7.2 沸腾换热
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Hale Waihona Puke Baidu
第七章 7.2节（19）
6
• 大多数沸腾加热设 备以改变加热面的热 流密度 qw，而不是改 变沸腾温差 t 来调节 工况的。
• 一旦热流密度稍超 过qmax ，设备的实际 运行工况将瞬间跳到 E 点附近。加热壁面 的温度将迅速达到 1000 ℃以上。
以控制热流密度方式 运行的沸腾换热设备 决不能让实际热流密 度超过DNB点。
第七章 7.2节（19）
18
竖圆管内的流动沸腾
• 过冷沸腾 • 整体达到饱和状态:饱和沸
腾阶段（泡状流、块状流） • 汽液比例达到一定程度时形
成环状流 • 壁面汽化完毕：夹带细微液
滴的雾状流
第七章 7.2节（19）
下一节
19
7.2 沸腾换热
沸腾：液体温度超过相应压力下的饱 和温度。
分类： 均相沸腾：液体内部，无加热表面； 非均相沸腾：与液体直接接触的固体
加热表面上。
第七章 7.2节（19）
1
按空间情况分为:
➢大空间沸腾，或池沸腾（pool boiling） ➢强迫流动沸腾（forced flow boiling）
或者按液体的温度分为:
第七章 7.2节（19）
7
第七章 7.2节（19）
8
粗糙光管表面上的池核沸腾景象之一
第七章 7.2节（19）
9
粗糙光管表面上的池核沸腾景象之二
第七章 7.2节（19）
10
7.2.2 池沸腾换热的计算关系式
Rohsenow 关系式
qw
l
r
g
(
l
v
)
1/
2
c
p,l ( tw ts Cwl rPrln
已经证实，重力加速度在非常大的变化范 围内对核态沸腾换热没有明显的影响。
第七章 7.2节（19）
16
多组分液体混合物沸腾
• 在化工、制药和制冷空调领域 • 传热和传质过程紧密地联系在一起，传热过程
和汽泡的生长受到一种成分在另一种成分中的 浓度扩散速率的影响和制约。一般特点是：
➢ 起始沸腾的壁面过热度增大，核态沸腾的起始点推迟， 导致表面传热系数降低
膜态沸腾
• 超低温制冷与输运。
• 膜态沸腾的一个突出特点是和加热表面的状 况没有关系－为什么？
第七章 7.2节（19）
12
水平管外膜态沸腾表面传热系数计算式
h
0.62
r
g
v
(
l
v )3v
1/ 4
v d ( tw tsat )
• 物性的定性温度 • 考虑汽膜过热，r = r + 0.4 cp,v ( tw－tsat) • 应计入辐射分量（非线性叠加）
第七章 7.2节（19）
3
标准大气压下水的沸腾曲线
第七章 7.2节（19）
4
核态沸腾：壁面过热度约 5~30 ℃。 AB段， 在加热面上的一些固定位置生成越来越 多的孤立汽泡（核化点）。BC段，壁面 过热度增大，气泡（被激活的核化点） 数目越来越多，汽泡变大或合并，在浮 力作用下离开壁面，升至容器的自由液 面。汽泡的发生、跃离导致加热面附近 激烈的流体掺混，因此 h 和 q 都比较大。 P 相应于表面传热系数 h 的极值。点C相 应于热流密度的极值，即qc = qmax，称为 临界热流密度。
➢ 汽泡的成长速率减小很多 ➢ 相邻汽泡间的影响比较大
计算中采用单组分加修正的方法
第七章 7.2节（19）
17
7.2.4 强迫对流沸腾
• 工程应用
• 外力驱动下流体在宏观定向运动过程中的 沸腾现象
• 若宏观运动由密度差引起，则为自然对流 沸腾
• 通常采用的计算模型是把管内单相对流传 热量与池沸腾换热量相叠加，或者再引入 适当的经验修正系数
第七章 7.2节（19）
5
