第四节 沸腾给热与冷凝给热

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1、西北大学化工原理课件第四节沸腾给热与冷凝给热液体沸腾和蒸汽冷凝必然伴有流体的流动，所以沸腾给热和冷凝给热同样属于对流传热。但与前述不同，这两种过程都伴有相变化。一、沸腾给热对流体加热时，在液相内部伴有由液相变成气相产生气泡的过程沸为沸腾，沸腾传热过程是一个非常复杂的过程，到目前为止，对它的研究还不够充分。当前，工业上液体沸腾分两种情况：西北大学化工原理课件（1）管内沸腾：液体在一定压差下，以一定的流速经加热管时发生的沸腾现象，又称强制对流沸腾。（2）大容积沸腾或池内沸腾：是将加热面浸入液体中，液体被壁面加

2、热而引起的无强制对流的沸腾现象。沸腾传热在工业上被广泛应用，比如化工生产中常用的精馏塔的再沸器，蒸发器，蒸气锅炉等，都是通过沸腾传热产生，本节主要讨论液体在大容器中的饱和沸腾。沸腾可分为：过冷沸腾、饱和沸腾。（P253）西北大学化工原理课件1、机理沸腾给热的主要因素特征是液体内部有汽泡产生。实验发现，汽泡在加热表面上首先生成，气泡存在条件的必然条件：p内=p外+ρgh(静压)因此，t液至少大于等于该蒸汽压对应的饱和温度ts但实际上，在该蒸汽对应的饱和蒸汽压下，小汽泡生成还是不可能的。为什么呢？从所学过的物

3、理化学知识看，微小汽泡的生成液体呈现凹面，而凹面上液体的饱和蒸汽压小于平面上液体饱和蒸汽压。由于凹面引起了蒸汽压降低。要使汽泡继续生成，必须提高相应的加热饱和温度，这种现象称为液体的过热。西北大学化工原理课件新相——小汽泡生成的必要条件是液体要过热。实验发现液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（汽泡）只在加热面上某些粗糙不同的点上产生，这些产生汽泡的点称为汽化核心或汽化中心。汽泡生成后，长大到一定程度，则脱离壁面而上升。在上升过程中，汽泡继续迅速增大，或表面破裂，或上升到液面。由于一批批汽泡的形成，长大及脱离加

4、热面，从而引起液体内部尤其是壁面液体薄层内的剧烈扰动，使热阻大为降低。故液体沸腾时的α较无相变化时的α要大的多。2、沸腾曲线在一定范围内，加热面温度（壁温）与液体饱和温度相差愈大，沸腾越剧烈，沸腾的对流给热系数越大，大容器内的沸腾过程随这温度差Δt（Δt=tw−ts←操作压力下液体的饱和温度）的不同，会出现不同类型的沸腾状态。以常压下水的大容器内沸腾为例，讨论Δt对α的影响。西北大学化工原理课件图6-19为实验测得的α与Δt的关系:IIIIII表面汽化核状沸腾膜状沸腾Cα不稳定膜状沸腾BDAΔt(K)常压

5、下沸腾时α与Δt的关系西北大学化工原理课件（1）在区域Ⅰ中AB段,由于温度差较小,接近加热表面的液体稍微过热,所以只有少量的汽化核心产生。这时汽泡少，汽泡长大速度也较慢，受热面附近液层受到扰动也不大。因此热量的传递以自然对流为主，对流给热系数随着温度差的增加而增大，通常将此区域称为自然对流区。（2）在区域Ⅱ中BC段，随着温度差的加大，汽化核心数目增加，汽泡长大的速度急速增快，这时对液体产生强烈的搅拌作用，从而α随温度差增加而显著提高。此区域称为核状沸腾区。西北大学化工原理课件（3）区域Ⅲ中CD段，由于温度

6、差继续增加，使汽泡形成过快，从而充满加热体的表面，汽泡破裂连成一片，形成蒸汽薄膜覆盖在加热体的表面，热量在传导到液体之后，必须经过此薄膜，由于气体的导热系数远小于液体，所以反而急α剧下降。此区被称为膜状沸腾区。D点以后温度差Δt增大，加热面的温度进一步提高，则热辐射的影响愈来愈显著，α。由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温差称为临界温度差Δtc，对应于此点的热负荷称为临界热负荷qc。工业上的沸腾装置大多维持在核状沸腾状态。（α大，tw小），∴应注意温度差Δt不大于临界温度差Δtc，否则一旦变为膜状沸腾，将导致传

7、热过程恶化，急剧下降。α西北大学化工原理课件3、α沸的计算α沸的计算，到目前为止很不完善。影响沸腾给热过程的因素主要有：（1）液体和蒸汽的性质，主要包括α，μ，，λcp，，γρl和ρv。一般情况下，α沸随λ、ρ的增加而增大，随μ、α的增加而减小；（2）加热面的影响，加热面清洁且粗糙，液体与表面的润湿性好，就有利于汽泡的生成，有利于沸腾给热；（3）操作压力的影响，提高操作压力，相当于提高液体的饱和温度，使液体的α、均降低，有利于汽泡的形成和脱μ离，强化了沸腾给热，在相同的Δt下，α和q值较高；西北大学化工原

8、理课件（4）温度差的影响，从沸腾曲线可知，Δt影响沸腾给热的重要参数。沸腾给热系数实验数据可按下列函数形式进行关联：2.5tsα=AΔtB或lgα=lgA+2.5lgΔt+tlgBs=a'+2.5lgΔt+b'ts(t−t)wsDt—蒸汽的饱和温度，——Csa'和b'—实验参数。4、沸腾给热过程的强化（1）粗糙加热表面。（2）加少量添加剂，改变δ。西北大学化工原理课件二、蒸汽冷凝给热1、蒸汽冷凝给热的特点在蒸汽冷凝给热过程加热