第四、五、六节传热学讲稿.ppt

. 第四节 沸腾换热现象 概念：当液体与温度高于其相应压力下饱和温度的壁面接触时，液体在固体壁面会发生沸腾，这时的换热称为沸腾换热。 分类： 1. 依据沸腾时液体温度的高低，沸腾换热可以分为： 饱和沸腾和过冷沸腾； 2. 根据沸腾空间的大小，沸腾可分为：大容器沸腾和管内强制对流沸腾 ·不管是那种沸腾换热，在液体内部均产生汽泡。因此要了解沸腾传热，必须先了解汽泡在沸腾过程中的行为，即了解汽泡动力学方面的知识。这有助于理解影响沸腾换热的一些因素和强化沸腾换热的措施。 各种沸腾换热的定义 饱和沸腾：流体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸腾。 过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度时所发生的沸腾称为过冷沸腾。 大空间沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大空间沸腾换热。 管内强制对流沸腾：流体在管内流动时发生的沸腾称为管内强制对流沸腾。 气泡动力学简介 气泡动力学简介 气泡成长过程 气泡存在的条件 气泡的成长过程 实验表明，在通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上。这些产生汽泡的点称为汽化核心。比较普遍的看法是，壁面上的凹穴和裂缝处易残留气体，是最好的汽化核心。在汽化核心产生的汽泡，由于受到周围加热面的加热，汽、液交界面上的液体继续蒸发，汽泡长大。待汽泡长大到一定的程度后，汽泡受到的液体浮力超过汽、固间产生的表面张力，汽泡便脱离加热面，四周的液体来补充汽泡脱离后留下的空间。 演示：单个气泡的生成长大过程 气泡存在的条件 右图所示为在流体中存在的一个球形汽泡，它与周围液体处于力平衡和热平衡条件下。 汽泡受力分析如图所示。 由于表面张力的作用，汽泡内的压力必须大于汽泡外的压力。根据力平衡条件，汽泡内外压差应被作用于汽、液界面上的表面张力所平衡，即 由此可以得到汽泡在液体中存在的条件为 压力 表面张力 R 对汽泡存在条件的分析 如果忽略液柱高度的影响，对于饱和沸腾有 所以，汽泡存在的力学条件为 汽泡在液体中存在时，其汽泡内的最低温度为 压力下的饱和温度 ，而此时液体主体温 度 也必须大于等于该温度，即 · 所以，汽泡存在的温度条件为流体必须是过热的。 ·由于壁面处流体的温度最高，所以此处最易产生汽泡。 对汽泡存在条件的分析 还应该指出，平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍微小于上式所要求的半径，表面张力大于压差，则汽泡内蒸汽凝结，汽泡瓦解。只有半径大于上式所要求的半径时，界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。 在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足上式条件的那些点，才能成为工作的汽化核心。 随着壁面过热度的提高，压差的值越来越高。所以汽泡的平衡半径将递减。因此，壁面温度提高时，壁面上越来越小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，因此汽化核心数随壁面过热度提高而增加。 关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的机理以及强化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡动力学的某种理解而建立起来的。 大气压力下饱和沸腾的分析 演示：大气压力下大空间饱和沸腾过程 第一个区域：自然对流区； 第二个区域：核态沸腾区； 第三个区域：过渡沸腾区； 第四个区域：稳定的膜态沸腾区。 自然对流区的特点 壁面过热度较小时（ ℃），加热面上不产生汽泡，只有被加热表面加热的液体向上升浮，该区域称为自然对流区，此时的换热遵从单项流体的对流换热规律。 核态沸腾区的特点 当壁面过热度进一步增加时，加热面上开始出现汽泡。 开始阶段，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称独立汽泡区； 随着壁面过热度的进一步提高，汽化核心数增加，汽泡互相影响，并会形成汽块或汽柱； 在这两个区域中，汽泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性的影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称为泡状沸腾）。核态沸腾具有温差小、换热强的特点，所以一般工程应用都设计在这个范围。核态沸腾的终点即为热流密度最大时对应的点。 孤立气泡区的照片 汽块区的照片 过渡沸腾区域的特点 从峰值点开始进一步提高壁面温度时，会发现换热规律出现几乎寻常的变化。此时，热流密度不仅不随的温度的升高而提高，反而是越来越低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，壁面上生成的气泡不能自由升腾，蒸汽排除的过程越趋恶化。这种情况一直持续到达到最低热流密度为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的沸腾过程。 膜态沸腾的特点 随着壁面温度的进一步提高，壁面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律的排列膜层，热流密度随壁面过热度的增加而增加。此段