第七章—凝結(jié)和沸騰換熱

1、第七章一凝結(jié)和沸騰換熱 / 16第七章凝結(jié)與沸騰換熱(Condensation and Boiling Heat Transfe)本章重點(diǎn)： 凝結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn)；大空間飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。第一節(jié)凝結(jié)換熱現(xiàn)象(condensation heat transfer phenomena1-1基本概念凝結(jié)換熱現(xiàn)象蒸汽與低于飽和溫度(saturated temperature)的壁面接觸時(shí)，蒸氣會在壁面上凝結(jié)成液體 并向壁面放出凝結(jié)潛熱，這種現(xiàn)象稱為凝結(jié)換熱現(xiàn)象。有兩種凝結(jié)形式。凝結(jié)換熱的分類根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不同分兩種：膜狀凝結(jié)(film-wise condensation)定義

2、：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式。特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱(潛熱)須穿過液膜才能傳到冷卻壁面 上,此時(shí)液膜成為主要的換熱熱阻。珠狀凝結(jié)(drop-wise condensation )定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成小液珠的凝結(jié)形式。特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿過液膜的阻力即可傳到冷卻壁面上。問：在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)，哪個(gè)換熱系數(shù)高？為什么？答：實(shí)驗(yàn)證明，同種蒸氣珠狀凝結(jié)時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比膜狀凝結(jié)的高一個(gè)數(shù)量級。例如，大氣壓下水蒸氣珠狀凝結(jié)時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)約為4 104 105W/(m2 K)，膜狀凝結(jié)約為342

3、6 10 10 W/(m K)。珠狀凝凝結(jié)中，蒸汽與壁面直接接觸，而膜狀凝結(jié)時(shí)，蒸汽要通過凝結(jié)液膜與壁面?zhèn)鳠?，所以珠狀凝結(jié)比膜狀凝結(jié)的換熱系數(shù)高。如圖，B小則液體濕潤能力強(qiáng)，就會鋪展開來。一般情況下，工業(yè)冷凝器，形成膜狀凝 結(jié)，珠狀凝結(jié)的形成比較困難且不持久。3、凝結(jié)產(chǎn)生的條件：固體壁面溫度tw必須低于蒸氣的飽和溫度ts，即卩tw：ts 01-2膜狀凝結(jié)一、層流膜狀凝結(jié)分析解努謝爾抓住液體膜層的導(dǎo)熱熱阻是凝結(jié)過程的主要熱阻，忽略次要因素，從理論上揭示 了有關(guān)物理參數(shù)對凝結(jié)換熱的影響。努謝爾特在理論分析中作了若干合理假設(shè)，這些假設(shè)是：純凈蒸汽層流液膜；常物性；汽液界面無溫差；（即界面上液膜溫度等

4、于飽和溫度，t. =ts = 界面上只發(fā)生凝結(jié) 換熱而無對流換熱和輻射換熱）；蒸氣靜止的。（即汽液界面上蒸汽對液膜表面無粘滯應(yīng)力，即i巴=o ；丿 y液膜很薄且流動速度很慢，液膜的慣性力可以忽略；（簡化了動量方程）忽略液膜本身吸液，凝結(jié)液通過導(dǎo)熱全部傳給壁面，且膜內(nèi)溫度分布是線性的；（簡化了能量方程，若不忽略，則相當(dāng)于負(fù)內(nèi)熱源， 則溫度就不是線性分布）忽略液膜的過冷度，即凝結(jié)液的焓為飽和液體的焓；相對于凝結(jié)液密度，蒸汽密度可以忽略；液膜表面平整無波動。努謝爾特微分方程組理論解的求解方法求解的基本思路先從簡化的微分方程組出發(fā)獲得包括液膜厚度 S在內(nèi)的流速u及溫度t分布的表達(dá)式；再利用dx 一段距

