《沸腾传热过程》PPT课件.ppt

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1、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23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(Poolboiling)——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(

2、Forcedconvectionboiling)——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(Subcooledboiling)——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(Saturatedorbulkboiling)——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

3、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ts；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

4、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ts，随壁面过热度⊿t=tw-ts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。7A然对流区pureconvectiont<4℃过热液体对流到自由液面后蒸发B,C核态沸腾区NucleateboilingB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FABCDE大容器饱和沸腾曲线：沸腾传热机理8D过度沸腾区Transitionboilingregime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

5、系数低。E,F稳定膜态沸腾区Stablefilmboilingregime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FABCDE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

6、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105—4×106Pa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；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

7、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Cwl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