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1、3.1 沸腾换热 3.2 凝结换热 3.3 固液相变传热,第三章 相变热质交换原理,3.1 沸腾换热,3.1.1 沸腾换热现象及分析,在固液界面上发生的蒸发，称之为沸腾。当表面温度Ts超过相应液体压力下的饱和温度ts时，就发生这种过程。热量从固体表面传向液体，牛顿冷却定律的相应形式,这种过程的特点是有蒸汽泡形成，它们长大后脱离表面。蒸汽泡的生长和它的动态特性、过热度、表面特性以及诸如表面张力等流体的热物理参数之间有着很复杂的关系。反过来，蒸气泡形成的动态特性又影响表面附近流体的运动，从而对换热系数有强烈的影响。,沸腾可以在各种不同条件下发生。例如，池内沸腾(或称大容器沸腾)指的是，液体总体是静
2、止的，在表面附近的运动是由于自然对流以及气泡生长及脱离造成的扰动所致。与此不同，在强迫对流沸腾时，流体的运动除了由于自然对流和气泡造成的扰动以外，还由于外力所致。沸腾还可按照它是过冷的或是饱和的来分类。在过冷(或局部)沸腾时，液体的温度低于饱和温度，因而固体表面上形成的气泡最后还是要在液体中凝结。相反，饱和沸腾时，液体的温度超过饱和温度，固体表面上形成的气泡会在浮升力的推动下穿过液体，最后从自由表面上逐出。,加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称大容器沸腾。此时产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由表面进入容器空间。液体主体温度达到饱和温度，壁温高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾。在饱
3、和沸腾时，随着壁面过热度的增高，会出现4个换热规律全然不同的区域。水在1个大气压下的饱和沸腾曲线(图3-1)具有代表性。图中横坐标为壁面过热度 (对数坐标)，纵坐标为热流密度q。这4个区域的换热特性如下：壁面过热度小时(图31中t4)，沸腾尚未开始，换热服从单相自然对流规律。,(1)大容器饱和沸腾及其沸腾曲线,从起始沸腾点开始，在加热面的某些特定点上(称汽化核心)产生气泡。开始阶段，汽化核心产生的气泡彼此互不干扰，称孤立气泡区，随着t进一步增加，汽化核心增加，气泡互相影响，并会合成气块及气柱。在这两区中，气泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对换热起苦决定性影响，这两区的沸
4、腾统称为核态沸腾(或称泡状沸腾)。核态沸腾有温差小、换热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。,从峰值点进一步提高，换热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随t的升高而提高，反而越来越低。这是因为气泡汇聚覆盖在加热面上，而排除蒸汽过程越趋艰难。这种情况持续到到达最低热流密度qmin为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。,从qmin起换热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地脱离膜层，q随t增加而增大。此段称为稳定膜态沸腾。稳定膜态沸腾在物理上与膜状凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，而不是液膜，所以换热系数比凝结小得多。稳定膜态
5、沸腾的照片示于图3-2(4)。,上述热流密度的峰值qmax有重大意义，它被称为临界热流密度CHF(Critical Heat Flux)。对于依靠控制热流密度来改变工况的加热设备，如电加热器、对冷却水加热的核反应堆一旦热流密度超过峰值，工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线，将猛升至近1000，可能导致设备的烧毁，所以必须严格监视并控制热流密度，确保在安全工作范围之内。也由于超过它可能导致设备烧毁，所以qmax亦称烧毁点。在烧毁点附近(比qmax的热流密度略小)，有个在图31上表现为q上升缓慢的核态沸腾的转折点DNB(Departure from Nuclear Boiling，意即偏离核态沸