5、離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液膜厚度的表達(dá)式；最后根據(jù)對流換熱微分方程式利用傅立葉定律求出表面?zhèn)?熱系數(shù)的表達(dá)式推導(dǎo)過程略，課后自學(xué)求解結(jié)果:膜層內(nèi)速度分布:h 7-1y22膜層內(nèi)溫度分布：t =tw (ts -tw)丄6在y =0.范圍內(nèi)，通過x處斷面1m寬壁面的凝結(jié)液膜的質(zhì)量流量為:kg /s凝結(jié)液膜的厚度為:1_ 4片駅x (ts tw) I4表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：1一 P2 g r 2314局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：hx =1 g4片 x (ts tw) 一1一 P2 ,g，r J3 卩高為I的豎壁，壁面平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：h = 0.943 |L-g屮 I (ts tw) _以上兩式為豎壁液膜層流

6、時(shí)膜狀凝結(jié)局部及平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的努謝爾特理論計(jì)算式。如果對于與水平面夾角為d的傾斜壁，只需將上式中的g該為gsinr即可。對于水平圓管外壁的膜狀凝結(jié)，努謝爾特推出的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的理論計(jì)算式為：1 .?2 g r 34h=0.725|式中，d 外徑，定型尺寸。氣 d (ts -tw) 一以上式中，潛熱r按蒸汽飽和溫度ts確定；t +t其它物性參數(shù)取膜層平均溫度為定性溫度，垢二上。2注意：水平管與豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算式有兩點(diǎn)不同：特性尺度：水平管用外徑d，豎壁用壁的高度I ;兩式系數(shù)不同。1在其他條件相同時(shí)，水平管與豎壁的平均換熱系數(shù)的比值為：吐管=0.77Ifh豎壁id .丿當(dāng)l/

7、d 2.85時(shí)，h7水平管“豎壁。一般管子的長度和外徑的比大于 2.85,所以管子水平放第七章一凝結(jié)和沸騰換熱 / 16第七章一凝結(jié)和沸騰換熱ii / 16置時(shí)的凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將大于豎放。例如：當(dāng) l/d =50時(shí)，在相同條件下，水平管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是垂直管的2倍多（按層流分析），所以，冷凝器通常都采用水平管的布置方案。、層流膜狀凝結(jié)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式層流膜狀凝結(jié)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式中所用的準(zhǔn)則是：凝結(jié)液膜雷諾數(shù)Rec及凝結(jié)準(zhǔn)則Co。1.凝結(jié)液膜雷諾數(shù)Rec: Re。二de Um de式中，Um 壁的底部x=l處液膜斷面平均流速，m/sd e 該膜層斷面的當(dāng)量直徑，m經(jīng)推導(dǎo)（過程略），得Rec的另

8、一種形式為:Rec 二4h l (ts -tw)豎壁上尼擁液膜的質(zhì)St嶽it式中，對于水平管管外凝結(jié)時(shí)，要用二d代替l 。2.凝結(jié)準(zhǔn)則Co : Co二h二 Nu GaGa二雪一伽利略準(zhǔn)則將層流膜狀凝結(jié)的壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)表示為準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為:垂直壁理論解：Co =1.47 Rec 3水平管理論解：Co =1.51Rec 33.理論解與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較分析對于水平圓管、橫管：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符。對于豎壁:Rec : 30時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符;（在層流向紊流轉(zhuǎn)折點(diǎn)處,Rec 30時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越來越高于理論解，最高大于20%原因是膜層表面波動的結(jié)果），所以，應(yīng)對理論解進(jìn)行修正。工程上，把理論解的系

