a s g r a d u a l l y e n h a n c e dw i t hi n c r e a s i n g t h ee t c h i n g t i m e .A f t e rb e i n g e t c h e db y 3m i n u t e s ,t h es u r f a c e w i c k i n g f l u x r e a c h e d 20μL /(m m 2四s ).A sc o m p a r e dt ot h eo r i g i n a ls u r f a c e ,t h eu s eo ft h i s w i c k i n g s u r f a c e w a s e x h i b i t e d t o s h o r t e n t h e c o o l -d o w n t i m eb y a b o u t 80%,a n d t h e c r i t i c a l h e a t f l u xw a s i m p r o v e db y a b o u t 84%.T h ec o n s t r u c t i o no fs u r f a c e w i c k i n g c a ni n c r e a s et h es o l i d -l i q u i dc o n t a c ta r e a sa n di n t e n s i f y t h e f l u c t u a t i o n so fv a p o rf i l m ,s u p p r e s st h ee m e r g e n c eo fs t a b l ef i l m b o i l i n g ,a n dl e a dt os i g n i f i c a n th e a t t r a n s f e r e n h a n c e m e n t d u r i n g t r a n s i t i o nb o i l i n g .K e y w o r d s :w i c k i n g s u r f a c e ;q u e n c h i n g ;b o i l i n g h e a t t r a n s f e r ;c r i t i c a l h e a t f l u x ;t r a n s i t i o nb o i l i n g 淬火是较高温度的固体直接接触后较低温度的 液体工质后所发生的快速冷却现象.当固体壁面温 度远高于冷却工质的饱和温度时,工质中的传热过程一般将依次经历膜态沸腾二过渡沸腾以及核态沸
传热学重点、题型讲解第七章 凝结与沸腾换热
第七章 凝结与沸腾换热 气态工质在饱和温度下，由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝；而液态工质在饱和温度下以产生气泡的形式转变为气态的过程称为沸腾。 第一节 凝结换热 一、概 述 二、膜状凝结换热 1.层流膜状凝结理论解 图7-1 膜状凝结换热膜内温度及速度场 (1) 纯蒸气层流液膜，物性为常量 (2) 液膜表面温度δt 等于s t （饱和温度） (3)蒸气是静止的 (4)液膜很薄且流动速度缓慢 (5)凝结热以导热方式通过液膜 (6)忽略液膜的过冷度 ???? ????+-=???? ????+??22y u dx dp g y u v x u u μρρ (1) dx dp = v ρg
()022=-+g dy u d v ρρμ (2) y = 0, u = 0； y = δ, 0=dy du ρ》v ρ ?? ? ??-= 221y y g u δμρ (3) 02 2=dy t d (4) y = 0； t = w t y = δ； t = s t t = w t + ( s t - w t ) δ y (5) ?= =δ μδ ρρ0 3 23g dy u M kg / s (6) dx dx d d dM dx dx dM δ δ= δδ d d dM = dM = δμ δρd g 2 2 (7) ??? ??+'+???? ??='+''dx dx dM M H dx dy dt H M dM H w λ r ＝ H H '-'' r δμδρd g 2 2 = dx t t w s )(δ λ- r g dx t t d w s 2 3)(ρμλδδ-= (8) ()4 /12 4?? ????-=r g t t x w s ρλμδ (9)
第七章凝结与沸腾换热
