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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 2 影响沸腾传热的主要因素 4 沸腾传热系数计算 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 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 7 A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 大容器饱和沸腾曲线 沸腾传热机理 8 D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 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度 上式可以改写为 16 式中 Mr为液体的分子量 pr对比压力 液体的压力与其临界压力之比 Rp为表面粗糙度 沸腾传热系数计算 库珀 Cooper 公式 17 例1在1 013 105Pa的绝对压力下 水在tw 113 9 的铂质加热面上作大容器内沸腾 试求单位加热面积的汽化率 解 壁面过热度 t 113 9 100 从图6 6知处于核态沸腾区 因而可按式 6 18 求取q 从附录查得 时水和水蒸气的物性为 从附表查得 对于水 铂组合 沸腾传热系数计算 18 代入式 得 单位加热面的汽化率为 沸腾传热系数计算 19 大容器膜态沸腾 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 特征长度为管子外径d 如果加热表面为球面 则上式中的系数0 62改为0 67 膜态沸腾中 汽膜的流动和换热在许多方面类似于膜状凝结中液膜的流动和换热 适宜用简化的边界层作分析 对于横管的膜态沸腾 有以下公式 沸腾传热系数计算 20 影响沸腾传热的主要因素 不凝结气体过冷度重力加速度沸腾表面的结构液位高度 21 与膜状冷凝不同 溶解于液体中的不凝结气体会使沸腾换热得到某种强化 因为 随着工作液体温度的升高 不凝结气体会从液体中逸出 使壁面附近的微小凹坑得以活化 成为汽泡的胚芽 从而使q t沸腾曲线向着 t减小的方向移动 即在相同的 t下产生更高的热流密度 强化了换热 但对处于稳定运行下的沸腾换热设备来说 必须不断地向工作液体注入不凝结气体 影响沸腾传热的主要因素 不凝气的影响 22 在大容器沸腾中流体主要部分的温度低于相应压力下的饱和温度的沸腾称为过冷沸腾 对于大容器沸腾 除了在核态沸腾起始点附近区域外 过冷度对沸腾换热的强度并无影响 在核态沸腾起始段 自然对流的机理还占相当大的比例 而自然对流时 因而过冷会使该区域的换热有所增强 影响沸腾传热的主要因素 过冷度的影响 23 在很大的范围内重力加速度几乎对核态沸腾的换热规律没有影响 但重力加速度对液体自然对流则有显著的影响 自然对流随加速度的增加而强化 在零重力场 或接近于零重力场 的情况下 沸腾换热的规律还研究得不够 影响沸腾传热的主要因素 重力加速度的影响 沸腾表面上的微小凹坑最容易产生汽化核心 沸腾表面的结构 24 在大容器沸腾中 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 当液位降低到一定值时 沸腾换热的表面传热系数会明显地随液位的降低而升高 这一特定的液位值称为临界液位 对于常压下的水 其值约为5mm 影响沸腾传热的主要因素 液位高度的影响 25 强化措施 加表面活性剂 乙醇 丙酮等 温差 提高核状沸腾阶段温差 液体的性质 加热面 新的 洁净的 粗糙的加热面 大强化措施 将表面腐蚀 烧结金属粒 操作压强 沸腾传热过程强化 26 沸腾传热过程强化 用烧结 钎焊 火焰喷涂 电离沉积等物理与化学的方法在换热表面上造成一层多孔结构 采用机械加工的方法在换热管表面上造成多孔结构 增加表面凹坑的方法 27 练习题 28 习题2水平铂线通电加热 在1 013 105Pa的水中产生稳定膜态沸腾 已知tw ts 654 C 导线直径