9、數(shù)增加20%,以此作為垂直壁層流膜凝結(jié)換熱的實(shí)用計(jì)算式，即:hTFm或 Co=1.76Rec3流態(tài)的判別對垂直壁，液膜流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯霓D(zhuǎn)變點(diǎn)為：Rec =1800對于水平管，凝結(jié)液從管壁兩側(cè)向下流，層流到紊流的轉(zhuǎn)變點(diǎn)為：Rec =3600 o三、紊流膜狀凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)證明：膜層雷諾數(shù)Rec 1800時(shí)，垂直壁液膜流態(tài)為紊流 ； 橫管因直徑較小，實(shí)踐上均在層流范圍內(nèi)。紊流膜狀凝結(jié)的特征 靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量； 層流底層以外的紊流層以紊流傳遞熱量為主。因此，紊流液膜換熱遠(yuǎn)大于層流液膜換熱。計(jì)算方法對于底部已達(dá)到紊流狀態(tài)的豎壁凝結(jié)換熱，整個(gè)壁面分成層流段和紊流段，沿整個(gè)壁面

10、 上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按下式計(jì)算：h=h 午 m1 -牛）式中，Xc 由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯呐R界高度；hi 層流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);ht 紊流段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。垂直壁紊流液膜段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為:CoRe0 50 758750 +58Pr （Re；253）四、水平管內(nèi)凝結(jié)換熱蒸汽在水平管內(nèi)部凝結(jié)時(shí)，換熱與蒸汽的流速有關(guān)：h較大；（計(jì)算公式1 當(dāng)蒸汽流速低時(shí)，凝結(jié)液主要積聚在管子下部，蒸汽位于上部,見課本）2當(dāng)流速增大時(shí)，凝結(jié)液則分布于管子周圍，形成環(huán)狀流動，而中心則為蒸汽核，隨著 流動的進(jìn)行，液膜厚度不斷增厚以致凝結(jié)完時(shí)占據(jù)整個(gè)截面，h急劇下降。五、水平管束外平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)自

11、學(xué)1-3影響膜狀凝結(jié)的因素及增強(qiáng)換熱的措施一、影響因素上節(jié)討論了理想條件下飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的計(jì)算， 但在工程中不是如此理想的條件， 它受很多復(fù)雜因素的影響，主要有以下幾個(gè)方面：1、蒸汽流速努謝爾特的理論分析，忽略了流速的影響。因此，其結(jié)論只適于流速較低的場合。當(dāng)蒸 汽流速高時(shí)（水蒸汽 10m /s ），蒸汽流對液膜表面會產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。其影響程度與 蒸汽流向與重力場方向及流速大小是否撕破液膜有關(guān)。若流動方向與液膜重力場一致，使液 膜拉薄，h增加；若流動方向與液膜重力場相反，則阻滯液膜流動，使其增厚，h下降。2、不凝結(jié)氣體來源：蒸汽帶入，蒸汽分解，負(fù)壓條件下系統(tǒng)漏入，系統(tǒng)生成（液體與金屬

12、不相容性）蒸汽中含有不凝結(jié)氣體，如空氣，即使含量極微，也會對凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響。女口：水蒸汽中質(zhì)量含量占1%的空氣能使h下降60%。影響換熱的原因： 在靠近液膜表面的蒸汽側(cè)，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽分壓力下降，而不凝結(jié)氣體的分壓力上升，液體在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過積聚在界面附近的不凝結(jié)氣 體層。因此，它的存在增加了傳遞過程（凝結(jié)）的阻力。 蒸汽分壓力的下降，使相應(yīng)的飽和溫度下降，則減小了凝結(jié)的驅(qū)動力=ts-tw，也使凝結(jié)過程削弱。3、表面粗糙度當(dāng)凝結(jié)雷諾數(shù)較低時(shí)，凝結(jié)液易于積存在粗糙的壁上，使液膜增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低于 光滑壁的。4、蒸汽含油如果油不溶于凝結(jié)液，則油可能

