第六章 第四、五、六節(jié)傳熱學講稿

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第四節(jié)沸騰換熱現(xiàn)象概念：當液體與溫度高于其相應壓力下飽和溫度的壁面接觸時，液體在固體壁面會發(fā)生沸騰，這時的換熱稱為沸騰換熱。分類：1.依據(jù)沸騰時液體溫度的高低，沸騰換熱可以分為：飽和沸騰和過冷沸騰；2.根據(jù)沸騰空間的大小，沸騰可分為：大容器沸騰和管內強制對流沸騰·不管是那種沸騰換熱，在液體內部均產生汽泡。因此要了解沸騰傳熱，必須先了解汽泡在沸騰過程中的行為，即了解汽泡動力學方面的知識。這有助于理解影響沸騰換熱的一些因素和強化沸騰換熱的措施。 各種沸騰換熱的定義飽和沸騰：流體主體溫度達到飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度時所發(fā)生的沸騰稱為飽和沸騰。過冷沸騰：流體主體溫度低于飽和溫度，壁面溫度高于飽和溫度時所發(fā)生的沸騰稱為過冷沸騰。大空間沸騰：加熱面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰稱為大空間沸騰換熱。管內強制對流沸騰：流體在管內流動時發(fā)生的沸騰稱為管內強制對流沸騰。 氣泡動力學簡介 氣泡的成長過程實驗表明，在通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上。這些產生汽泡的點稱為汽化核心。比較普遍的看法是，壁面上的凹穴和裂縫處易殘留氣體，是最好的汽化核心。在汽化核心產生的汽泡，由于受到周圍加熱面的加熱，汽、液交界面上的液體繼續(xù)蒸發(fā)，汽泡長大。待汽泡長大到一定的程度后，汽泡受到的液體浮力超過汽、固間產生的表面張力，汽泡便脫離加熱面，四周的液體來補充汽泡脫離后留下的空間。演示：單個氣泡的生成長大過程 氣泡存在的條件右圖所示為在流體中存在的一個球形汽泡，它與周圍液體處于力平衡和熱平衡條件下。汽泡受力分析如圖所示。由于表面張力的作用，汽泡內的壓力必須大于汽泡外的壓力。根據(jù)力平衡條件，汽泡內外壓差應被作用于汽、液界面上的表面張力所平衡，即由此可以得到汽泡在液體中存在的條件為壓力表面張力R 對汽泡存在條件的分析如果忽略液柱高度的影響，對于飽和沸騰有所以，汽泡存在的力學條件為汽泡在液體中存在時，其汽泡內的最低溫度為壓力下的飽和溫度，而此時液體主體溫度也必須大于等于該溫度，即·所以，汽泡存在的溫度條件為流體必須是過熱的?！び捎诒诿嫣幜黧w的溫度最高，所以此處最易產生汽泡。 對汽泡存在條件的分析還應該指出，平衡狀態(tài)的汽泡是很不穩(wěn)定的。汽泡半徑稍微小于上式所要求的半徑，表面張力大于壓差，則汽泡內蒸汽凝結，汽泡瓦解。只有半徑大于上式所要求的半徑時，界面上液體不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長。在一定壁面過熱度條件下，壁面上只有滿足上式條件的那些點，才能成為工作的汽化核心。隨著壁面過熱度的提高，壓差的值越來越高。所以汽泡的平衡半徑將遞減。因此，壁面溫度提高時，壁面上越來越小的存氣凹穴處將成為工作的汽化核心，因此汽化核心數(shù)隨壁面過熱度提高而增加。關于加熱表面上汽化核心的形成及關于汽泡在液體中長大與運動規(guī)律的研究，無論對于掌握沸騰換熱的機理以及強化沸騰換熱的表面都具有十分重要的意義?，F(xiàn)有的預測沸騰換熱的各種物理模型都是基于對成核理論及汽泡動力學的某種理解而建立起來的。 大氣壓力下飽和沸騰的分析演示：大氣壓力下大空間飽和沸騰過程第一個區(qū)域：自然對流區(qū)；第二個區(qū)域：核態(tài)沸騰區(qū)；第三個區(qū)域：過渡沸騰區(qū)；第四個區(qū)域：穩(wěn)定的膜態(tài)沸騰區(qū)。 