传热学第六章－凝结和沸腾换热

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,6-2 沸腾换热现象,定义,：,当液体与高于其饱和温度的壁面接触时，液体被加热汽化而产生大量汽泡的现象称为沸腾。,分类：沸腾有多种形式。如果液体的主体温度低于饱和温度，汽泡在固体壁面上 生成、长大，脱离壁面后又会在液体中凝结消失，这样的沸腾称为过冷沸腾；假设液体的主体温度到达或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体外表，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由外表，不存在外力作用下的整体运动，这样的沸腾又称为大容器沸腾或池沸腾；如果液体沸腾时处于强迫对流运动状态，那么称之为强迫对流沸腾，如大型锅炉和制冷机蒸发器的管内沸腾。,沸腾换热实例,锅炉中水变水蒸气的过程,冷库中液态氨变为氨蒸汽的过程,炼油厂中重原油的汽化沸腾蒸馏过程,a 大容器沸腾(池内沸腾)：加热壁面沉浸在具有自由外表的液体中所发生的沸腾；,b 强制对流沸腾：强制对流沸腾,加热外表,Heated Surface,Liquidflow,Bubble flow,Slug flow,Annular flow,Mist flow,6-2-2 气泡动力学简介,不管哪种沸腾传热，在液体内部均产生气泡。因此了解沸腾传热必先了解气泡在沸腾过程中的行为，即气泡动力学。,1.气泡的成长过程,实验说明，沸腾只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面，这些产生气泡的点称为汽化核心，一般认为，壁面的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心。,2.气泡存在的条件,气泡半径R必须满足以下条件(克拉贝龙方程)才能存在：,可见，随过热度twts)增加，Rmin减少，于是在同一加热面上RRmin的凹坑数将增多，即汽化核心数增加，产生气泡的密度增加。换热得到增强。,通过对水在一个大气压下的大容器饱和沸腾换热过程的实验观察，可以画出如以下图所示的曲线，称为饱和沸腾曲线。曲线的横坐标为沸腾温差，或称为加热面的过热度；纵坐标为热流密度。该图表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个不同换热规律阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，,6-2-3 大容器沸腾饱和沸腾曲线,a.自然对流,当沸腾温差 比较小时一般5图中AB段，加热面上只有少量汽泡产生，并且不脱离壁面，看不到明显的沸腾现象，热量传递主要靠液体的自然对流传递，因此可近似地按自然对流换热计算。,b.核态沸腾,如果沸腾温差 继续增加，加热面上产生的汽泡将迅速增多，并逐渐长大，直到在浮升力的作用下脱离加热面，进入液体。这时的液体已到达饱和，并具有一定的过热度，因此汽泡在穿过液体时会继续被加热并长大，直至冲出液体外表而进入气相空间。由于加热面处液体的大量汽化以及液体被汽泡剧烈地扰动，换热非常强烈，热流密度q 随 t 迅速增加，直至出现峰值qmax 图中C点。从B到C这一阶段的沸腾状态被称为核态沸腾或泡态沸腾。其汽泡的生成、长大及运动对换热起决定作用。核态沸腾的温差小5t50，那么热流密度 q不仅没有增加，反而迅速降低至一极小值qmin 图中D点。这是由于产生的汽泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面，其换热状态是不稳定的。从C到D这一阶段称为过渡沸腾。,e.稳定膜态沸腾,在,D,点之后，随着温差,t的继续提高，加热面上开始形成一层稳定的汽膜，此时的汽化在汽液界面上进行，热量除了以,导热和对流,的方式从加热面通过汽膜传到汽液界面外，,热辐射传热,方式的作用也随着,温差的增加而加大，因此热流密度q也随之增大。从,D,点以后的沸腾换热状态称为膜态沸腾。,两点说明：,1上述热流密度的峰值qmax 称为临界热流密度，亦称烧毁点，在现实中具有重要意义。例如，用电加热器加热水，那么一旦热流密度到达并超过峰值，工况将非常迅速地由C点沿虚线跳到膜态沸腾线上的E点，壁面温度会急剧升高到1000以上，导致加热面因温度过高而烧毁。一般用核态沸腾转折点DNB作为监视接近qmax的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。,2对稳定膜态沸腾，由于热量传递必须穿过热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多。,6-2-4 沸腾换热计算式,1 大容器饱和核态沸腾,影响核态沸腾的因素主要是过热度和汽化核心数，而汽化核心数受外表材料、外表状况、压力等因素的支配，所以沸腾换热的情况液比较复杂，导致了有关计算公式的分歧较大。,影响核态沸腾换热的因素可归纳为,其中Cw为沸腾液体与接触外表材料有关的系数。,常用的关于核态沸腾换热的经验计算公式有两个,1对于水的大容器饱和核态沸腾，推荐采用米海,耶夫公式，适用压力范围：1054106 Pa,按,上式可转换为,其中,米海耶夫公式,上式中：,2罗森诺公式广泛适用的强制对流换热公式,考虑到沸腾换热属于强制对流换热，其换热规律可整理成St=f(Re,Pr)形式。