沸腾传热 ppt课件

流动沸腾
流动沸腾： 管内沸腾比大空间沸腾更为复杂，因为它的沸腾工况不 仅与压力、热通量有关；而且还受到流体的流速、流体中 每一管道截面上的蒸汽含量的影响。对这方面的了解还不 够，这里仅能在大空间沸腾研究的基础上对管内流动沸腾 加以概括介绍。 在较低热流密度时，流动沸腾的六种形式：单相对流传热、 欠热泡核沸腾、饱和泡核沸腾、通过液膜的强制对流蒸发 传热、缺液区传热和单相蒸汽对流传热。 在较高热流密度时，当汽泡产生的频率高到在汽泡脱离壁 面之前就形成汽膜时，就发生偏离泡核沸腾（即DNB型 CHF)。在DNB后是反环状流型，相应的传热工况为膜态沸 腾。
➢ 确定过冷沸腾起始点的位置的较为普遍的方法是 把Jens-Lottes沸腾传热方程与单相强迫对流方程 联合求解，得到如下关系式：
在水冷核反应堆的某些事故规程中,堆芯内燃料元件外表 面可能经历欠热泡核沸腾、饱和泡核沸腾、强迫对流蒸 发、临界对流蒸发、临界热流密度、过渡沸腾和膜态沸 腾等一系列沸腾传热工况。
两种基本的沸腾型式：大容积沸腾和流动沸腾
两个定义：壁面过热度和欠热度
壁面过热度：壁 面温度与饱和温 度之差
欠热度：饱和温 度与主流流体温 度之差
临界热流密度工况是指传热机理正好发生变化 而使传热系数突然下降的状态。临界热流密度 （CHF）则指在该工况下的热流密度值。
偏离泡核沸腾工况（DNB）：在高热流密度下，由 泡核沸腾直接向膜态沸腾的转变，后果是烧毁。
蒸干(dry out)：在低热流密度和高含汽率的环流流 动区，附壁液膜会因蒸干或撕破等原因而消失，从 而导致壁面干涸。蒸干时的热流密度远低于实际烧 毁的热流密度。壁温上升不很剧烈，一般不会使壁 面烧毁。
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：
，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
部分沸腾区：由较少汽泡发源点构 成，大部分热量是通过单相对流方 式由汽泡间的壁面向流体进行传递， 故并入液体的单相区
沸腾传热
为什么要研究沸腾换热
前面研究了单相流体和固体壁面间的对流换热．在反应 堆热工计算中，还会遇到液体沸腾或蒸汽凝结等有相变 的对流换热，在动力堆热工系统中，蒸汽发生器中必然 遇到沸腾时的对流换热。在压水堆堆芯中，为了提高堆 的热功率，允许燃料元件包壳外表面的温度超过水的饱 和温度，即在活性区内存在着不同程度上的过冷沸腾。 在正常运行状态下一般允许堆芯内冷却剂发生泡核沸腾, 即在堆芯内平均通道的出口段允许出现欠热泡核沸腾， 在最热通道的出口段甚至还允许出现饱和泡核沸腾。
➢ 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:
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）
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
曲线
Aห้องสมุดไป่ตู้B
B-C
C-D
D-E
名称
对流沸腾
泡态沸腾
过渡态沸腾
膜态沸腾
tw-ts
<5℃
5℃～30℃ 30℃～120℃
>120℃
现象 热流密度
气泡微小，附 气泡不断产
着于壁面不能 生、长大、
浮升
浮升、逸出
很小
急剧增大
气泡太多形成气 膜，阻碍传热
下降
形成稳定气膜， 与壁面辐射换 热量显著增加
回升
各区传热机理和传热关系式
——热流密度不断增加到qc （106W/m2）附近时,沸腾状
态将由C点沿红线跳跃至E点， 壁温突然升至1000 ℃以上，
设备将在瞬间烧毁。
实例：在高压锅炉水冷壁设计中，务必使热流密度小于106W/m2
水的大空间沸腾 换热计算式：
已知热流密度： h 0 .5 3 3q 0.7 p 0.15 已知壁温： h 0 .1 2 2 p 2.33 p 0.5
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
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
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
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
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
稳定膜态沸腾（DEF）