自然對流區(qū)的特點壁面過熱度較小時（℃），加熱面上不產生汽泡，只有被加熱表面加熱的液體向上升浮，該區(qū)域稱為自然對流區(qū)，此時的換熱遵從單項流體的對流換熱規(guī)律。 核態(tài)沸騰區(qū)的特點當壁面過熱度進一步增加時，加熱面上開始出現(xiàn)汽泡。開始階段，汽化核心產生的汽泡彼此互不干擾，稱獨立汽泡區(qū)；隨著壁面過熱度的進一步提高，汽化核心數(shù)增加，汽泡互相影響，并會形成汽塊或汽柱；在這兩個區(qū)域中，汽泡的擾動劇烈，換熱系數(shù)和熱流密度都急劇增大。由于汽化核心對換熱起著決定性的影響，這兩區(qū)的沸騰統(tǒng)稱為核態(tài)沸騰（或稱為泡狀沸騰）。核態(tài)沸騰具有溫差小、換熱強的特點，所以一般工程應用都設計在這個范圍。核態(tài)沸騰的終點即為熱流密度最大時對應的點。 孤立氣泡區(qū)的照片汽塊區(qū)的照片 過渡沸騰區(qū)域的特點從峰值點開始進一步提高壁面溫度時，會發(fā)現(xiàn)換熱規(guī)律出現(xiàn)幾乎尋常的變化。此時，熱流密度不僅不隨的溫度的升高而提高，反而是越來越低。這是因為汽泡匯聚覆蓋在加熱面上，壁面上生成的氣泡不能自由升騰，蒸汽排除的過程越趨惡化。這種情況一直持續(xù)到達到最低熱流密度為止。這段沸騰稱為過渡沸騰，是很不穩(wěn)定的沸騰過程。 膜態(tài)沸騰的特點隨著壁面溫度的進一步提高，壁面上已形成穩(wěn)定的蒸汽膜層，產生的蒸汽有規(guī)律的排列膜層，熱流密度隨壁面過熱度的增加而增加。此段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)。穩(wěn)定膜態(tài)沸騰區(qū)在物理上與膜狀凝結有共同點，不過因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，而不是液膜，所以換熱系數(shù)比凝結要小得多。 臨界熱流密度定義：核態(tài)沸騰終點時所對應的熱流密度稱為臨界熱流密度。用符號表示。意義：對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設備（如電加熱器、對冷卻水加熱的核反應堆等設備），臨界熱流密度是最大值，是不能超過的，否則，設備將有被燒毀的危險。有時臨界點也被稱為“燒毀點”。 管沸騰簡介內管內強制對流換熱時，由于產生的蒸汽混入液流，會出現(xiàn)多種不同形式的兩相流結構，換熱機理也很復雜。右圖展示的是豎管內的強制對流換熱。隨著流動過程的進行，流動依次出現(xiàn)單相流、泡狀流、塊狀流、環(huán)狀流和單相流。相應的換熱會出現(xiàn)未飽和流體的對流換熱、過冷沸騰換熱、核態(tài)沸騰、液相對流沸騰、濕蒸汽換熱和過熱蒸汽換熱。對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也會出現(xiàn)如圖所示的相應變化。 第五節(jié)沸騰換熱的計算大容器飽和核態(tài)沸騰換熱的計算大容器沸騰的臨界熱流密度計算大容器膜態(tài)沸騰換熱的計算 大容器飽和核態(tài)沸騰換熱的計算影響核態(tài)沸騰的因素主要是壁面過熱度和汽化核心數(shù)，而汽化核心數(shù)又受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性的支配。由于因素比較復雜，如壁面的表面狀況需視表面污染、氧化程度而有不同等情況，因此各文獻提出的計算式分歧較大。在此僅介紹兩種類型的計算式：(1)是針對一種液體的；(2)是廣泛適用于各種液體的。