13、沉積在壁上形成油垢，增加了熱阻，降低換熱效果。5、過熱蒸汽前述是針對飽和蒸汽的，對于過熱蒸汽，應(yīng)進(jìn)行修正，只須用過熱蒸汽與飽和液的焓差 代替式中的潛熱即可。、增強(qiáng)凝結(jié)換熱的措施強(qiáng)化膜狀凝結(jié)換熱的基本原則：盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜厚度。（從加速凝結(jié)液的排泄，形成珠狀凝結(jié)入手）主要措施有：1、改變凝結(jié)壁面的幾何特征：主要指在壁面上開溝槽。其增強(qiáng)換熱的機(jī)理為：利用凝結(jié)液的表面張力把凝結(jié)液拉到溝槽內(nèi)，并順溝槽迅速排走，而在凸起的脊部流 下的液膜非常薄。于是脊部就具有較高的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，溝槽低部傳熱系數(shù)雖較低，但總的 算起來，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)仍大大超過光管。 注意：不能發(fā)生因凝液過多造成的“溢流”

14、現(xiàn)象。凸起的脊部起肋片的作用，增加了換熱面積。2、有效地排除不凝氣體應(yīng)使設(shè)備正壓運(yùn)行，對于負(fù)壓運(yùn)行的設(shè)備，應(yīng)加抽氣裝置。3、加速凝結(jié)液的排出使液膜在下流過程中分段排泄或采用加速排泄法。4、在表面形成珠狀凝結(jié)思考題：1 試比較豎壁上自然對流與膜狀凝結(jié)的異同。答： 都是豎壁表面與流體的換熱，自然對流主要作用力是浮升力和粘滯力，膜狀凝結(jié)主要是重力和粘滯力。 都存在層流和紊流兩種流態(tài)，其中自然對流是氣體的流態(tài)；膜狀凝結(jié)指的是液膜中凝 結(jié)液的流動狀態(tài)。2有人說：在其他條件相同的情況下，水平管外的凝結(jié)換熱系數(shù)一定比豎直管強(qiáng)烈，這 一說法一定成立嗎？答：這一說法不一定成立，要看管的長徑比。為什么水平管外凝結(jié)

15、換熱只介紹層流的準(zhǔn)則式？答：因?yàn)閾Q熱管徑通常較小，水平管外凝結(jié)換熱一般在層流范圍。第二節(jié)沸騰換熱現(xiàn)象2-0沸騰換熱的基本概念1、沸騰的定義液體吸熱后在其內(nèi)部產(chǎn)生汽泡的汽化過程稱為沸騰。（液體表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生汽化）蒸發(fā)是發(fā)生在液體界面上的汽化現(xiàn)象，在任何溫度下均可發(fā)生。2、沸騰換熱由于液體沸騰而發(fā)生的加熱面與液體的換熱。（ 溫度高于沸點(diǎn)的壁面與液體之間的換熱過程）2、沸騰換熱的特點(diǎn) 液體汽化吸收大量的汽化潛熱； 由于汽泡形成和脫離時(shí)帶走熱量，使加熱表面不斷受到冷流體的沖刷和強(qiáng)烈的擾動，所以沸騰換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于無相變的換熱。水沸騰時(shí)，h =60050000W/（m2 K）3、沸騰換熱分類： 按照液

16、體所在的空間（液體是否做整體流動）分： 大空間沸騰（池內(nèi)沸騰） 有限空間沸騰（受迫對流沸騰、管內(nèi)沸騰）按照液體的主體溫度是否達(dá)到飽和溫度分：飽和沸騰，過冷沸騰4、產(chǎn)生沸騰的條件：理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，產(chǎn)生沸騰的條件：液體必須過熱， 要有汽化核心。2-1大空間沸騰換熱1、大空間沸騰 定義：指加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰。（液體具有自由表面） 特點(diǎn)：產(chǎn)生的汽泡能自由浮升，穿過液體自由面進(jìn)入容器空間。2、飽和沸騰 （saturated boili ng）定義：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度ts，壁面溫度tw高于飽和溫度ts所發(fā)生的沸騰。 特點(diǎn)：隨著壁面過熱度（氏二tw-ts）的增高，出現(xiàn)4