6、腾)点，它作为监视接近qmax的警戒，是很可靠的。对于蒸发冷凝器等壁温可控的设备，这种监视是重要的。因为一旦q超过转折点，就可能导致膜态沸腾，在相同的壁温下使换热量大大减少。以上是水的饱和沸腾曲线的概述。不同上质、不同压力、沸腾参数不同的沸腾现象的演变和其规律是类似的。,在核态沸腾区，气泡的扰动对换热起支配作用。气泡产生在汽化核心处。对影响汽化核心的因素和汽化核心数与壁面过热度的依变关系的分析，将有助于对核态沸腾现象及其换热规律的理解。目前普遍认为，壁面的凹穴、裂缝最可能成为汽化核心。这些凹穴中残留的气体(包括蒸汽)，由于液体表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生气泡的有利场所。下面
7、我们对汽化核心的形成作一番分析。假设在流体中存在一个球形气泡如图33所示，它与周围液体处于力平衡和热平衡。由于表面张力的作用，气泡内的压力pv必大于气泡外的压力pt。根据力平衡条件，气泡内外压差应被作用于汽液界面上的表面张力所平衡，即,(2)汽化核心的分析,若忽略液柱静压的影响，则pt可认为近似等于沸腾系统的环境压力，即 。而热平衡则要求气泡内蒸汽的湿度为pv压力下的饱和温度tv。界面内外温度相等，即 所以气泡外的液体必然是过热的，过热度为 。贴壁处液体具有最大过热度 加上凹穴处有残存气体，壁面凹缝处最先能满足气泡生成的条件,故气泡都在壁面上产生。,综上可知，在一定壁面过热度条件下，壁面上只有
8、满足式(3-3)条件的那些地点，才能成为工作的汽化核心。,随着壁面过热度的提高，压差pv-ps值越来越高。按式(3-3)，气泡的平衡态半径及将递减。因此，壁温tw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，从而汽化核心数随壁面过热度的提高而增加。关于加热表面上汽化核心的形成及关于气泡在液体中的长大与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的基本机理以及开发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气泡动力学的某种理解面建立起来的。正是20世纪50年代末关于汽化核心首先是在表而上一些微小凹坑上形成的这一基本观点的确立，才导致了20世纪70
9、年代关于沸腾换热强化表面开发工作的开展。,(a),(b),(c),图3-2 不同沸腾状态（金属丝加热） (a)孤立气泡区(核态沸腾)；(b)气块区(核态沸腾)； (c)过度沸腾；(d)稳定膜态沸腾,(d),在大容器沸腾中，由加热面上产生气池，气池受浮力作用上浮，因此流体的运动主要受浮力驱动。面强迫对流沸腾(forced convection boiling)中，流体流动则是液体的直接运动和浮力共同作用的结果。和强迫对流类似，强迫对流沸腾可分为外部强迫对流沸腾和内部强迫对流沸腾，后者一般被称为两相流(two-phase flow)，它是以在流动方向上由液体迅速变为蒸汽为特征的。,(3)强迫对流沸
10、腾简介,1)外部强迫对流沸腾对一加热平板的外部流动，其热流密度可利用标淮的强迫对流关系式一直估算到沸腾开始之时。随着加热板温度增加，核态沸腾出现，引起热流密度增加。若蒸汽产生牢不大，而且液体过冷，Bergles和Rohsenow建议用纯强迫对流和他内沸腾的组合来估算总热流密度。,2)管内沸腾(两相流)管内强迫对流沸腾时，由于产生的蒸汽混入液流，出现多种不同形式的两相流结构。图3-4显示了竖管内沸腾可能出现的流动类型及换热类型。流入管内的未饱和液体被管壁加热，到达一定地点时壁面上开始产生气泡。此时液体主流处于过冷状态，这时的沸腾为过冷沸腾。继续加热而使液流达到饱和温度时，即进人饱和核态沸腾区。饱
11、和核态沸腾区经历着泡状流和块状流。含汽量增长到一定程度，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，把液体排挤到壁面，呈环状液膜，称为环状流。此时换热进人液膜对流沸腾区。环状液膜受热蒸发，逐渐减薄，最终液膜消失，湿蒸汽直接与壁面接触。液膜消失称为蒸干。此时，由于换热恶化，会使壁温猛升，造成对安全的威胁。对湿蒸汽流的继续加热，使工质最后进入干蒸汽单相换热区。,横管内沸腾时，重力场对两相结构有影响而出现新的特点，所以管的位置是影响管内沸腾的因素之一。在管内沸腾中，最主要的影响参数是含汽量(即蒸汽干度)、质量流量和压力。,3.1.2沸腾换热计算式,(1)大容器饱和核态沸腾,前面的分析表明，影响核态沸腾的因素
