传热学7.2 沸腾传热

沸腾传热开放分类：物理、热量沸腾传热boiling heat transfer热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。

化工生产中常用的蒸发器、再沸器和蒸气锅炉，都是通过沸腾传热来产生蒸气的。

类型按液体所处的空间位置，沸腾可以分为：①池内沸腾。

又称大容器内沸腾。

液体处于受热面一侧的较大空间中，依靠汽泡的扰动和自然对流而流动。

如夹套加热釜中液体的沸腾。

②管内沸腾。

液体以一定流速流经加热管时所发生的沸腾现象。

这时所生成的汽泡不能自由上浮，而是与液体混在一起，形成管内汽液两相流。

如蒸发器加热管内溶液的沸腾。

机理沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。

汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。

这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。

根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv 为：式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气压ps；σ为汽液界面张力；R为汽泡半径。

由于pv>ps，汽泡内蒸气的饱和温度Tv必然大于与ps对应的饱和温度Ts。

汽泡周围的液体若要汽化进入汽泡，则它的温度Te必须大于或至少等于汽泡内蒸气的饱和温度，即Te≥Tv。

从上式可知，当R=0时，pv将趋于无限大。

因此在一个绝对光滑的平面上是不可能产生汽泡的，必须有汽化核心。

加热表面上的划痕或空穴中含有的气体或蒸气，都可作为汽化核心。

紧贴这些核心的液体汽化后，形成汽泡并逐渐长大，然后脱离表面，接着又有新的汽泡形成。

在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动，所以对同一种液体来说，沸腾传热的传热分系数要比无相变时大得多。

常压下水沸腾时的传热分系数一般为1700～51000W/(m2·K)。

沸腾曲线池内沸腾根据过热度（加热壁面温度TW与液体饱和温度Tm之差,ΔT=TW-Tm）的大小,分为泡核沸腾和膜状沸腾（见图）。

当过热度很小时，传热取决于单相液体的自然对流。

当过热度增大时，汽泡不断在壁面上产生，并在液体中上升和长大,这对液体对流起着显著作用,称为泡核沸腾。

7.4 沸腾传热的模式液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。

前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。

就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。

大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。

本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。

7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。

在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。

烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。

随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = t w - t s（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）：图7-14饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线(p = 1.013×105Pa)（1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。

（2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt > 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。

随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。

在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。

由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。