过渡沸腾： CD段，点D对应的温差约为120 ℃。 点C以后，热流密度下降。原因是：加热面上 汽泡过多并形成汽膜，阻碍了热表面向液体的
热量传递。
膜态沸腾：加热面上形成完全覆盖的稳定汽膜。 由于热表面温度已经相当高，辐射的作用凸显 出来，使热流密度重新转为上升。
特别值得注意的是：
加热表面状况有重大影响，但定量描述始终是沸腾研
究中的一大难点。主要表现在：
(1) 壁面材料种类、热物性、壁面的厚度 (2) 表面的机械外观 (3) 壁面的氧化、老化和污垢沉积情况
第七章 7.2节（19）
15
影响核态沸腾换热的主要因素
• 液体的压力 • 其它因素
不凝气体的含量、加热表面的大小与方向、 液体自由表面的高度（即液位）。
h 4 / 3 hc4 / 3 hr h1/ 3
第七章 7.2节（19）
13
超低温液体的核态与膜态沸腾
• 物性的特点：汽化潜热小、物性随温度变化大、 对壁面的润湿性好
• 固体表面的情况也发生了变化
第七章 7.2节（19）
14
7.2.3 影响核态沸腾换热的主要因素
• 液体的热物性 • 加热表面的状况
)
3
• 饱和液体的物性 • 仅针对清洁表面 • Cwl 与 n : 按不同的液体－表面组合给出 • 不同的计算量，导致不同的误差范围.
第七章 7.2节（19）
11
临界热流密度计算式
q max
0.149
r
1/2 v
g
(l
v ) 1/ 4
• 临界热流密度随压力发生较强烈的改变。在 比压力（液体的压力与其临界压力之比）大 约等于 0.3 时临界热流密度具有极大值。
➢ 饱和沸腾（saturated boiling） ➢ 过冷沸腾（subcooled boiling）
第七章 7.2节（19）
2
7.2.1 池沸腾换热曲线
饱和池沸腾现象的特征
描述这种基本特征的是：沸腾曲线
大空间饱和沸腾的四个阶段：
自然对流沸腾：加热面上有少数汽泡， 不会脱离上浮。流体运动和换热遵循 自然对流的规律。
第七章 7.2节（19）
6
• 大多数沸腾加热设 备以改变加热面的热 流密度 qw，而不是改 变沸腾温差 t 来调节 工况的。
• 一旦热流密度稍超 过qmax ，设备的实际 运行工况将瞬间跳到 E 点附近。加热壁面 的温度将迅速达到 1000 ℃以上。
以控制热流密度方式 运行的沸腾换热设备 决不能让实际热流密 度超过DNB点。
第七章 7.2节（19）
18
竖圆管内的流动沸腾
• 过冷沸腾 • 整体达到饱和状态:饱和沸
腾阶段（泡状流、块状流） • 汽液比例达到一定程度时形
成环状流 • 壁面汽化完毕：夹带细微液
滴的雾状流
第七章 7.2节（19）
下一节
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7.2 沸腾换热
沸腾：液体温度超过相应压力下的饱 和温度。
分类： 均相沸腾：液体内部，无加热表面； 非均相沸腾：与液体直接接触的固体
加热表面上。
第七章 7.2节（19）
1
按空间情况分为:
➢大空间沸腾，或池沸腾（pool boiling） ➢强迫流动沸腾（forced flow boiling）
或者按液体的温度分为:
第七章 7.2节（19）
7
第七章 7.2节（19）
8
粗糙光管表面上的池核沸腾景象之一
第七章 7.2节（19）
9
粗糙光管表面上的池核沸腾景象之二
第七章 7.2节（19）
10
7.2.2 池沸腾换热的计算关系式
Rohsenow 关系式
qw
l
r
g
(
l
v
)
1/
2
c
p,l ( tw ts Cwl rPrln
已经证实，重力加速度在非常大的变化范 围内对核态沸腾换热没有明显的影响。
第七章 7.2节（19）
16
多组分液体混合物沸腾
• 在化工、制药和制冷空调领域 • 传热和传质过程紧密地联系在一起，传热过程
