沸腾传热过程

,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,沸腾传热过程,周帼彦 副教授,2011-10-18,安全工程系列讲座,传热强化新技术及其工程应用,提 纲,沸腾传热过程简介,1,沸腾传热机理,2,3,影响沸腾传热的主要因素,4,沸腾传热系数计算,5,沸腾传热过程强化,2,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,沸腾传热过程简介,沸腾传热：,液体内部有气泡产生。,主要特征：,实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。,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,。,汽化核心：,3,沸腾传热分类：,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。,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。,按流动动力分：,沸腾传热过程简介,4,过冷沸腾,(Subcooled boiling),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,按主体温度分：,沸腾传热过程简介,5,沸腾传热机理,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,t,s,；,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。,6,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，,沸腾传热机理,沸腾曲线：,液体主体达到饱和温度,t,s,，,随壁面过热度,t,=,t,w,-,t,s,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,A,然对流区,pure convection,t,4,过热液体对流到自由液 面后蒸发,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,F,A,B,C,D,E,大容器饱和沸腾曲线：,沸腾传热机理,8,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,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,F,A,B,C,D,E,沸腾传热机理,9,沸腾传热机理,管内沸腾传热：,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,竖直管内强制对流沸腾：,10,水平管内强制对流沸腾：,沸腾传热机理,11,沸腾传热机理,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。,管内沸腾传热：,12,对于特定介质水，,在,10,5,410,6,Pa,下米海耶夫推荐采用下式计算：,由,q,=,h,t,，消去,t,，得,沸腾传热系数计算,大容器饱和核态沸腾：,米海耶夫公式：,基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换热的设想。,罗诺森公式：,13,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：,式中，,r,汽化潜热；,C,pl,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；,C,wl,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,。,沸腾传热系数计算,14,表 取决于加热表面,液体组合情况的经验常数,C,wl,沸腾传热系数计算,15,该式还可以改写成以下便于计算的形式,沸腾传热系数计算,可见， ，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 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,。,上式可以改写为：,（,*,）,16,式中：,M,r,为液体的分子量；,p,r,对比压力（液体的压力与其临界压力之比；,R,p,为表面粗糙度。,沸腾传热系数计算,库珀,（,Cooper,）,公式：,17,例,1,在,1.01310,5,Pa,的绝对压力下，水在,t,w,=113.9,的铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽化率。,解： 壁面过热度,t=,113.9-100 ,，从图,6-6,知处于核态沸腾区，因而可按式,(618),求取,q,。,从附录查得， 时水和水蒸气的物性为：,从附表查得：对于水,-,铂组合：,沸腾传热系数计算,18,代入式,(,*,),得：,单位加热面的汽化率为：,沸腾传热系数计算,19,大容器膜态沸腾：,式中，除了,r,和,l,的值由饱和温度,t,s,决定外，其余物性均以平均温度,t,m,(,t,w,t,s,) / 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,。,膜态沸腾中，汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热，适宜用简化的边界层作分析。对于横管的膜态沸腾，有以下公式：,沸腾传热系数计算,20,影响沸腾传热的主要因素,不凝结气体,过冷度,重力加速度,沸腾表面的结构,液位高度,21,与膜状冷凝不同，溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化。,因为，随着工作液体温度的升高，不凝结气体会从液体中,逸出,，,使壁面附近的微小凹坑得以活化,，成为汽泡的胚芽，从而使,q ,t,沸腾曲线向着,t,减小的方向移动，即,在相同的 ,t,下产生更高的热流密度,，强化了换热。但对处于稳定运行下的沸腾换热设备来说，必须不断地向工作液体注入不凝结气体。,影响沸腾传热的主要因素,不凝气的影响：,22,在大容器沸腾中,流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度,的沸腾称为过冷沸腾。,对于大容器沸腾，除了,在核态沸腾起始点附近区域,外，过冷度对沸腾换热的强度并无影响。,在核态沸腾起始段，自然对流的机理还占相当大的比例，而自然对流时， 因而过冷会使该区域的换热有所增强。,影响沸腾传热的主要因素,过冷度的影响：,23,在很大的范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响。,但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响（自然对流随加速度的增加而强化 ）。,在零重力场 （或接近于零重力场）的情况下，沸腾换热的规律还研究得不够。,影响沸腾传热的主要因素,重力加速度的影响：,沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心。,沸腾表面的结构：,24,在大容器沸腾中，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。,当液位降低到一定值时，沸腾换热的表面传热系数会明显地,随液位的降低而升高,。,这一特定的液位值称为,临界液位,。对于常压下的水，其值约为,5mm,。,影响沸腾传热的主要因素,液位高度的影响：,25,强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）,温差：提高核状沸腾阶段温差，,液体的性质：,加热面：新的、洁净的、粗糙的加热面，,大,强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒,操作压强：,沸腾传热过程强化,26,沸腾传热过程强化,用,烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积,等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔结构；,采用,机械加工,的方法在换热管表面上造成多孔结构。,增加表面凹坑的方法：,27,练习题,28,习题,2,水平铂线通电加热，在,1.01310,5,Pa,的水中产生稳定膜态沸腾。已知,t,w,t,s,= 654,C,，导线直径为,1.27mm,，求沸腾换热表面传热系数。,习题,1,将,110,的饱和蒸汽在壳侧冷凝为同温度下的水，管内为一定流量气体的湍流流动，其温度从,30,加热到,50,。现因气体流量增加，而加热蒸汽温度和气体进口温度均不变，气体出口温度降到,48,，试求气体流量为原流量的倍数。,假设管壁热阻、污垢热阻及换热器的热损失均可忽略。两种情况下气体物性可视为不变,。,Ki,，,iW0.8c,。,