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重点内容:
沸腾换热规律及其影响因素。
当壁温高于液体的饱和温度时,发生沸腾过程。
一、沸腾换热分类
1大空间沸腾与有限空间沸腾
高于饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所进行的沸腾,称为大空间沸腾,又称池沸腾;沸腾过程受到沸腾空间的限制,沸腾产生的蒸气和液体混合在一起,构成汽液两相混合物(两相流),称为有限空间沸腾,又称受迫对流沸腾或管内沸腾。
2过冷沸腾与饱和沸腾
流体处于末饱和状态即流体温度低于饱和温度的沸腾现象,称为过冷沸腾;而液体温度始终保持大于液体的饱和温度,则称为饱和沸腾。
二、沸腾换热机理
把一个加热器浸没在饱和水中,使之温度逐步增加,并观察加热器表面上的沸腾过程,并得出加热热流密度q与过热度Δt=tw-ts的关系曲线,这就是饱和水大空间沸腾曲线,如图所示。

沸腾曲线可以分为四个主要的区域:
对流沸腾区(图中的AB线段)―壁面附近的液体的过热度较小,△t<3-5℃,而液体的总体温度低于饱和温度,壁面上能产生的汽泡的地方很少,处于较低强度的过冷沸腾状态。壁面与流体之间的热交换也以自然对流换热为主。由于存在一定程度的沸腾现象,在该区段的换热强度要比单纯的自然对流换热强。
泡态沸腾区(图中的BC线段)―在此区段中随着液体过热度的增加,液体的总体温度也不断地升高而达到或大于饱和温度。加热壁面上产生汽泡的地点(常称之为汽化核心)逐步增多,汽泡不断地在壁面上产生、长大、跃离,并在液体浮升力的作用下运动最后上升到液体的自由面。由于汽泡数目的增加,其运动导致液体的剧烈扰动,其跃离过程也造成液体对壁面的冲刷,这些都会使沸腾换热过程得到加强。在C点△t≈30℃。
过渡沸腾区(图中的CD线段)―经过C点之后,随着过热度的进一步增加而使汽化核心的数目增加到使其产生的汽泡很容易结合成汽膜,从而使换热强度下降。由于过热度还不是很大,由汽泡形成的汽膜并不十分稳定,总是存在不断地产生和破裂的状态之下。因此,整体的沸腾换热过程是属于泡态沸腾和膜态沸腾并存的过渡沸腾区域。
膜态沸腾区(图中DE线段)―在过渡沸腾区的后期,过热度再继续提高,局部的汽膜就会相互结合,最终使整个加热面全部被汽膜覆盖,从而形成稳定的膜态沸腾。此时液体完全不能与加热壁面接触,热量的传递过程变为加热面与蒸汽之间的对流换热和加热面与汽膜表面之间的辐射换热。这里有一个换热系数和热流密度的最小值。随着过热度的增加,辐射换热的作用加强,膜态沸腾的换热系数和热流密度又会以较快的速率增加。
其中由于泡态沸腾具有传热温差小换热热流密度大的特征,因而是工程上更多采用的沸腾换热过程。在泡态沸腾过程中,热量一方面经由气泡与壁直接接触的表面传给气泡,另一方面热由壁传给液体,再由液体传到气泡表面,使液体在气泡壁上气化,气泡继续长大,由于液体的导热系数远大于蒸气,故传递的途径主要是后者。
三、泡态沸腾换热影响因素
影响泡态沸腾换热的因素有多方面,包括影响汽泡在壁面上产生、长大、跃离过程的所以因素,其中最主要的是沸腾温差、压强、物性、壁面材料状况等。故一般把它归纳为下列函数关系:

四、泡态沸腾换热计算
由于沸腾换热过程的复杂性,通过理论分析来解决沸腾换热问题几乎是不可能的,因而实验研究常常是解决沸腾换热的主要途径。
1、罗逊诺(Rohsenow)计算式

2、米海耶夫的大空间沸腾计算式
水在1-40bar下:
五、基本要求及例题
从基本概念方面主要包括:沸腾换热的基本特点以及换热机理,尤其是气泡的产生、增长、数量等对泡态沸腾的影响。
从定量计算方面主要是确定沸腾凝结放热系数及换热量。
例题1、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上,试问滴在哪块板上的水滴先被烧干,为什么?
答案:在大气压下发生沸腾换热时,上述两滴水的过热度分别是△t=tw–ts=20℃和△t=300℃,由大容器饱和沸腾曲线,前者表面发生的是泡态沸腾,后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小,但其表面传热系数大,从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。
例题2、试从沸腾过程分析,为什么用电加热器加热时当加热功率q﹥qmax时易发生壁面被烧毁的现象,而采用蒸汽加热则不会?
答案:用电加热时,加热方式是控制表面的热流密度。而采用蒸汽加热则是壁面温度可控的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知,当加热功率q稍超过qmax值时,工况将沿qmax虚线跳至稳定膜态沸腾线,使壁面温度飞升,导致设备烧毁。
例题3、在1.013×105Pa的绝对压力下,水在表面温度为117℃的铜管外表面上进行大容器泡态沸腾。求此情况下铜管外表面上的沸腾换热系数h和单位面积的汽化率?
解:由饱和压力查得水的饱和温度ts=100℃,r=2257.1×103J/kg。
沸腾换热系数为h=0.1425△t2.33p0.5=0.1425×(117-100)2.33×(1.013×105)0.5
=3.339×104W/(m2·℃)
单位面积的汽化率为:
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