机理：一层连续的蒸汽膜覆盖在加热表面上， 热量的传递主要通过这层蒸汽膜的导热、对流 和热辐射，蒸汽以汽泡的形式从汽膜中逸出。 主要热阻局限在这层汽膜中。壁面与液体之间 的温差非常大，液体不能接触壁面，以维持汽 膜的稳定。
膜态沸腾换热系数比核态小得多，高热流你读 下燃料包壳的温度必升得很高，因此反应堆正 常运行时不允许发生膜态沸腾。
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
自然对流区（A点以
前）：
N u0.1(4G•rP1 r/3)
•泡核沸腾区（ABC）： 主要的传热机理：
1. 汽化潜热传热
2. 汽-液置换
3. 微对流
水的泡核 沸腾经验 关系式
TW TS 25(1q06)0.25exp(p/6.2) TW TS 22.65(1q06)0.5exp(p/8.7)
泡核沸腾进一步解释
垂直管内对流沸腾的流型和传 热工况（低q）
A：单相液体对 流 B：欠热泡核沸 腾 C+D：饱和泡 核沸腾 E+F：通过液膜 的强制对流蒸 发传热 G：缺液区传热 H：单相蒸汽对 流传热
高热流密度下的对流沸腾的流 型和传热工况
DNB-偏离泡核沸腾：在很高热流 密度下,当气泡产生的频率高到在 汽泡脱离壁面之前就形成了汽膜 时，就发生偏离泡核沸腾(即 DNB型CHF)。
常用的泡核沸腾传热关系式
TW TS 25(1q06)0.25exp(p/6.2) TW TS 22.65(1q06)0.5exp(p/8.7)
以上两式表明，在欠热和饱和沸腾工况下，传热机理 或传热关系式与欠热度TSUB（或含汽率xE）和流动速 度u（或质量流密度G）无关，主要受壁面过热度 （TW-TS）和系统压力p所支配。
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
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
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
随着（tw-ts)的增加，加热面上生成的汽泡也随之增多， 汽泡在层流底层运动，产生很大的扰动，使换热显著 增加，这就是泡核沸腾。
泡核沸腾传热经验关系式
TW TS 25(1q06)0.25exp(p/6.2) TW TS 22.65(1q06)0.5exp(p/8.7)
过冷度（欠热度）
过冷沸腾换热系数比单相水的对流换热系数高的主要 原因是气泡扰动了边界层。当过冷度较大时，水流温 度比较低，汽泡还来不及冲破边界层就已经凝结了， 这是汽泡对边界层的扰动不是很强烈，所以换热系数 提高的并不多。过冷度减小到水温就越接近于饱和温 度，汽泡就越不容易凝结成水，它走的距离就越大， 对边界层的破坏作用就越大，因而放热系数大大增加。 但过冷度小到一定程度，汽泡已经能够冲破边界层厚 度，这时即使再减小过冷度，放热系数也不会再提高 了，因为对流换热的热阻主要集中在热边界层内，湍 流中心区的扰动本来就很强烈，小汽泡的扰动作用在 那里是微不足道的，并且小汽泡一进入主流核心区就 凝结掉了
由于汽泡在加热面上连续不断地生成和脱离表面后的 运动，从而加剧了层流底层的扰动，所以，液体在管 内流动时，有过冷沸腾时的放热系数要比无过冷沸腾 时的放热系数大得多。
在q较小，和过冷度较大的情况下，由于（tw-ts)较小， 形成的汽泡很少，而且主流水温比饱和温度低得较多， 故汽泡脱离加热面后只能运动一段很短距离就被凝结 掉了，所以此时换热没有明显的增加；
最小膜态沸腾点和过渡沸腾工况
最小膜态沸腾点D：在降低壁面热流密度时， 可以发生从膜态沸腾向泡核沸腾的直接转变， 该转变点叫最小膜态沸腾点D。它是稳定膜态 沸腾的低限，相应于连续汽膜的破坏和液-固接 触的开始点。膜态最低热流密度qmin。
过渡沸腾工况CD：汽液交替覆盖加热表面，表 现出瞬态变化的传热特性，因此是一种不稳定 工况。其特点是随壁面过热度的升高，热流密 度反而下降。
过冷沸腾： tf ts，twts
大空间饱和沸腾 过程的四个阶段： （控制壁温加热）
对流沸腾 过渡态沸腾
泡态沸腾 膜态沸腾
大容积沸腾传热
大容器饱和沸腾曲 线（左图）：
A点前：自然对流区； AB-核态（微弱）沸腾 BC-泡核沸腾 CD-过渡沸腾 DE和EF-稳定膜态沸
腾
大空间饱和沸腾过程的四个阶段 （控制壁温加热）
水平管内沸腾
液
泡
块
波
环
气
相
状
状
浪
状
相
单
流
流
流
流
单
相
相
流
流
汽水分层，管上半部局部换热较差
三个点
泡核沸腾起始点（ONB）(同时 满足单相对流传热方程和泡核 沸腾传热方程）
汽泡脱离加热壁面点（FDB） （净蒸气产生开始点）
热平衡饱和沸腾起始点：流体 平均温度上升到当地压力下的 饱和温度的点，或者流体比焓 上升到当地压力下的饱和液体 的比焓的点。