17、個(gè)換熱規(guī)律全然不同的區(qū)域。3、過冷沸騰（subcooled boiling）指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度大于該飽和溫度所發(fā)生的沸騰。、飽和沸騰過程和沸騰曲線第七章一凝結(jié)和沸騰換熱4 6 101001000 2000兩個(gè)概念： 沸騰溫差：飽和沸騰時(shí)，壁溫與飽和溫度之差，也稱過熱度。（2）沸騰曲線（boiling curve）:沸騰時(shí)的熱流密度q與沸騰溫差4的關(guān)系曲線。思考題：將同樣的兩滴水分別滴在溫度為120C和300C的鍋面上，試問哪只鍋上的水滴先被燒干？沸騰曲線如圖所示，橫坐標(biāo)為壁面過熱度（對數(shù)坐標(biāo)）；縱坐標(biāo)為熱流密度。從圖中可以看出，隨著沸騰溫差4的變化，飽和沸騰個(gè)有四個(gè)

18、換熱規(guī)律全然不同的區(qū)段： 對流沸騰、泡態(tài)沸騰（核態(tài)沸騰）、過渡沸騰及膜態(tài)沸騰。各區(qū)段的其特性如下：1、自然對流沸騰（free convection boiling （液面汽化段）圖中的AB段。當(dāng).4較小時(shí)（小于4C），沸騰尚未開始，壁面上只是產(chǎn)生少量汽泡，且產(chǎn) 生的汽泡不能脫離壁面上浮，這時(shí)是被加熱的液體向上浮升，形成自然對流，換熱遵循單相 自然對流換熱規(guī)律。液面發(fā)生表面蒸發(fā)，這時(shí)的沸騰稱為自然對流沸騰。（液體的主體溫度低 于相應(yīng)壓力下的飽和溫度 ）2、核態(tài)沸騰（nucleate boiling）（泡態(tài)沸騰）圖中的BC段，對應(yīng)壁面過熱度約430C。這是工程應(yīng)用中最重要、最常見的沸騰形態(tài)。從B點(diǎn)

19、以后，隨著t的增加，在加熱面的一些特定點(diǎn)上產(chǎn)生越來越多的汽泡，這些點(diǎn)被 稱為汽化核心。其特點(diǎn)是：開始階段，汽化核心產(chǎn)生的汽泡 互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)（厶t =4 8C）；這些汽泡在壁面上生 = 1 413 x !沁第七章一凝結(jié)和沸騰換熱 / 16面，這個(gè)區(qū)稱為相互影響區(qū)。由于汽化核心對換熱起決定作用，所以稱該段為核態(tài)沸騰(泡狀沸騰)。在這個(gè)區(qū)段，大量的汽塊脫離加熱面帶走汽化潛熱，汽塊的蒸發(fā)是主要的傳熱方式。同 時(shí)，汽塊的快速脫離表面加劇了液體對加熱面的沖刷作用，因而這一區(qū)域?qū)α鱾鳠岬膹?qiáng)度很 大。隨.vt= h ,q ，當(dāng)：t增大到一定值時(shí)，對應(yīng)于圖中的C點(diǎn)，q增加到最大值qmax。C點(diǎn)稱為沸

20、騰臨界點(diǎn)，與之相應(yīng)的t稱為臨界溫度差.-：tc, qc =qmax稱為臨界熱流密度(critical heat flux)。該段的特點(diǎn)是：溫差小，換熱強(qiáng)度大，工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該段。3、過渡沸騰(transition boiling)圖中的CD段。D點(diǎn)對應(yīng)的溫差約為120C。從C點(diǎn)以后，進(jìn)一步提高4，熱流密度不升反降。原因是：汽泡的生長速度大于汽泡躍 離加熱面的速度，生成的汽泡太多，使汽泡聚集覆蓋在加熱面上，形成一層蒸汽膜，氣膜阻 礙了液體與加熱面的直接接觸，使換熱情況惡化。這種情況持續(xù)到D點(diǎn)，達(dá)到熱流密度的最低值qmin為止，這一階段稱為過渡沸騰。該區(qū)段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程。4、膜態(tài)沸騰(fi