罗森诺通过大量实验得出了如下实验关联式：,式中，r 汽化潜热；,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 取决于加热外表液体,组合情况的经验常数(表6),q 沸腾传热的热流密度,s 经验指数，水s=1,否那么，s=1.7,上式可以改写为：,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q计算 时，那么可以将偏差缩小到33。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。,3 适用于制冷工质沸腾换热的Cooper关联式,其中,2 大容器沸腾的临界热流密度,推荐如下经验公式：,经与实验比较修正，得,3 大容器膜态沸腾的关联式,1水平管外的膜态沸腾,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(twts)/2 为定性温度，特征长度取管子外径d。如果加热外表为球面，那么把上式中的系数改为0.67,2考虑热辐射作用,由于膜态换热时，壁面温度一般较高，因此有必要考虑热辐射换热的影响。热辐射的影响存在有正反两个方面，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：,其中：,定性温度为：,t,m,=(t,w,+t,s,)/2,6-2-5,影响沸腾换热的因素,沸腾换热是所有换热现象中最复杂的、影响因素最多的换热过程。这里只针对大容器沸腾换热现象讨论影响沸腾换热的因素。,1 不凝结气体,与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体存在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，因自然对流换热时有,，因此，过冷会强化换热。,3 液位高度,当传热外表上的液位足够高时，沸腾换热外表传热系数与液位高度无关。但当液位降低到一定值时，外表传热系数会明显地随液 位的降低而升高(临界液位)。液位高度对传热的影响见右图。,4 重力加速度,研究说明：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，但对液体自然对流换热有显著影响。,图中介质为一个 大气压下的水,5 沸腾外表的结构,沸腾外表上的微笑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思路主要是增加外表凹坑。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外表上形成多孔结构。(2)采用机械加工方法造成多孔结构。,例6-3一直径为0.3m的铜平底锅的底用电加热器保持118。试计算：(1)此锅内煮沸水所需的功率；(2)由于沸腾，水在此锅内的蒸发速率？(3)在此条件下的临界热流密度？,分析：条件(a)稳定条件，(b)水暴露在标准大气压下，(c)水温均匀，ts=100；(d)接触面为磨光铜,查饱和水参数：,957.9kg/m,3,=27910,-6,NS/m,2,=58.910,-3,N/m,C,p,l,=4.217KJ/kgK,Pr,l,=1.76,r=2257KJ/kg,饱和水汽态 100参数：v=1/vg=0.5955kg/m3,t,e,=t,w,-t,s,=118-100=18,由于5t,e,50,可知发生了核态沸腾。选择下式计算,代入数据可得,对于给定的锅底面积，沸腾传热所需电功率为,2稳态条件下，由能量平衡,即,于是可得蒸发速率为,3临界热流密度可依下式计算,代入相关数据，得,例6-4水平铂线通电加热，在1atm水中产生稳定膜态沸腾。tw-ts=654，导线直径为1.27mm，求沸腾换热外表传热系数。,分析：条件(a)稳定条件，(b)水暴露在标准大气压下，(c)水温均匀，ts=100；(d)接触面为铂线,定性温度：t,m,=(t,w,+t,s,)/2=427。查表知,v,0.314kg/m3,=0.0505W/mK,=0.024310,-3,kg/(ms),按,t,s,=100,查饱和水表，得,l,=958kg/m,3,r=2257KJ/kg,那么水平管外膜态沸腾换热外表传热系数可依下式计算,代入相关数据，得,h,conv,=281W/(m,2,K),注意：如果设外表发射率为0.9，那么由下式,计算得,h,rad,=85.3W/(m,2,K),于是，在综合考虑对流和辐射影响条件下的沸腾换热系数可按下式计算,代入上述计算结果，得,h=281,4/3,+85.3,4/3,=322.9W/(m,2,K),思考题：,1.池内饱和沸腾曲线可以分成几个区域?有那些特性点?各,个区域在换热原理上有何特点?,2.气化核心的概念.沸腾气泡产生的物理条件.,3.画出水的池内饱和沸腾曲线.掌握特性点的根本数值范围.,4.什么是临界热流密度?什么是烧毁点?如果是定壁温加热,条件,还会有烧毁现象出现吗?,5.为什么对于不同的外表粗糙度,核态沸腾换热系数有很,大的不同?,6.那些因素影响核态沸腾换热?,7.沸腾换热的根本计算方法?,作业：6-25；6-33；6-36；6-46；6-47,