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同学们大家好

本节课我们学习

凝结与相变传热章节中的

第二个知识点 沸腾换热及影响因素

该知识点主要包含下面三个内容

1)沸腾换热机理及特点

2)大容器沸腾传热的实验关联式

3)沸腾传热的影响因素及强化措施

下面我们来看一下

什么是沸腾换热

沸腾换热

是工质受热内部形成大量气泡

并由液态转化到气态

通过气泡的运动带走热量

并使其冷却的一种传热方式

其特点是由于气泡不断的形成

和脱离加热表面

使得加热表面

不断受到冷流体的冲刷

和强烈的扰动

所以沸腾换热强度

远大于无相变对流换热

就流体运动的动力而言

沸腾换热分为大容器沸腾

也称为池内沸腾和强制对流沸腾

也称为管内沸腾

大容器沸腾的流体运动

是由温差和气泡的扰动引起的

强制对流沸腾的流体运动

需要外加压差来作用维持

根据液体主流是否达到饱和温度

上述两种沸腾换热方式

又分为过冷沸腾和饱和沸腾

下图为池内沸腾

和管内沸腾的示意图

在管内沸腾的情况下

过冷单相流体沿着流动方向

依次经历单相流、泡状流、块状流

波浪流、环状流、雾状流

和单相流的变化过程

下面我们通过大容器沸腾的介绍

来学习沸腾传热的机理和基本特点

右图所示为饱和水在水平加热面上

沸腾的典型曲线

从图中我们可以看出

随着壁面过热度的增加

饱和水和热表面之间的热交换

依次出现以下区域

当璧面过热度

介于0℃至4℃之间时

换热处于单相自然对流换热区

无气泡产生

当壁面过热度介于4℃至25℃时

换热处于核态沸腾区 产生气泡

气泡间的强烈扰动

使得表面的换热系数和热流密度

急剧增加

换热得到强化

当壁面过度介于25℃至200℃之间时

换热处于过渡沸腾区

气泡的产生速度大于脱离速度

气泡附着形成气膜

气膜的热阻减弱了换热效果

而当壁面过热度进一步增加

大于200℃时

换热处于稳定的膜态沸腾区

形成稳定的气膜虽然气膜的热阻

减弱了换热效果

但是高温地面的辐射换热

却进一步增强了换热效果

途中热流密度的峰值Qmax

有重要的意义

称为临界热流密度

亦称为烧毁点

该点对依靠控制热流密度

来改变工况的加热设备

具有重要意义

一旦加热功率超过该点

将沿着图中虚线跳至稳态膜态

沸腾曲线区

壁面过热度将猛升1000℃左右

可能导致烧毁加热设备

一般核态沸腾转折点DNB作为监视

临界热流密度的警戒点

该一点对热流密度可控

和温度可控的两种情况都非常重要

由前面介绍可得

在核态沸腾的区域内

热流密度比相同温差强制对流传热

热流密度至少高一个数量级

这样高的传热强度

主要是由于气泡的产生、成长

及脱离加热壁面

产生的各种扰动造成的

因此，要想强化沸腾换热

就要增加加热表面上

能够产生的气泡的点

这个点称为气化核心

长期研究和工程实践表明

壁面上的凹坑、细缝、裂穴等

最易成为气化核心

这主要是因为在这些地方

受到的加热影响要更大、面积要更大

此外狭缝中容易残留气体

而这些气体

自然成为产生气泡的核心

通过对气泡力平衡和热平衡分析

气泡产生和存在的条件

如该式所示

该公式给出了气泡存在的最小半径

由公式可以看出

当壁面过热度增加时

最小半径减小

能够成为气化核心的凹穴数量增加

气化核心数增加

换热效果可以得到有效增强

由前面介绍可知

大容器饱和沸腾主要包含三个区域

其中过渡沸腾区非常不稳定

下面我们主要介绍

其他两个区域的沸腾换热计算

首先我们来看核态沸腾换热

首先影响核态沸腾的因素

主要包括壁面过热度和气化核心数

气化核心数又受到壁面材料

和表面情况的支配

计算沸腾换热系数难度较大

分歧也较大

目前常用的计算液体大容器