12、主要是壁画过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如壁面的表面状况受表面污染、氢化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式；一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。,对于水，米海耶夫推荐的在105 4x106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为,按q=ht的关系，上式亦可转化为,基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想，文献9,10推荐以下适用性广的实验关联式：,水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。 式(3-6)还可以改写
13、成为以下便于计算的形式：,应用汽膜的泰勒不稳定性原理导得的大容器沸腾的临界热流密度的半经验公式可推荐作计算之用，该式为,(2)大容器沸腾的临界热流密度,(3)大容器膜态沸腾,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。文献13中，对汽膜进行分析所得到的结果与膜状凝结的分析解十分相似。对于横管的膜态沸腾，仅需将凝结式中的和改为蒸汽的物性，用 代替 ，并用实验系数0.62代替凝结式中的0.729，即,由于汽膜热阻较大，而壁温在膜态沸腾时很高，壁面的净换热量除了按沸腾计算的以外，还有辐射换热。辐射换热的作用会增加汽膜的厚度，因此不能认为此时的总换
14、热量是按对流换热与辐射换热方式各自计算所得之值的简单叠加。勃洛姆来建议采用以下超越方程来计算考虑对流换热与辐射换热相互影响在内的复合换热的表面传热系数：,式中，hc、hr分别为按对流换热及辐射换热计算所得的表面传热系数，其中hc按式(3-10)计算，而hr则按下式确定：,制冷剂的沸腾放热是一个很复杂的过程，目前尚未有统一的、适用范围广泛的公式予以描述，只能采用某些在特定条件下得出的经验公式进行计算。对于光管管束上的沸腾，其放热公式可按如下公式近似计算：当热流密度q2100 w/m2时，,(4)制冷剂水平管束外大空间的沸腾放热,当热流密度q2100 w/m2时，,实验还得出以下结论： 1)肋管上
15、的沸腾放热大于光管，由于加肋以后，在t和q相同的条件下，气泡生成与增长的条件，肋管较光管有利。 2)管束上的沸腾放热大于单管。由于下排管子表面上产生的气泡向上浮升时引起液体附加扰动，附加扰动的影响程度依赖于蒸发压力p、热流密度q和管排间距等。面且肋管管束的h大干光管管束，有的资料介绍，在相同的湿度下，R-12肋管管束的沸腾放热系数比光管管束大70，R-22大90。 3)物性对沸腾放热系数有影响，R-22的沸腾放热系数比R-12大20。 4)制冷剂中含油对沸腾放热系数h的影响与含油浓度有关，当含油浓度6时可不考虑这项影响，含油量再增加可使降低。,对于氟利昂错排正三角形排列的肋管管束，当2000w
16、/m2q6000 w/m2，纵向管排数Z10时，可按下式计算：,如果不按热流密度q的大小分区，也可按下式计算多排管束上的平均沸腾放热系数：,(5)制冷剂的管内沸腾,制冷剂在管内沸腾时出现复杂的气-液两相流动，随着沿途不断地受热，含气量、流速和流动结构都在不断变化，而流速与流动结构又影响气泡的产生、成长和脱离。管内的沸腾放热系数除了与液体的物性、热流密度q，沸腾压力p0等有关，还与管内流体的流速、管径、管长以及管子的放置位置、流体流向等因素有关。流动方向自下而上，气泡容易脱离壁面，放热系数也较大。,对于立管内的沸腾放热，其平均放热系数可按下式计算：,氟利昂在水平管内的沸腾放热系数，当进口处液体流速v00.050.5m/s，蒸汽干度：入口x10.040.25，出口x20.91.0时，可按下式进行计算： q4000 w/m2时,q0.625kw/m2，vm=5060kg/(m2s)时,
