沸腾传热过程
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沸腾传热系数计算
大容器饱和核态沸腾：
➢ 米海耶夫公式：
对于特定介质水，在 105—4×106 Pa下米海耶夫推荐采 用下式计算：
h 0.1224 t 2.33 p 0.5
由 q=ht，消去t，得
h 0.5335 q 0.7 p 0.15
➢ 罗诺森公式：
基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换
➢ 库珀（Cooper）公式：
h
Cq
0.67
M
0.5 r
prm ( lg
pr
) 0.55
C 90 W0.33 /(m0.66 K)
m 0.12 0.21lg Rp μm
式中：Mr 为液体的分子量； pr对比压力（液体的压力与其临界压力之比； Rp为表面粗糙度。
6
沸腾传热机理
由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内 的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气 泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围 液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。
沸腾给热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的
液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，沸腾 无相变
➢ 沸腾曲线： 液体主体达到饱和温度ts，随壁面过热度⊿t=tw-ts的
增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大 气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度⊿t的变化关 系，称为沸腾曲线。
7
沸腾传热机理
大容器饱和沸腾曲线：
➢ A 然对流区pure convection t<4℃ 过热液体对流到自由液 面后蒸发
10
沸腾传热机理
➢ 水平管内强制对流沸腾：
11
沸腾传热机理
管内沸腾传热：
✓ 无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处
于过冷状态，称为过冷沸腾。 ✓ 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。
形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进 一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环 状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为 蒸干。 ✓ 单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相 传热区。
✓ 强制对流沸腾(Forced convection boiling) ——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。 汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成 汽—液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。 工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。
4
沸腾传热过程简介
➢ 按主体温度分： ✓ 过冷沸腾(Subcooled boiling)
液体内部有气泡产生。 实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。 ➢ 汽化核心： 实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹 缝上产生，这些点称为汽化核心。
3
沸腾传热过程简介
沸腾传热分类：
➢ 按流动动力分： ✓ 大容器(或池)沸腾(Pool boiling)
——加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。
热的设想。
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沸腾传热系数计算
罗森诺基于St = f ( Re, Pr )也应该适用于沸腾换热的理 念，通过大量实验得出了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re0.33 Prls
St Nu r Re Pr C pl t
Re
q
l r
g(l v )
Prl
C pll l
式中，r — 汽化潜热；
——液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。 ✓ 饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)
——液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中 不会再重新凝结。 如：烧开水
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沸腾传热机理
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。
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沸腾传热系数计算
Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度；
l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
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沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
பைடு நூலகம்
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
➢ B,C核态沸腾区Nucleate boiling B 孤立汽泡区： 汽泡彼此不干扰， 对液体扰动大， 换热强 C 汽块区： 扰动更强q上升
C AB
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D F
E
沸腾传热机理
➢ D过度沸腾区 Transition boiling regime
汽泡迅速形成，许多汽泡连成一 片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜 的导热系数低。 ➢ E,F稳定膜态沸腾区 Stable film boiling regime
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
沸腾传热过程
周帼彦 副教授 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化
2
沸腾传热过程简介
沸腾传热：
✓ 物质由液态变为气态时发生的换热 ✓ 与冷凝是相反过程 ✓ 沸腾比凝结复杂得多 ➢ 主要特征：
➢ 气泡生成的必要条件： ✓ 液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱 和温度ts ； ✓ 加热壁面上应存在有汽化核心。
➢ 传热表面的汽化核心： 传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度、氧化情
况以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 一般认为：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成
为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里 就成为孕育新生汽泡的胚胎。
汽泡的产生和脱离速度几乎不 变，在壁面上形成稳定的汽膜。
E 区：辐射比例小 F区：辐射所占比例越来越大
CD
F
AB
E
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沸腾传热机理
管内沸腾传热：
➢ 竖直管内强制对流沸腾：
流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽
换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
沸腾传热系数计算
大容器饱和核态沸腾：
➢ 米海耶夫公式：
对于特定介质水，在 105—4×106 Pa下米海耶夫推荐采 用下式计算：
h 0.1224 t 2.33 p 0.5
由 q=ht，消去t，得
h 0.5335 q 0.7 p 0.15
➢ 罗诺森公式：
基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换
➢ 库珀（Cooper）公式：
h
Cq
0.67
M
0.5 r
prm ( lg
pr
) 0.55
C 90 W0.33 /(m0.66 K)
m 0.12 0.21lg Rp μm
式中：Mr 为液体的分子量； pr对比压力（液体的压力与其临界压力之比； Rp为表面粗糙度。
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沸腾传热机理
由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内 的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气 泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围 液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。
沸腾给热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的
液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，沸腾 无相变
➢ 沸腾曲线： 液体主体达到饱和温度ts，随壁面过热度⊿t=tw-ts的
增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大 气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度⊿t的变化关 系，称为沸腾曲线。
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沸腾传热机理
大容器饱和沸腾曲线：
➢ A 然对流区pure convection t<4℃ 过热液体对流到自由液 面后蒸发
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沸腾传热机理
➢ 水平管内强制对流沸腾：
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沸腾传热机理
管内沸腾传热：
✓ 无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处
于过冷状态，称为过冷沸腾。 ✓ 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。
形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进 一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环 状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为 蒸干。 ✓ 单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相 传热区。
✓ 强制对流沸腾(Forced convection boiling) ——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。 汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成 汽—液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。 工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。
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沸腾传热过程简介
➢ 按主体温度分： ✓ 过冷沸腾(Subcooled boiling)
液体内部有气泡产生。 实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。 ➢ 汽化核心： 实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹 缝上产生，这些点称为汽化核心。
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沸腾传热过程简介
沸腾传热分类：
➢ 按流动动力分： ✓ 大容器(或池)沸腾(Pool boiling)
——加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。
热的设想。
13
沸腾传热系数计算
罗森诺基于St = f ( Re, Pr )也应该适用于沸腾换热的理 念，通过大量实验得出了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re0.33 Prls
St Nu r Re Pr C pl t
Re
q
l r
g(l v )
Prl
C pll l
式中，r — 汽化潜热；
——液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。 ✓ 饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)
——液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中 不会再重新凝结。 如：烧开水
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沸腾传热机理
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。
16
沸腾传热系数计算
Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度；
l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
14
沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
பைடு நூலகம்
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
➢ B,C核态沸腾区Nucleate boiling B 孤立汽泡区： 汽泡彼此不干扰， 对液体扰动大， 换热强 C 汽块区： 扰动更强q上升
C AB
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D F
E
沸腾传热机理
➢ D过度沸腾区 Transition boiling regime
汽泡迅速形成，许多汽泡连成一 片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜 的导热系数低。 ➢ E,F稳定膜态沸腾区 Stable film boiling regime
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
沸腾传热过程
周帼彦 副教授 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化
2
沸腾传热过程简介
沸腾传热：
✓ 物质由液态变为气态时发生的换热 ✓ 与冷凝是相反过程 ✓ 沸腾比凝结复杂得多 ➢ 主要特征：
➢ 气泡生成的必要条件： ✓ 液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱 和温度ts ； ✓ 加热壁面上应存在有汽化核心。
➢ 传热表面的汽化核心： 传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度、氧化情
况以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 一般认为：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成
为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里 就成为孕育新生汽泡的胚胎。
汽泡的产生和脱离速度几乎不 变，在壁面上形成稳定的汽膜。
E 区：辐射比例小 F区：辐射所占比例越来越大
CD
F
AB
E
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沸腾传热机理
管内沸腾传热：
➢ 竖直管内强制对流沸腾：
流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽
换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热