1 Chapter 7 Condensation and Boiling Heat Transfer(凝结与沸腾换热) 本章主要内容 1 Condensation Heat Transfer 凝结换热 2 Boiling Heat Transfer 沸腾换热 3 Heat Pipe 热管 学习本章的基本要求 了解凝结换热的Nusselt理论解、相似准则意义，理 解主要影响因素及掌握凝结换热关联式的应用。理解沸腾换热机理、沸腾曲线。了解主要影响因素及沸腾换热的计算方法，了解热管工作原理及其主要特点。
2 §1Condensation Heat Transfer 工质在饱和温度下由气态转变为液态的过程称为凝结或冷凝(condensation)，而在饱和温度下，由液态转变为气态的过程称为沸腾(boiling)。 1-1 Introduction 1、The process of condensation If the temperature of the wall is bellow the saturation temperature of the vapor, condensate will form on the surface. (壁温低于蒸汽饱和温度时) （1）Film condensation 膜状凝结 If the liquid wets the surface, a smooth film is formed, and the process is called film condensation 膜状凝结。这是最常见的凝结形式。例如，水蒸气在洁净无油的表面上凝结。 膜状凝结时，壁面总是被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热（潜 热）要穿过液膜才能传到冷却壁面上去，且蒸气凝结只能在膜的表面 进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传到壁。液膜层是换热的主要 热阻，故液膜的厚薄及其运动状态（层流或紊流）对换热的影响很 大。 这些又取决于壁的高度（液膜流程长度）以及蒸气与壁的温差。一 般，层流膜状凝结表面传热系数是随壁的高度及温度差的增加而降 低，而紊流膜状凝结则与此相反。
高等传热学课程论文--沸腾传热特点简介
研究生“高等传热学”论文重庆大学动力工程学院
沸腾传热特点的综述 摘要：介绍了水平管内及竖直管内流动沸腾的流型图，池沸腾及管内流动沸腾的传热强化技术，窄微流道内沸腾的传热特性。并对沸腾传热的研究方进行了展望。 关键词：沸腾传热、流型图、强化技术、传热特性 1、引言 沸腾传热和汽液两相流是由本质上十分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种热流体流动过程，在核能、火箭、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造纸等工业中得到了广泛的应用。管内流动沸腾按管道布置方式主要有水平管内流动沸腾，竖直管内流动沸腾两种方式；按流道结构分主要有圆管内流动沸腾与矩形流道内的流动沸腾；按流道的尺寸分主要有常规流道及窄微流道两种。本文主要对不同管内流动方式的特点进行综述。 2、水平管内流动及竖直管内流动沸腾 2.1 水平管内的流型 水平流动下流场受到重力场作用，呈较显著的相分布不均匀性。常见的水平同向流动的流型主要有弥散泡状流、层状流、间歇流和弥散环状流。 弥散泡状流的示意图如图1所示，从图中可以看出汽泡收到浮力影响，弥散在流道顶部。随着流速增大汽泡成泡沫状弥散与整个流道。 图1 弥散泡状流的示意图 层状流又可细分为纯层状流和波状层状流。纯层状流的示意图如图2所示，从图中可以看出汽相在流道上部流动，液相在流道底部流动，重力使两相完全分离，两相交界面光滑。随着汽相流速增大，汽液相界面呈波状，便进入波状层状流，其示意图如图3所示。 图2纯层状流示意图
图3波状层状流示意图 间歇流的示意图如图4所示，从图中可以看出间歇流是液相和汽相各自呈不同的构形在流道内交替出现。其中间歇流又可细分为塞状流、半弹状流和弹状流。塞状流：汽泡呈弹状且偏离于流道顶部流动。弹状流：液相呈连续相，夹杂有小液滴的汽块偏置于流道顶部并与泡沫状液块相同。这两种流型的间歇性都可能导致压力突然变化，引起工程中最感困惑的流道振荡破坏。半弹状流与弹状流的差异仅是泡沫状液块界面呈波状且不与流道顶部相接触。 图4间歇流的示意图 弥散环状流的示意图如图5所示，从图中可以看出水平弥散环状流的基本特征与垂直流动下的相同。主要差异是因重力作用液膜厚度周向不均匀，流道底部处膜厚大于顶部处的液膜厚度。一般不出现纯环状流流动，汽芯中往往夹带着大量弥散液滴。 