沸腾传热

热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导 热性能的传热元件。
热管中各个传递环节的热阻分析
设热管的外径 do =25mm， 内径 di =21mm，蒸发段长度 le及冷 凝段长度 lc均为 1m，碳钢导热系数 =43.2 W/(m· K)。热量从热 流体传到冷流体的过程中各个环节的热阻如下： (1). 从热流体到蒸发段外壁的换热热阻 R1 设蒸发段外表面总表面传热系数为 ho，e，则：
D
F
A B E
6/45
三 气泡动力学简介
1 沸腾传热具有较高传热强度的原因 气泡的形成、成长、脱离壁面所引起的各种 扰动而造成的。 要进一步强化沸腾传热就要设法增加加热表 面上产生气泡的地点----汽化核心 2 汽化核心产生地点
加热表面上凹坑、裂穴最有可能成为汽化核心
7/45
3 加热表面上要产生气泡液体必须过热
C
D
F
A B E
t q
5/45
沸腾传热有：
（1）壁温可以控制的情况 （2）热流密度可以控制的情况
C
临界热流密度 qmax
对于依靠控制热流密度来改 变工况的加热设备（电加热器 和核反应堆），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， t 将 猛升至近1000 º C，可能导致设 备的烧毁，所以qmax亦称烧毁点。 必须严格监视并控制热流密度。
R7
1
d o l c ho,c
在 R1~R7中，属于热管内部的热阻为R2~R6，其和为 6.78 10-3 K/W。一根长2m、直径为25mm的铜棒的热阻是上述钢-水 热管的1500倍。热管的这种特别优良的导热性能又被称为“超导 热性”。
本章作业
7-5、7-8、7-21、7-24、730、7-32