饱和沸腾换热的公式

是Rohsenow公式

该公式是无量纲关系式

公式左边为斯坦顿数或雅各布数

右侧为雷诺数普朗特数的函数

该公式表达了壁面过热度

和热流之间的关系

其中系数Cwl为取决于加热表面

和液体组合情况的经验常数

对于制冷介质的

大容器饱和核态沸腾换热

通常采用Cooper公式

该公式计算制冷剂沸腾换热

精度更高

公式形式如下所示

公式将沸腾换热系数

整理成热流密度的函数

由前面介绍可知

临界热流密度

对于加热设备的安全运行

具有重要意义

应用Taylor不稳定性原理

于气膜的运动

导出饱和液体大容器沸腾

临界热流密度计算式如下

当工作压力远离临界压力时

示中右端最后一项为1

同时利用实验值

将式中的系数修正为0.149

修正后的形式如下

前面我们介绍了

核态沸腾换热的计算方法

如右图所示

当壁面过热度超过200℃时

换热处于稳定的膜态沸腾区

在壁面处形成稳定气膜

虽然气膜的热阻减弱了换热效果

但是高温壁面的辐射换热

却进一步增强了换热效果

复合传热系数

由对流传热和辐射传热系数

两部分组成

其计算公式如下

其中对流换热部分

和与膜状凝结分析解十分类似

仅需将式中的部分液态的物性

改为气态的物性

由于两种传热方式之间

存在相互影响

综合换热系数

需要利用该超越方程得到

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

由于前面我们重点学习了

大容器沸腾换热

因此下面主要介绍

影响大容器沸腾传热的主要因素

首先来看不凝结气体

对沸腾传热的影响

与膜状凝结换热不同

液体中不凝结气体的存在

会使壁面凹槽活化

更容易产生气泡

进而使沸腾换热

得到某种程度的强化

但是

对于稳定运行下的沸腾换热设备

除非持续不断的往里注入

不凝结气体

否则气体一旦逸出

就不会起到强化换热作用了

对于液体过冷度的影响

只有在核态沸腾的起始段

因自然对流换热受温差的影响

比较大

因此过冷会强化换热

在其他区域

过冷对换热效果无影响

对于液位高度

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时

该值称为临界液位

表面传热系数

会明显地随液位的降低而升高

而对于重力加速的影响

在该值

处于0.1至100乘以9.8m/s2时

重力加速度对核态沸腾换热无影响

但自然对流换热

随着重力加速度增加而强化

无论是大容器沸腾

还是管内沸腾

在加热表面产生气泡是共同特点

也是使其比无相变对流换热

强烈的根本原因

因此强化沸腾传热的原则

就是尽量增加加热面上的气化核心

强化大容器沸腾的方法包括

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

或是用机械加工的方法

在传热管表面造成多孔结构

右图是基于上述原则

和方法的几种典型的结构

管内沸腾的强化方法

主要是采用内螺纹钢管或微肋管

下面我们对该知识点进行总结

沸腾换热

是一类复杂的对流换热

它的主要特点如下

热交换动力是流体饱和温度

和壁面温度之差

该温差

也是牛顿冷却公式的计算温差

影响沸腾传热的物理性质

除了无相变时的密度、比热、导热系数

粘度以外

相变潜热和表面张力也是重要因素

沸腾存在两种传热强度

有数量级差别的方式

核态沸腾和膜态沸腾

大容器沸腾曲线

表征了不同传热机制

所造成的传热强度的差别

在核态沸腾区

气泡的产生和脱离

所引起的强烈扰动

是沸腾传热比单相对流传热

强烈的主要原因

确认临界热流的存在

具有重要的工程实际意义

强化沸腾的关键

是在加热表面

产生尽可能多的气化核心

本节课我们就讲到这

同学们再见