21、lm boiling)從D點(diǎn)以后，隨著 t的上升，汽泡生長速度與躍離速度趨于平衡。此時(shí)，在加熱面上形 成穩(wěn)定的蒸汽膜層，這時(shí)汽化使在氣膜與液體的交界面上進(jìn)行，產(chǎn)生的蒸汽有規(guī)律地脫離膜 層。此階段稱為穩(wěn)定膜態(tài)沸騰。其特點(diǎn)： 汽膜中的熱量傳遞不僅有導(dǎo)熱，而且有對流；由于熱表面的溫度相當(dāng)高，輻射的作用顯現(xiàn)出來，隨4的增加，熱流密度重新轉(zhuǎn)為上升。到E點(diǎn)，加熱表面的溫度已高達(dá)1000C以上，該點(diǎn)也對應(yīng)臨界熱流密度 qc。在物理上與膜狀凝結(jié)具有共同點(diǎn)：前者熱量必須穿過熱阻大的汽膜；后者熱 量必須穿過熱阻相對較小的液膜。注意：臨界熱流密度qc的物理意義對于依靠控制熱流密度來改變工況的加熱設(shè)備(電加熱液體、爐

22、膛燃燒產(chǎn)物輻射加熱水 冷壁中的水、核反應(yīng)堆中燃料棒加熱冷卻水等)，當(dāng)熱流密度超過qc時(shí)會發(fā)生這樣的現(xiàn)象：由于熱流密度無法隨過熱度的增加而減少，工況將不再按沸騰曲線由C點(diǎn)向D點(diǎn)過度，而是由C點(diǎn)直接跳轉(zhuǎn)到同一熱流密度qc下的點(diǎn)E。這是非常危險(xiǎn)的。從沸騰曲線可以看出，此時(shí)熱流密度qc雖未增加，但從C點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到E點(diǎn)時(shí)，對傳熱面來講，傳熱溫差：t將從20C增加 到1000C，可能導(dǎo)致設(shè)備燒毀，所以必須嚴(yán)格控制監(jiān)視q，確保在安全工作范圍內(nèi)。因此，也稱qmax為燒毀點(diǎn)(因?yàn)閝 - qmax時(shí)，可能燒毀設(shè)備)。因此，在核態(tài)沸騰區(qū)引出轉(zhuǎn)折點(diǎn) DNB(departure from nucleate boili ng

23、)，作為監(jiān)視接近qmax的警戒點(diǎn)。所以為了確保熱力設(shè)備的安全運(yùn)行，熱流密度控制在應(yīng)低于qmax。對制冷工質(zhì)，雖然從C點(diǎn)跳到E點(diǎn)不會影響設(shè)備的安 全，但當(dāng)q略小于qc時(shí)沸騰傳熱系數(shù)最大。因此，為了減小沸騰傳熱面，希望設(shè)計(jì)工況在C點(diǎn)附近。所以，對于制冷和空調(diào)工程，臨界熱流密度的研究也由很大的現(xiàn)實(shí)意義。對開始提出問題的回答：120C鍋上的水滴先被燒干。因?yàn)樵诖髿鈮合?，鍋表面的過熱度 分別為20E和200E，由沸騰曲線可見，前者表面發(fā)生核態(tài)沸騰，后者發(fā)生膜態(tài)沸騰，前者的熱流密度比后者要大許多、泡態(tài)沸騰機(jī)理需要弄清的問題：1、汽泡生成的條件；2、汽化核心、汽泡數(shù)量與沸騰溫度的關(guān)系;3、沸騰過程熱量傳遞的