图5弥散环状流的示意图 2.2 竖直管内流动沸腾的流型 实验表明垂直向上两相流动经常出现以下五种类型的流型：泡状流、弹状流、搅拌流、环状流、液束环状流。 泡状流：液相呈连续状态，汽相以大小不同、形状各异的汽泡弥散在连续液相内，并与液相一起流动。 弹状流：大块弹状汽泡与含有弥散小汽泡的液块间隔出现，在弹状汽泡的外围，液相呈降落膜状态。当泡状流中的汽相流量增大到一定值时可能发生汽泡聚合，甚至会聚合成接近管径大小的大块弹状流汽泡。Radovcich和Moissis在分析了泡状流的特征后认为：当空泡份额α≤0.1，汽泡碰撞频率较低；大于此临界值后，碰撞频率陡增；当α=0.3过渡到弹状流。 搅拌流：在孔径较大的流道中，液相呈不定型形状上下振荡运动，呈搅拌状态。在弹状流动下，若流速进一步增大，汽泡发生破裂，伴随发生在这类振荡运动。但是在小孔径流道中，不一定发生这类搅拌运动。可能发生弹状流向环状流
第19次--沸腾与凝结换热
沸腾与凝结换热 液体的沸腾和蒸汽的凝结均伴随着相变，因此又称为相变传热。这是一个很重要的传热领域，在许多工程中均有应用。例如锅炉、蒸发器、再沸器、冷凝器、水冷核反应堆等的设备中均发生相交传热过程。 这些相变传热过程均与流体的流动有关，因而同属于对流传热范畴。两者的共同特点是具有很高的换热系数，例如常压下水沸腾的换热系数可高速2500-25000W／(m2K)，水蒸汽凝结时的亦可达5000-15000W ／(m2K)，可以以很小的温差来达到很高的传热速率。但沸腾和凝结又是一种特殊的对流换热过程，有各自独特的特征。
凝结换热 凝结是蒸气(气体)转变为液态或固态的过程。实践中经常会遇到燕气的凝结。在蒸汽涡轮的冷凝器里蒸汽在冷却管表面凝结。蒸气的疑结在一些蒸发装置以及大量的热交换器设备中实现。相变时热量的释放与蒸气凝结的换热过热密切相关。 1、凝结方式：凝结既可以在蒸气空间里，也可以在换热冷却表面上进行。 在第一种情况下，当蒸气相对于饱和温度明显过冷时，在蒸气内包含的冷的液体质点或固体质点上蒸气可自发地形成冷凝相。 在第二种情况下，当蒸气和低于该蒸气压力下饱和温度的壁 面接触时，不管蒸气是饱和的或过热的，都会发生蒸气的凝结过程。 2、膜状凝结与珠状凝结 如果凝结液体能润湿壁面，则它将在壁而上形成一层连续的液膜，这样的凝结过程称为膜状凝结，如果液体不能润湿壁面，那么将发生珠状凝结过程。 膜状凝结过程中，蒸气的显热和汽化潜热通过汽液分界面经液膜传纷冷却壁面。在纯饱和蒸气凝结的情况下汽液分界面的温度恰好是它的饱和温度T s 。凝结只能在膜表面进行，潜热以导热和对流方式通过液膜传递给固体壁面。液膜形成凝结换热的主要热阻。 当蒸汽在壁面上凝成大小不等的许多液滴时，随着时间增加，由于继续凝结或与其它液滴合并，小液珠变成大浓珠，并在重力作用或蒸汽流动力的推动下往下掉落，在它往下掉落的过程中，会把一路上所遇到的液滴一起带走，在这些液珠被清扫掉的地方，蒸汽直接与壁面接触，随之又产生众多的小波滴。珠状凝结过程中，蒸气部分直接将潜热传递给壁面；液珠部分换热机理与膜状凝结相同，但液珠几何尺寸比液膜要小得多。实验表明，珠状凝结的换热系数可比同样条件下膜状凝结的换热系数高一个数量级。在相同的温差下换热系数将增加2—20倍，可高达106W ／(m 2K)。但是、工业设 备很难实现珠状凝结，因此几乎所有的凝结设备均按膜状凝结理论设计。学者们正在寻求在蒸气中或壁面上附加某些“添加剂”，以促使珠状凝结实现的方法。 一、努谢尔特层流膜状凝结理论 1916年努谢尔特首先对层流膜状凝结进行了理论上的分析，他所得出的一系列结论和实验结果基本上是吻合的。 在分析稳态层流膜状凝结问题，努谢尔特作了下列假设： (1)蒸气是静止的。图中汽、液交界处即y ＝δ处的切应力为零，即0/=??=δ y y u ，此处的δ为任一 x 截面上凝结液膜的总厚度。 (2)忽略凝液薄膜加速度的影响，即液膜很薄，可忽略液膜的惯性力。 (3)任一x 截面上，汽、液交界面即y ＝δ处的温度为蒸汽的饱和温度T s （即全部热阻集中于凝结液膜
气液两相流与沸腾传热笔记-李双双
《气液两相流与沸腾换热》读书笔记 姓名：李双双 学号：1110209148 专业：工程热物理 日期：2012.4.18
