7.4沸腾传热

在室温下，玻璃的导热系数比空气大50倍以上， 因此希望采用双层结构的窗户，在这种结构中， 两层玻璃板之间有空气层。若通过空气层的传 热为导热，可以通过增大间隙厚度δ来提高相 应热阻。但是，这种方法的功效受到一些限制， 因为如果δ超过临界值就会引发对流流动，从 而使热阻降低。 考虑温度分别为22℃和-20℃的垂直玻璃板封 装的常压空气。要是通过空气的传热为导热， 允许的最大间距是多少？
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
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7-11、7-17、7-23
2Ts T Tl Ts r v R
R RminБайду номын сангаас2 Ts r v (t w t s )
3
液位高度
当传热表面上的液位足够高时， 沸腾换热表面传热系数与液位 高度无关。但当液位降低到一 定值(临界液位)时，表面传热 系数会明显地随液位的降低而 升高。
4 重力加速度 随着航空航天技术的进步，超重力和微重力条件下的传热规律 得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表 明，从0.1 ~ 1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没 有影响，但对自然对流换热有影响，由于
沸腾传热
7.4 沸腾传热的模式 7.5 大容器沸腾传热的实验关联式 7.6 沸腾传热的影响因素及其强化
基本概念
定义：
a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态
的一种剧烈的汽化过程
b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁
面冷却的一种传热方式
沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用
沸腾分类
大空间沸腾 管内沸腾
饱和沸腾
过冷沸腾
饱和沸腾
t t s t t s
过冷沸腾
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
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？
g l v q l r
12
C pl t 2 863 kW / m s C wl r Prl
3 14 v ) v

式中，除了r 和 l 的值由饱和温度 ts 决定外，其余物 性均以平均温度 tm ＝( tw＋ts ) / 2 为定性温度，特 征长度为管子外径d, 如果加热表面为球面，则上式中的 系数0.62改为0.67
（2）考虑热辐射作用
由于模态换热时，壁面温度一般较高，因此，有必要考 虑热辐射换热的影响，它的影响有两部分，一是直接增 加了换热量，另一个是增大了汽膜厚度，从而减少了换 热量。因此，必须综合考虑热辐射效应。 勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：
h 0.533 q p
0.7
0.15
按
q ht

h 0.122 t
2.33
p
0.5
（2）罗森诺公式——多种液体
既然沸腾换热也属于对流换热，那么，st = f ( Re, Pr ) 也应该适用。罗森诺正是在这种思路下，通过大量实验得出 了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re 0.33 Prls
特点：沸腾状态随流向不断改变 流体的运动是由外部手段及自然对流和气泡引发的混合而引起的
将同样的两滴水分别滴在温度为120℃和300 ℃的锅面上，试问哪只锅上的水先被烧干， 为什么？
大容器饱和沸腾曲线
C Departure from Nucleate boiling
t t w t s 0
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 可见， (tw – ts ) , Rmin 化核心的凹穴数量增加 同一加热面上，可成为汽 汽化核心数增加 换热增强
3
Q＝qA＝59.1kW
m
Q 94 kg / h r
1 q max .149 r gg l v )1 4 1.26 MW / m 2 qm ax 0 rv 2 v ( l v
14
24
一个柱形金属铠装加热元件水平的浸没在水浴中，它的直径为 6mm，表面发射率为1。在稳态条件下金属的表面温度为255℃。 计算单位长度加热器的功耗。
式中，
r — 汽化潜热； Cpl — 饱和液体的比定压热容 g — 重力加速度
Nu r St Re Pr C pl t
Re q l r

g ( l v )
l —饱和液体的动力粘度
Cwl — 取决于加热表面－液体
组合情况的实验常数(表7-1) q — 沸腾传热的热流密度 s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7



产生沸腾的条件
(2) 液体过热
dW ( pv pl )dV dA
4 3 2 dW 0, dV d R , dA d 4R 3


2 pv pl R
pv pl , pl ps Tv Tl Ts
大容器沸腾换热计算式
1 大容器饱和核态沸腾
hr
4/3
h 254 .1W / m 2 K
Q hd (t w t s ) 742W / m
1 、在对流温度差大小相同的条件下 , 在夏季 和冬季 , 屋顶天花板内表面的对流换热系数是 否相同 ? 为什么 ? 2、在地球表面某实验室内设计的自然对流换 热实验，到太空中是否仍然有效，为什么？
4 h 4 3 hc 3 hr4 3
hr
4 (Tw Ts4 )
Tw Ts
影响沸腾换热的因素
沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也 最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因 素也只针对大容器沸腾换热。 1 不凝结气体 液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种程度的强化 2 过冷度 只影响过冷沸腾，不影响饱和沸腾，因自然对流换热 时， h (t w t f ) n ，因此，过冷会强化换热。
Prl
C pll
l
2 大容器沸腾的临界热流密度
书中推荐使用如下经验公式：
qm ax

24
1 rv 2
g (l v )
14
物性值由饱和温度 ts 决定外
3 大容器膜态沸腾的实验关联式
（1）横管的模态沸腾
gr v ( l h 0.62 v d (t w t s )
tw ts tm 177℃ 2
Tw4 Ts4
Tw Ts
gr v l v v hc 0.62 v d t w t s
h 4 / 3 hc
4/3
3

14
238W / m 2 K


hr
21.3W / m 2 K
E
B Natural convection Nucleate boiling Transition boiling Film boiling A D
管内沸腾换热
产生沸腾的条件
(1) 汽化核心
实验表明，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，这些产生气泡的点被称为汽化核心.较普 遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽 化核心，如图所示。
Gr
gtl
3
2
Nu C (Gr Pr)n
因此，g Nu 换热加强。
5 沸腾表面的结构 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心，因此，凹坑 多，汽化核心多，换热就会得到强化。近几十年来的强化 沸腾换热的研究主要是增加表面凹坑。目前有两种常用的 手段： (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。
影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而
汽化核心数受材料、表面状况、压力等因素的支配，所以
沸腾换热的情况液比较复杂，导致计算公式分歧较大。目 前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广 泛适用于各种液体的。 为此，书中分别推荐了两个计算式
（1）米海耶夫公式——水
对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐使用，压力范围： 105～4106 Pa