第六章 第四、五、六节传热学讲稿

• 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。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
气泡动力学简介
气泡动力学简介
wenku.baidu.com
气泡成长过程
气泡存在的条件
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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
• 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。
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。
pl ps
R 2
pv ps
tl ts tv
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
对汽泡存在条件的分析
• 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。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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。
留下的空间。
• 演示：单个气泡的生成长大过程
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
临界热流密度
• 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。
第四节 沸腾换热现象
• 概念：当液体与温度高于其相应压力下饱和温度的壁面接 触时，液体在固体壁面会发生沸腾，这时的换热称为沸腾 换热。
• 分类： 1. 依据沸腾时液体温度的高低，沸腾换热可以分为： 饱 和沸腾和过冷沸腾； 2. 根据沸腾空间的大小，沸腾可分为：大容器沸腾和管内 强制对流沸腾
·不管是那种沸腾换热，在液体内部均产生汽泡。因此要了 解沸腾传热，必须先了解汽泡在沸腾过程中的行为，即了 解汽泡动力学方面的知识。这有助于理解影响沸腾换热的 一些因素和强化沸腾换热的措施。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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 腾。
w
高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸
• 过温腾度。冷t沸w 高腾于：饱流和体温主度体时温所度发低生于的饱沸和腾温称度为t s 过，冷壁沸面
• 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。
• 由此可以得到汽泡在液体中存 在的条件为
pl pv
R
压力
R2pvpl
表面张力
2R
R 2p vp l2 R
R 2
pv pl
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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 p v 压力下的饱
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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。
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
孤立气泡区的照片
汽块区的照片
第六章 第四、五、六节传热学讲 稿
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。