前言 林宗虎老师的《气液两相流与沸腾换热》一书对管内沸腾做了较为全面的介绍，对于初学者掌握整体的思路有较好的作用，这也是我为什么选择这本书的原因。本笔记是在阅读林老师此书的时候根据自己的理解对每章的内容做了简要的归纳，最后写下了阅读本书的读后感。读完本书后虽然已经对管内沸腾有了基本的了解，但是想要深入了解仅仅本书是不够的，还需课下阅读更多相关书籍和文献。 第一章绪论 新增内容:1、气液两相流体横掠柱体的漩涡脱落特性 2、管道内强制对流换热的强化方法 3、气液两相测试技术和多相流研究进展 两相流定义：存在变动分界面的两种独立物质组成的物体的流动。可以分为气液两相流、气固两相流、液固两相流，此外，两种不同组分的液体的共同 流动也属于两相流范畴。 两相流这一术语首先出现于美国一些研究生论文中，1943年，苏联首先将这一术语应用于 正式出版的学术刊物上。在1930-1940年期间，发表了一些研究气液两相流不稳定行及锅炉水循环中气液两相流动问题的经典型文献。1940-1950年期间，不禁对双组份气液两相流的流动阻力等问题进行了研究，而且还将研究工作深入到具有热交换的单组份气液两相流领域。 气液两相流和传热学科的形成和发展是和工程技术的进展密切相关的。 气液两相流的基本参数-P18 第二章气液两相流的流型和流型图 气液两相流体在水平管中流动时的流型种类比垂直管多，这主要是由于重力的影响使两相有分开流动的倾向造成的。本书介绍了两相流体在水平、垂直、倾斜、U型管、螺旋管、垂直上升狭槽、水平管束、孔板和文丘里管（研究不充分）等中的流型及流型图。 气液逆流中的现象：液泛和回流（对于反应堆的安全性研究有重要意义） 液泛：在逆流接触的气-液反应器或传质分离设备中，气体从下往上流动。当气体的流速增大至某一数值，液体被气体阻拦不能向下流动，愈积愈多，最后从塔顶溢出，称为液泛。在设计设备时，必须使设备的操作不致发生液泛。 回流现象：一带有注液设备的垂直管，液体自管壁上的小孔流下，气体自下往上走。当气体流量降到一定值时，液膜将出现不稳定现象，两相分界面出现较大振幅的波动，液膜有下降到注液区下方的趋势。 鉴于液泛和回流现象对于反应堆安全的重要性，相关工作正在加紧进行。哈尔滨工程大学的李希川等人对竖直窄矩形流道进行了液泛研究，并与传统流道进行了对比。结果表明，竖直窄矩形流道内液泛起始点符合Wallis 关系式，与传统流道液泛起始点以压差突变进行判断不同，窄矩形流道内液泛起始点的判断以有水被携带出流道为标志。窄矩形流道内完全携带点与水流量大小、实验段入口条件无关，只与气体流量大小有关; 流向反转点与试验段壁面干燥程度有关，与水流量大小及气体入口条件无关．《竖直窄矩形流道液泛研究》对于气液两相逆向流的流型图研究很少。研究表明，和气液两相同时向上升或同向下降流动时的流型图不同，在气液两相逆向流动的流型图中，同一区域可以发生多种流型。气液两相流的流型图对于设计是否有意义，目前工程上的大量气液两相流计算一般不考虑流型影
沸腾换热进展
沸腾换热进展 当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。 液体在加热面上沸腾时的换热过程，是具有相变点的两相流换热。当加热壁 面温度T W 超过液体的饱和温度 T S 并达到一定数值时，液体即在加热面的某些点 上形成汽泡。这些点称为汽化核心，通常出现在加热表面的凹坑上。汽泡形成后不断长大、脱离、上浮。汽泡在成长大过程中吸收大量汽化潜热，汽泡的脱离和上升动又产生剧烈扰动，所以沸腾换热比单相流体的对流换热强烈得多。一．沸腾换热 1.沸腾换热分类 沸腾有多种形式。如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾；若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由表面，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾（或池沸腾）；如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，则称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。 （1）大空间沸腾与有限空间沸腾 高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾，称为大空间沸腾，又称池沸腾；沸腾过程受到沸腾空间的限制，沸腾产生的蒸汽和液体混合在一起，构成汽液两相混合物（两相流），称为有限空间沸腾，又称受迫对流沸腾或管内沸腾。 图1 加热表面 （2）过冷沸腾与饱和沸腾 流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象，称为过冷沸腾；而液体温度始终保持大于液体的饱和温度，则称为饱和沸腾。 2. 沸腾换热机理 （1）气泡的成长过程 实验表明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。