一般而言，針對性強的計算式精度比較高。 米海耶夫提出的針對一種液體（水）的計算公式 庫珀推薦的適用于制冷介質的計算公式 大容器沸騰的臨界熱流密度計算應用液膜的泰勒不穩(wěn)定性原理導出的大容器沸騰的臨界熱流密度的半經驗公式為 大容器膜態(tài)沸騰的計算膜態(tài)沸騰中，汽膜的流動和換熱在許多方面類似于膜狀凝結中液膜的流動和換熱，因此可用類似的努塞爾理論進行分析，并得出與膜狀凝結換熱的分析解相類似的結果。物性參數(shù)也應改為相應的氣相參數(shù)。 計算公式水平圓管外的膜態(tài)沸騰球外的膜態(tài)沸騰 膜態(tài)換熱量的計算由于汽膜熱阻較大，而壁溫在膜態(tài)沸騰時很高，壁面的凈換熱量除了按沸騰計算外，還有輻射換熱。輻射換熱的作用會增加汽膜的厚度，因此不能認為此時的總換熱量等于對流換熱量與輻射換熱量之和。勃洛姆來建議采用以下超越方程來計算考慮對流換熱與輻射換熱相互影響在內的復合換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 第六節(jié)影響沸騰換熱的因素不凝結氣體過冷度液位高度重力加速度沸騰表面的結構 不凝結氣體對沸騰換熱的影響與膜狀凝結不同，溶解于液體中的不凝結氣體會使沸騰換熱得到某種強化。這是因為，隨著液體溫度的升高，不凝結氣體會從液體中逸出，使壁面附近的微小凹坑得以活化，成為汽泡的胚芽，從而使沸騰曲線向著減小的方向移動，即在相同的下產生更高的熱流密度，強化了換熱。但對于處于穩(wěn)定運行下的沸騰換熱設備而言，除非不斷地向工作液體注入不凝結氣體，否則它們一經逸出，也就起不到強化作用了。 過冷度對沸騰換熱的影響如果在大容器沸騰中流體主要部分的溫度低于相應壓力的飽和溫度，則這種沸騰稱為過冷沸騰。對于大容器沸騰，除了在核態(tài)沸騰的起始點附近區(qū)域外，過冷度對沸騰換熱的強度并無影響。在核態(tài)沸騰起始段，自然對流的機理還占有相當大的比例，而自然對流時由于其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與溫差有關（，此時的溫差為），因而過冷度會使該區(qū)域的換熱有所增強。 液位高度對沸騰換熱的影響在大容器沸騰中，當傳熱面上的液位高度足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關。但是當液位高度降低到一定值時，沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨著液位的降低而升高。這一特定的液位值稱為臨界液位。對于常壓下的水，其值約為5mm。低液位沸騰在熱管及電子器件冷卻中有重要的應用。下圖給出的三條實驗曲線，說明了液位高度與沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的關系。 重力加速度對沸騰換熱的影響隨著航空航天技術的發(fā)展，對超重力及微重力情況下傳熱規(guī)律的研究在近幾十年中得到了很大的發(fā)展。關于重力場對沸騰換熱的影響，現(xiàn)有的研究結果表明，在很大的變化范圍內重力加速度幾乎對核態(tài)沸騰的換熱規(guī)律沒有影響。但是重力加速度對液體自然對流則有顯著的影響。在零重力場的情況下，沸騰換熱的規(guī)律還缺乏足夠的研究。 沸騰表面結構對沸騰換熱的影響沸騰表面結構不同，換熱表面的汽化核心數(shù)會有變化，從而影響沸騰換熱的強度。要強化沸騰換熱，可改變表面的結構，目前常用的方法有：（1）用燒結、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學的方法在換熱表面上造成一層多孔結構；（2）采用機械加工方法在換熱管表面上造成多孔結構。