7.4 沸腾传热的模式
传热学7-2

热管中各个传递环节的热阻分析
设热管的外径 do =25mm, 内径 di =21mm,蒸发段长度 le及冷 凝段长度 lc均为 1m,碳钢导热系数 =43.2 W/(m· K)。热量从热 流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下: (1). 从热流体到蒸发段外壁的换热热阻 R1 设蒸发段外表面总表面传热系数为 ho,e,则:
D
F
A B E
6/45
三 气泡动力学简介
1 沸腾传热具有较高传热强度的原因 气泡的形成、成长、脱离壁面所引起的各种 扰动而造成的。 要进一步强化沸腾传热就要设法增加加热表 面上产生气泡的地点----汽化核心 2 汽化核心产生地点
加热表面上凹坑、裂穴最有可能成为汽化核心
7/45
3 加热表面上要产生气泡液体必须过热
C
D
F
A B E
t q
5/45
沸腾传热有:
(1)壁温可以控制的情况 (2)热流密度可以控制的情况
C
临界热流密度 qmax
对于依靠控制热流密度来改 变工况的加热设备(电加热器 和核反应堆),一旦热流密度 超过峰值,工况将沿qmax 虚线 跳至稳定膜态沸腾线, t 将 猛升至近1000 º C,可能导致设 备的烧毁,所以qmax亦称烧毁点。 必须严格监视并控制热流密度。
R7
1
d o l c ho,c
在 R1~R7中,属于热管内部的热阻为R2~R6,其和为 6.78 10-3 K/W。一根长2m、直径为25mm的铜棒的热阻是上述钢-水 热管的1500倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为“超导 热性”。
本章作业
7-5、7-8、7-21、7-24、730、7-32
传热-第7章-2

School of Energy and Power Engineering - NCEPU
主讲:魏高升 主讲:
33%
100%
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主讲:魏高升 主讲:
(3)库珀(Cooper)公式(适用于制冷剂): 库珀(Cooper)公式 适用于制冷剂): 公式(
g ( ρl − ρ v ) q w = ηl r γ
1/ 2
c p , l ∆t n Cwl rPrl
3
(2)加热表面状况 :决定汽化核心数目的多少。 决定汽化核心数目的多少。 (a) 壁面材料的种类、热物理性质以及壁面的厚 壁面材料的种类、 度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、加热壁面的吸 度等。如壁面与沸腾液体间的润湿性、 热系数 (λρc)1/2对沸腾换热都有影响; 对沸腾换热都有影响; (b) 加热壁面的粗糙度; 加热壁面的粗糙度 的粗糙度; (c) 加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。 加热壁面的氧化、老化和污垢沉积情况等。
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主讲:魏高升 主讲:
7-5 沸腾换热计算公式 1.大容器饱和核态沸腾换热计算公式 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 米海耶夫公式(适用于水在10 力下大容器饱和沸腾) 力下大容器饱和沸腾):
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主讲:魏高升 主讲:
(3)不凝结气体:强化传热 不凝结气体: (4)加热表面的大小与方向以及液体自由表面 的高度(即液位)等因素的影响。 的高度(即液位)等因素的影响。 了解影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就 了解影响核态沸腾换热主要因素的主要目的就 是为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。 是为了确定强化或者削弱沸腾换热的方法。
第7章凝结与沸腾换热42页PPT

tw
3、常物性;
4、蒸气静止,忽略蒸汽对液膜的粘滞力;
5、液膜速度很低,忽略其惯性力; 6、液膜表面温度等于蒸汽饱和温度, (tδ=ts); 7、液膜内只有导热,无对流,膜内温度为线性;
8、液膜表面平整,无波动。
2020/5/24
52-8
以竖壁、稳态、膜状凝结为例:
y
连续性方程:
u x
v y
0
g 动量方程: ( l u u xv u y)lgd d p xl y 2u 2
y :
du 0, dy
t ts
求解思路: 根据微分方程及边界条件求得液膜厚度、液膜内的 速度场和温度场,再根据导热方程和牛顿冷却公式 得出表面换热系数的理论解。
2020/5/24
52-11
计算结果:
液膜厚度:
4llg(tsl2rtw)x1/4
r-潜热
局部表面传热系数:
hx 4lg(trs l2t3lw)x1/4
2020/5/24
52-1
§7-1 凝结传热的模式
2020/5/24
52-2
2020/5/24
52-3
蒸汽与低于饱和温度的冷壁接触会发生凝结现象。 液体对固体的浸润性
两种凝结方式: 膜状凝结
膜状凝结特点:
1、液体能够浸润壁面;
tw
2、壁面覆盖一层液膜,热阻主 要为液膜传热热阻
2020/5/24
例:水 蒸气含1%空气可使h下降60% 不凝性气体的存在使蒸汽分压力下降,由热力学可知 相应的饱和温度将下降,降低了凝结温度差。
2 管子排数
n排横列管子总的换热通常优于n组单排管换热效果 原因:上排管滴落的液滴会对下排管液膜产生冲击
2020/5/24
沸腾传热强化技术及方法

沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法是近年来受到越来越多的关注的技术,它能够显著提高传热效率,降低传热过程中的能耗。
沸腾传热强化技术及方法是一种在热传导过程中利用沸腾现象改善传热效率的技术,它主要通过改变传热介质的状态,使流体进入沸腾状态来提高传热效率。
沸腾传热强化技术及方法的主要方法包括:一种是通过改变传热介质的压力来改变沸腾温度,使流体进入沸腾状态,从而提高传热效率;另一种是通过改变流体的流速来改变沸腾温度,使流体进入沸腾状态;还有一种是可以通过改变流体的物性来改变沸腾温度,使流体进入沸腾状态。
沸腾传热强化技术及方法的应用场合非常广泛,主要用于控制热传导过程中的温度场、改善传热介质的流量分布、缩短传热过程的时间,以及在高压和超高压条件下的传热研究等。
沸腾传热强化技术及方法的使用,不仅可以提高传热效率,而且还可以节约能源,改善热能利用效率。
此外,沸腾传热强化技术及方法还具有一定的局限性,比如传热过程中存在较大的压力损失,同时也存在一定的操作风险,因此在沸腾传热强化技术及方法的运用中,必须谨慎操作,以避免因不当操作而可能带来的损失。
总之,沸腾传热强化技术及方法是一种可以显著提高传热效率的技术,它的应用场景非常广泛,可以节约能源,改善热能利用效率,但是在运用中也应该谨慎操作,以免造成不必要的损失。
7.4沸腾传热解析

饱和水蒸汽在长2m,外径19mm的管外凝结, 如气压为0.074bar(绝对),管壁平均温度为2 5℃,求将管横放和竖放时的平均凝结换热系 数及凝结液量。
本章作业
• 7-11、7-17、7-23
T
Tl
Ts
2Ts rv R
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
克拉贝隆方程
式中: — 表面张力,N/m;r — 汽化潜热,J/kg v — 蒸汽密度,kg/m3;tw — 壁面温度,C ts — 对应压力下的饱和温度, C
沸腾分类
饱和沸腾 大空间沸腾
过冷沸腾
管内沸腾 饱和沸腾 过冷沸腾
t ts t ts
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
(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。
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?
q
l
r
g
l
v
1 2 C pl t
C
wl
r
Prl
s
3
863 k W
可见, (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上,可成为汽 化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
Nucleate boiling
A
D
Transition boiling
相变对流传热

h
Cq0.67 M
P 0.5 m
r
r
(
lg
Pr
) 0.55
C 90W 0.33 /(m0.66 K )(7 18)
m 0.12 0.2 lg Rp m
式中:
M r 液体的相对分子质量(即分子量);
pr
p pc
对比压力;
Rp 表面平均粗糙度, m(一般工业管材,为0.3 0.4m);
Prls
合用范围:单组分饱和液体在清洁壁面上旳沸 腾换热,可用于不同形状旳表面。
以上两式中各参数旳含义:
cpl 饱和液体的比定压热容, J /(kg K );
Cwl 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;
Prl 饱和液体的普朗特数, Prl
7.7.3 热管旳应用
1. 航天技术 卫星表面旳等温化; 卫星内仪器设备旳温度控制
2. 热能动力工程 空气预热器, 用于烟气旳热回收
3. 电子技术 电子元器件旳冷却
沸腾换热部分要点
一、沸腾旳概念、推动力、特征及分类 二、大容饱和沸腾曲线
各阶段旳换热规律,几种关键点 ( 尤其是 烧毁点 ) 及实用中应注意旳问题 三、大容器饱和沸腾换热旳计算
定性温度 : tm
1 2
(t w
ts );其中l , r由ts确定;
特征长度 : 管子外径d
比较: 水平管外膜状凝结换热 :
h 0.729[
gr
2 l
3l
]1/ 4 (6 4)
l d (ts tw )
2、考虑辐射影响时旳总表面传热系数
(勃洛姆来)超越方程 : h4/3 hc4/3 hr 4/3 (7 22)
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
传热学相变对流传热

水冷壁中的传热恶化 (1)第一类传热恶化:在热负荷较高、管内质量含汽率较低的情况下, 由核态沸腾转变为膜态沸腾的传热恶化。通常发生在亚临界压力下。
(2)第二类传热恶化:发生在热负荷较低、管内质量含汽率很高的情况 下。管子内壁上水膜因蒸发或被汽流撕破而消失,从而管壁直接与蒸汽 接触,即蒸干,称为第二类传热恶化。 抑制和推迟方法 (1)内螺纹管;(2)适当提高管内质量流速
(3) 易形成气化核心的位置
壁面上的凹穴和裂缝
原因
• 受热面积大 • 易残留气体
➢管内沸腾影响因素
含气量、质量流率和压力
流动类型 换热类型
• 单相流 • 单相对流换热
• 泡状流 • 过冷沸腾
• 块状流 • 环状流 • 单相汽
• 核态沸腾 •液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
蒸干:液膜消失
加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾
加热表面
2. 沸腾传热分类 ➢ 根据流体运动的动力:
管内沸腾——外加压差作用 液体在外力的作用下,以一定的流速流过壁面时所
发生的沸腾换热。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
Liquid Bubble Slug
Annular
Mist
32
1/ 4
rg l l
h 1.13 L(t t ) q
h(ts
tw
)
1.13
rg3l l2 l L
1/ 4
l
(ts
tw
s
)3/ 4
w
➢严重性:1% 的不凝结气体能使 h降低 ~ 60% ➢凝汽器工作中,排除不凝结气体是保证设计能力的关键
➢ 蒸气流速——改变液膜厚度
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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]。