第六章-凝结和沸腾换热-2

§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；若液体的主体温度达到或超过饱和温度，汽泡脱离壁面后会在液体中继续长大，直至冲出液体表面，这样的沸腾称为饱和沸腾。如果液体具有自由表面，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，则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表面的液体中所发生的沸腾；b强制对流沸腾：强制对流＋沸腾加热表面HeatedSurfaceLiquidflowBubbleflowSlugflowAnnularflowMistflow6-2-2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表明，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必须满足下列条件(克拉贝龙方程)才能存在：温度－－对应压力下的饱和－－壁面温度－－蒸气密度－－汽化潜热表面张力swvminttr2swvsttrTRR可见，随过热度（tw－ts)增加，Rmin减少，于是在同一加热面上RRmin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。这时的液体已达到饱和，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，直至冲出液体表面而进入气相空间。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（5℃t50℃）、换热强，在工业上被广泛应用。c.临界点的沸腾当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临界热负荷qc，也就是图中的qmax。d.过渡沸腾从C点继续提高沸腾温差⊿t（50℃），则热流密度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，则一旦热流密度达到并超过峰值，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，而汽化核心数受表面材料、表面状况、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,........),,,,,),(,(wpvlCCrgtfh其中Cw为沸腾液体与接触表面材料有关的系数。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：105～4106Pa5.033.21ptCh)(122.033.35.01KNmWC按thq15.07.02pqCh)(533.015.03.03.02KNmWC上式可转换为其中米海耶夫公式上式中：－－壁面热流密度－－壁面过热度－－沸腾绝对压力，，沸腾换热表面传热系数qp/2tPaKmWh（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：slwlCStPrRe33.01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—取决于加热表面－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,否则，s=1.7tCrNuStplPrRe)(RevllgrqllpllCPr上式可以改写为：321Pr)(slwlplvllrCtCgrq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％。这一点在辐射换热中更为明显。计算时必须谨慎处理热流密度。3~tqt（3）适用于制冷工质沸腾换热的Cooper关联式55.05.067.0)lg(rmrrppMCqh其中)/(9066.033.0KmWCmpRm}lg{21.012.0—热流密度——表面平均粗糙度——对比压力——液体的分子量—qRpMprr2大容器沸腾的临界热流密度推荐如下经验公式：2/14/12max)(])([24lvlvvlvgrq4/12/1max)]([18.0vlvgrq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4/13])()([62.0swvvvlvttdgrh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＝(tw＋ts)/2为定性温度，特征长度取管子外径d。如果加热表面为球面，则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：3/43/43/4radconvhhh其中：swswradtttth)(44定性温度为：tm=(tw+ts)/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。nfwtth)(3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，表面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重力加速度研究表明：从0.1~1009.8m/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沸腾表面的结构沸腾表面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表面凹坑。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表面上形成多孔结构。(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：已知条件(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/m3,=27910-6NS/m2,=58.910-3N/m,Cpl=4.217KJ/kgK,Prl=1.76,r=2257KJ/kg饱和水汽态（100℃）参数：v=1/vg=0.5955kg/m3,te=tw-ts=118-100=18℃由于5te50,可知发生了核态沸腾。选择下式计算321Pr)(slwlplvllrCtCgrq代入已知数据可得2/5.243''mkWqs对于给定的锅底面积，沸腾传热所需电功率为kWDqAqQsss2.174'*'''2（2）稳态条件下，由能量平衡水蒸发带走的热量加入锅内的热量＝锅内rmqbs即于是可得蒸发速率为skgrqmsb/10621.71022571072.1334（3）临界热流密度可依下式计算4/12/1max)]([18.0vlvgrq代入相关数据，得2,/52.1''mMWqcs（例6-4）水平铂线通电加热，在1atm水中产生稳定膜态沸腾。已知tw-ts=654℃，导线直径为1.27mm，求沸腾换热表面传热系数。分析：已知条件(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：tm=(tw+ts)/2=427℃。查表知v＝0.314kg/m3,=0.0505W/mK,=0.024310-3kg/(ms),按ts=100℃查饱和水表，得l=958kg/m3,,r=2257KJ/kg则水平管外膜态沸腾换热表面传热系数可依下式计算4/13])()([62.0swvvvlvttdgrh代入相关数据，得hconv=281W/(m2K)注意：如果设表面发射率为＝0.9，则由下式swswradtttth)(44计算得hrad=85.3W/(m2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3/43/43/4radconvhhh代入上述计算结果，得h=2814/3+85.34/3=322.9W/(m2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.掌握特性点的基本数值范围.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.为什么对于不同的表面粗糙度,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.沸腾换热的基本计算方法?作业：6-25；6-33；6-36；6-46；6-47