24、途徑；4、壓力對泡態(tài)沸騰的影響。1、汽泡生成的條件託rm賓 z蒸氣泡的力平衡如圖所示，流體中形成的汽泡，它必須與周圍液體處于力平衡和熱平衡力的條件由于汽泡表面張力的作用，使其內(nèi)壓pv大于外壓Pl，根據(jù)力平衡條件：二 R2 (pv - Pi) = 2- R則 Pv - Pi =該式為汽泡存在的條件。(汽泡既不長大，也不縮小)汽泡長大的條件：如果Pv 一p旨，則汽泡就能繼續(xù)長大要產(chǎn)生汽泡必須有先天的汽化核心，使得初始汽泡的半徑為某一有限值。（壁面的凹縫、裂穴最可能成為汽化核心）溫度條件為了維持汽泡的熱平衡，液體溫度ti還必須等于汽泡內(nèi)的飽和蒸汽溫度tv，即tl二tv。（若 tl : tv，則汽泡將

25、被冷卻而凝縮，直至消滅 ）若忽略液面高度，則Pl等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即Pl Ps。（相應(yīng)壓力下的飽和溫度為ts） 因?yàn)槠萆蓵r(shí)，要求P, . Pl，所以tv ts，即熱平衡要求tl ts。二為了維持汽泡 的熱平衡，液體必須存在過熱度。（若汽泡在上升過程中，tl低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度，則汽泡將最終消滅，這就是所謂的過冷沸騰）2、汽化核心產(chǎn)生的條件少CT T壁面凹處最先能滿足汽泡生成的條件：Rm.=- 旦r叮At若汽泡半徑 R Rmin時(shí)，表面張力 內(nèi)外壓差，則汽泡內(nèi)蒸汽凝結(jié)，汽泡不能形成。若汽泡半徑R Rmin時(shí)，汽泡才能成長。由上式可解釋兩個(gè)現(xiàn)象：緊貼加熱壁面處液體具有最大過熱度，在這

26、里生成汽泡核所需的半徑最小，由于壁面 上一般總有劃痕、凹坑等，它們是生成汽泡核的最好地點(diǎn)。氏 =Rmin ，加熱面上更小的凹縫將成為汽化核心，因而汽化核心數(shù)量將隨壁 面過熱度的增加而增加。3、熱量傳遞的途徑（熱量如何由壁面?zhèn)髦疗荩┙?jīng)由與壁面直接接觸的汽泡表面?zhèn)鹘o汽泡；（汽泡在壁面上時(shí)）壁面一液體一汽泡表面一使液體在汽泡壁上汽化。（汽泡脫離壁面后。由于液體的導(dǎo)熱 系數(shù)遠(yuǎn)大于蒸汽，所以這是傳遞的主要途徑）汽泡脫離壁面時(shí)直徑的大小與液體潤濕壁面的能力有關(guān)。對于潤濕能力強(qiáng)的液體，生成 的汽泡呈球形，附著于壁面的面積小，汽泡易脫離壁面，脫離直徑也較小，傳熱量大；相反，潤濕能力弱的液體，汽泡有較大的表面

27、積附著于壁面，汽泡不易脫離，脫離直徑也較大，傳 熱量低。4、壓強(qiáng)對沸騰換熱的影響在際=手中，在一定氏下，：、r 7小中，只有匚隨壓強(qiáng)的變化最大。P，匚的增加值將超過Ts的增加和r的減小，結(jié)果是：使Rmin隨P而減小。所以在一定的t下,隨P ，能夠生成的汽泡核更多，沸騰也加強(qiáng)。大空間泡態(tài)沸騰的臨界熱流密度可按下式估算：1 1qcv rg；(pi - Pv)4三、大空間泡態(tài)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算由前可知，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。由于影響因素較復(fù)雜，計(jì)算公式分歧較大，所以在此介紹兩種情況：針對一種液體的計(jì)算公式；廣泛適用于各種液體的計(jì)算式。1、適用于水的米海耶夫計(jì)算式在105406Pa壓力下的大空間飽和沸騰計(jì)算式：0.70.152h=0.533q pW /(m K)q=h：t =h =0.122. ：t2.33p0.55W/(m2 K)其中h沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；p沸騰絕對壓