第七章 相变对流传热,§7-4 沸腾传热的模式,液体的汽化有两种，蒸发和沸腾 沸腾的定义：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程称为沸腾沸腾的特点 1 ）液体汽化吸收大量的汽化潜热； 2 ）由于汽泡形成和脱离时带走热量，使加热表面受到强烈的扰动，所以沸腾换热强度远大于无相变的换热沸腾换热分类： 1 ）大容器沸腾（池内沸腾） ； 2 ）强制对流沸腾（管内沸腾） 上述每种又分为过冷沸腾和饱和沸腾产生沸腾的条件： 理论分析与实验证明，产生沸腾的条件： 1）液体必须过热； 2）要有汽化核心,1 大容器饱和沸腾曲线,（1）大容器沸腾,定义：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾称为大容器沸腾 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进入容器气体空间2）饱和沸腾 定义：液体主体温度达到饱和温度 ，壁面温度 高于饱和温度所发生的沸腾称为饱和沸腾 特点 : 随着壁面过热度的增高，出现 4 个换热规律全然不同的区域3）过冷沸腾 指液体主体温度低于相应压力下饱和温度，壁面温度大于该饱和温度所发生的沸腾换热，称过冷沸腾4）大容器饱和沸腾曲线： （图7-14）物理实验的建立！ 表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括4个换热规律不同的阶段：自然对流、核态沸腾、过渡沸腾和稳定膜态沸腾，如图所示：,如图 7-14 所示，横坐标为壁面过热度（对数坐标）；纵坐标为热流密度。
从曲线变化规律可知：随壁面过热度的增大，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ将整个曲线分成四个特定的换热过程，其特性如下：,1 ）单相自然对流段（液面汽化段）,壁面过热度小时（图中 ℃）沸腾尚未开始（没有气泡产生），换热服从单相自然对流规律2 ）核态沸腾（饱和沸腾）,随着 的上升，在加热面的一些特定点上开始出现汽化核心，并随之形成汽泡，该特定点称为起始沸点其特点是：,①开始阶段，汽化核心产生的汽泡互不干扰，称为孤立汽泡区；,②随着 的上升，汽化核心增加，生成的汽泡数量增加，汽泡互相影响并合成汽块及汽柱，称为相互影响区③随着 的增大， q 增大，当 增大到一定值时， q 增加到最大值 ，汽泡扰动剧烈，汽化核心对换热起决定作用，则称该段为核态沸腾（泡态沸腾，泡状沸腾）其特点：温压小，换热强度大，其终点的热流密度 q 达最大值 工业设计中应用该段3 ）过渡沸腾,从峰值点进一步提高 ，热流密度 q 减小；当 增大到一定值时，热流密度减小到 ，这一阶段称为过渡沸腾该区段的特点是属于不稳定过程原因：汽泡的生长速度大于汽泡跃离加热面的速度，使汽泡聚集覆盖在加热面上，形成一层蒸汽膜，而蒸汽排除过程恶化，致使 q 下降。
4 ）稳定膜态沸腾,从 开始，随着 的上升，气泡生长速度与跃离速度趋于平衡此时，在加热面上形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律地脱离膜层，致使 上升时，热流密度 q 上升，此阶段称为稳定膜态沸腾其特点： （ 1 ）汽膜中的热量传递不仅有导热，而且有对流； （ 2 ）辐射热量随着温差的加大而剧增，使热流密度大大增加； （ 3 ）在物理上与膜状凝结具有共同点：前者热量必须穿过热阻大的汽膜；后者热量必须穿过热阻相对较小的液膜几点说明： （1）上述热流密度的峰值qmax 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点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，因为热量必须穿过的是热阻较大的汽膜，所以换热系数比凝结小得多2 汽化核心的分析 (1) 汽泡的成长过程及生成部位 实验表明，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，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心，如图所示2) 汽泡的产生的条件（必须要有一定的过热度）,力的平衡：,由热平衡：,气泡外液体压力（忽略液柱静压）：,气泡内压力：,有一定的过热度：,（壁面处最大 ）,产生气泡的半径条件：,或,汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克劳修斯-克拉贝龙方程),式中： — 表面张力，N/m；r — 汽化潜热，J/kg v — 蒸汽密度，kg/m3；tw — 壁面温度，C ts — 对应压力下的饱和温度， C 可见， (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上，称为汽化核心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强,§7-5 大容器沸腾换热的实验关联式,沸腾换热也是对流换热的一种，因此，牛顿冷却公式仍然适用，即,但对于沸腾换热的h却又许多不同的计算公式,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比较复杂，导致了关联式的研究成果分歧较大。
目前存在两种计算是： （ 1 ）针对一种液体的计算公式； （ 2 ）广泛适用于各种液体的计算式；,（1）适用于水的米海耶夫计算式,,在 压力下大容器饱和沸腾计算式：,按 ,（2 ）适用于各种液体的计算式:,既然沸腾换热也属于对流换热，罗森诺（Rohsenow）认为沸腾换热之所以强烈，主要是由于汽泡的产生和脱离造成强烈的扰动之故正是在这种思路下，通过大量实验得出了如下实验关联式（多种写法）：,,上式可以改写为：,对于制冷介质而言，以下的库珀（Cooper）公式目前得到广泛的应用：,,,,,,其中： 为液体的相对分子质量； 为对比压力（液体压力与该液体的临界压力之比）； 为表面平均粗糙度，（对一般工业用管材表面，为0.3~0.4）； 为热流密度2 大容器沸腾的临界热流密度,对于大容器沸腾的临界热流密度的计算，推荐采用如下半经验公式：,,所有的物性参数均按照饱和温度查取，该式只适用于加热面为无限大的水平壁的情况，实际上，对于加热面特征长度大于汽泡平均直径的3倍时，上式也可使用3 大容器膜态沸腾的关联式,（1）横管的膜态沸腾 与横管的凝结传热相似（将7-4式中的系数改为0.62，将 改为蒸气的物性，并将 用 代替）：,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,勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：,,其中：,（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，它的影响有两部分，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例题7-3,在1.98x105Pa绝对压强下，纯水在tw=127℃抛光铜质加热面上进行大空间泡态沸腾，求q、h及临界热流密度qmax由压强根据附表9得，ts=120℃,如果,§7-6 沸腾换热的影响因素及其强化 （自学提交作业）,沸腾换热是我们学过的换热现象中最复杂的，影响因素也最多，由于我们只学习了大容器沸腾换热，因此，影响因素也只针对大容器沸腾换热1 不凝结气体对膜状凝结换热的影响 与膜状凝结换热不同，液体中的不凝结气体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， ，因此，过冷会强化换热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)图中介质为一个 大气压下的水,4 重力加速度 随着航空航天技术的发展，超重力和微重力条件下的传热规律得到蓬勃发展，但目前还远没到成熟的地步，就现有的成果表明：,从0.1 ~ 1009.8 m/s2 的范围内，g对核态沸腾换热规律没有影响，但对自然对流换热有影响，由于 因此，g Nu 换热加强。
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主要是增加表面凹坑目前有两种常用的手段： 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 机械加工方法沸腾传热作业： （1）习题作业7-20(式7-17中的Cwl=0.013)，7-23 （2）自学内容作业：沸腾传热的影响因素（如何影响）及强化沸腾传热的原则与技术？,本章习题作业汇总： 7-6,7-11，7-20，7-23， 沸腾传热的影响因素（如何影响）及强化沸腾传热的原则与技术？,自学例题7-2~7-6.,。