和汽泡的生长受到一种成分在另一种成分中的 浓度扩散速率的影响和制约。一般特点是：
➢ 起始沸腾的壁面过热度增大，核态沸腾的起始点推迟， 导致表面传热系数降低
膜态沸腾
• 超低温制冷与输运。
• 膜态沸腾的一个突出特点是和加热表面的状 况没有关系－为什么？
第七章 7.2节（19）
12
水平管外膜态沸腾表面传热系数计算式
h
0.62
r
g
v
(
l
v )3v
1/ 4
v d ( tw tsat )
• 物性的定性温度 • 考虑汽膜过热，r = r + 0.4 cp,v ( tw－tsat) • 应计入辐射分量（非线性叠加）
第七章 7.2节（19）
3
标准大气压下水的沸腾曲线
第七章 7.2节（19）
4
核态沸腾：壁面过热度约 5~30 ℃。 AB段， 在加热面上的一些固定位置生成越来越 多的孤立汽泡（核化点）。BC段，壁面 过热度增大，气泡（被激活的核化点） 数目越来越多，汽泡变大或合并，在浮 力作用下离开壁面，升至容器的自由液 面。汽泡的发生、跃离导致加热面附近 激烈的流体掺混，因此 h 和 q 都比较大。 P 相应于表面传热系数 h 的极值。点C相 应于热流密度的极值，即qc = qmax，称为 临界热流密度。
➢ 汽泡的成长速率减小很多 ➢ 相邻汽泡间的影响比较大
计算中采用单组分加修正的方法
第七章 7.2节（19）
17
7.2.4 强迫对流沸腾
• 工程应用
• 外力驱动下流体在宏观定向运动过程中的 沸腾现象
• 若宏观运动由密度差引起，则为自然对流 沸腾
• 通常采用的计算模型是把管内单相对流传 热量与池沸腾换热量相叠加，或者再引入 适当的经验修正系数
第七章 7.2节（19）
5
过渡沸腾： CD段，点D对应的温差约为120 ℃。 点C以后，热流密度下降。原因是：加热面上 汽泡过多并形成汽膜，阻碍了热表面向液体的
热量传递。
膜态沸腾：加热面上形成完全覆盖的稳定汽膜。 由于热表面温度已经相当高，辐射的作用凸显 出来，使热流密度重新转为上升。
特别值得注意的是：
加热表面状况有重大影响，但定量描述始终是沸腾研
究中的一大难点。主要表现在：
(1) 壁面材料种类、热物性、壁面的厚度 (2) 表面的机械外观 (3) 壁面的氧化、老化和污垢沉积情况
第七章 7.2节（19）
15
影响核态沸腾换热的主要因素
• 液体的压力 • 其它因素
不凝气体的含量、加热表面的大小与方向、 液体自由表面的高度（即液位）。
h 4 / 3 hc4 / 3 hr h1/ 3
第七章 7.2节（19）
13
超低温液体的核态与膜态沸腾
• 物性的特点：汽化潜热小、物性随温度变化大、 对壁面的润湿性好
• 固体表面的情况也发生了变化
第七章 7.2节（19）
14
7.2.3 影响核态沸腾换热的主要因素
• 液体的热物性 • 加热表面的状况
)
3
• 饱和液体的物性 • 仅针对清洁表面 • Cwl 与 n : 按不同的液体－表面组合给出 • 不同的计算量，导致不同的误差范围.
第七章 7.2节（19）
11
临界热流密度计算式
q max
0.149
r
1/2 v
g
(l
v ) 1/ 4
• 临界热流密度随压力发生较强烈的改变。在 比压力（液体的压力与其临界压力之比）大 约等于 0.3 时临界热流密度具有极大值。
➢ 饱和沸腾（saturated boiling） ➢ 过冷沸腾（subcooled boiling）
第七章 7.2节（19）
2
7.2.1 池沸腾换热曲线
饱和池沸腾现象的特征
描述这种基本特征的是：沸腾曲线
大空间饱和沸腾的四个阶段：
自然对流沸腾：加热面上有少数汽泡， 不会脱离上浮。流体运动和换热遵循 自然对流的规律。