沸腾传热技术在能源领域的应用随着科技的不断进步，在能源领域，沸腾传热技术已经成为了必不可少的一种技术手段。

所谓沸腾传热就是热量通过热液体表面产生的沸腾现象向介质传递。

这种方法能够在提高能源利用率的同时，也能够提高生产效率，减少能源消耗。

本文将着重介绍沸腾传热技术在能源领域的应用。

一、沸腾传热在换热器中的应用换热器是能源领域中广泛使用的一种设备。

而沸腾传热技术在换热器中的应用也越来越多。

通过沸腾传热技术，可以极大地提高换热器的换热效率，降低能源的消耗。

另外，在太阳能热水器、电站锅炉、汽车发动机等领域中，也广泛使用着换热器。

二、沸腾传热在太阳能领域中的应用太阳能的利用是一种可持续发展的能源形式。

在太阳能的利用过程中，沸腾传热技术也扮演着重要的角色。

太阳能热水器就是一种应用沸腾传热技术的典型例子。

其工作原理是通过太阳能将水加热至一定温度，当水温达到一定程度时，水中的液体开始沸腾，从而将热量释放出来。

通过这种方式，可以将太阳能转化为电能和热能，实现太阳能利用的最大化。

三、沸腾传热在核能领域中的应用沸腾传热技术在核能领域中也有着广泛的应用。

在核电站中，沸腾传热技术可以将反应堆中的热能传递至蒸汽发生器中。

蒸汽发生器中的液体经过沸腾传热后，能够将热能转化为电能。

在核电站中，沸腾传热技术的应用可以大大提高电站的效率，也能够减少燃料的消耗。

四、沸腾传热在航空航天领域中的应用作为一种重要的先进技术，沸腾传热在航空航天领域中也有着广泛的应用。

例如在火箭发动机喷气式比冲优化、超音速输运器导热保护等方面，沸腾传热技术都有着很好的应用前景。

此外，还可以利用沸腾传热技术研究高温高压环境下材料的物理化学特性，提高航空航天技术的发展水平。

总之，沸腾传热技术在能源领域的应用非常广泛。

它可以帮助各个领域提高生产效率，减少能源消耗，从而实现节能减排的目标。

未来，随着科技的不断发展，沸腾传热技术在能源领域中的应用还将有更加广阔的前景。

基本概念
定义： a 沸腾：工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态 的一种剧烈的汽化过程 b 沸腾换热：指工质通过气泡运动带走热量，并使壁 面冷却的一种传热方式
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
沸腾分类
饱和沸腾 大空间沸腾
过冷沸腾
管内沸腾 饱和沸腾 过冷沸腾
t ts t ts
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， h (tw t f )n ，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(临界液位)时，表面传热 系数会明显地随液位的降低而 升高。
4 重力加速度
随着航空航天技术的进步，超重力和微重力条件下的传热规律
将同样的两滴水分别滴在温度为120℃和300 ℃的锅面上，试问哪只锅上的水先被烧干， 为什么？
大容器饱和沸腾曲线 t tw ts 0
Departure from Nucleate boiling
C E
B
Natural convection
Nucleate boiling
A
D
Transition boiling
dW 0, dV d 4 R3 , dA d 4R2 3
pv
pl
2
R
pv pl , pl ps Tv Tl Ts
大容器沸腾换热计算式
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 汽化核心数受材料、表面状况、压力等因素的支配，所以 沸腾换热的情况液比较复杂，导致计算公式分歧较大。目 前存在两种计算是，一种是针对某一种液体，另一种是广 泛适用于各种液体的。

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）。

凝结与沸腾传热知识点总结一、凝结传热1. 基本概念凝结传热是指气体或蒸汽在与冷凝器或凝析器接触时，由于在高温高压下从气态转变为液态而释放出的潜热，使得冷却表面获得热量，达到热交换的目的。

凝结传热广泛应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统、核电站等领域。

2. 传热机理凝结传热的机理主要包括蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态的过程。

蒸汽接触冷却表面后，从气态开始逐渐降温，当温度降至饱和温度时，蒸汽开始冷凝成液态，同时向冷凝器表面释放潜热。

这一过程中，冷凝器表面得到了传热，达到冷却的效果。

3. 影响因素凝结传热的影响因素主要包括冷凝器表面的特性、冷却介质的流动情况、冷凝器的结构设计等。

其中，冷凝器表面的特性对传热性能影响较大，如表面粗糙度、表面材质等都会对凝结传热产生影响。

二、沸腾传热1. 基本概念沸腾传热是指在液体受热时，液体表面发生气泡并从表面蒸发的过程，通过气泡与液体间传热的方式，将热量传递给液体。

沸腾传热广泛应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。

2. 传热机理沸腾传热的机理主要包括液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，同时气泡与液体之间发生传热。

气泡在液体中的形成、生长、脱离和再次形成的过程构成了沸腾传热的基本机理。

3. 影响因素沸腾传热的影响因素主要包括液体的性质、加热表面的特性、液体的流动情况等。

其中，液体的性质对沸腾传热产生较大影响，如液体的表面张力、黏度、温度等都会对沸腾传热产生影响。

三、凝结与沸腾传热的比较凝结传热与沸腾传热在传热机理、应用领域等方面存在显著差异。

凝结传热是气体或蒸汽在冷却表面附近冷凝成液态，释放潜热的过程，适用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域。

而沸腾传热是液体受热后，液体表面产生气泡并从表面蒸发，通过气泡与液体间传热的方式，适用于锅炉、蒸馏器等领域。

在传热特性上，沸腾传热的传热系数通常比凝结传热高，因此在某些情况下，沸腾传热更适于热交换。

此外，在应用领域上，凝结传热主要应用于蒸汽动力设备、空调制冷系统等领域，而沸腾传热主要应用于锅炉、蒸馏器、冷却设备等领域。

影响池式沸腾的因素
系统压力 主流液体的温度（或欠热度）：欠热度对传热
强度影响很小，但对qc有显著影响，qc随欠热 度的增加而升高。 加热表面粗糙度：壁表面越粗糙，泡化空穴越 大，使泡核沸腾传热增强； 壁面方位和尺寸。 其他如液-壁接触角和液体中含不凝气体等
控制热流密度加热时大空间 饱和沸腾换热的烧毁点：
临界热流密度
C点--临界热流密度点（CHF）：标志着泡核沸 腾的上限。在C点之后由于部分加热表面被整 齐覆盖而使传热减弱。或者可能因为q的稍微 增加而导致壁温骤然增加（近1000℃），将可 能导致壁面烧毁。因此qmax亦称为烧毁点。
两种机理：1、汽泡合并；2、流体动力学不稳 定性（造成的结果都是蒸汽覆盖表面而传热恶 化）
随着q的增加，在 加热面上产生气泡， 但很快在跃离壁面 之前就被冷凝了， 在热边界层引起微 量的对流
当液体温度接近ts 时，气泡在加热面 上长大并跃离壁面， 它们升向自由表面 的过程中，被冷液 体所冷凝
当液体达到饱和温 度时，气泡将不再 在液体中凝结，而 是上升到自由表面
两种临界热流密度点（CHF）工况
TW TW TS TSUBTS Tf
大容积沸腾传热
定义:浸没在池内（大容积内）原来静止 （或流速很低）液体内的受热面上产生的 沸腾。又称池式沸腾。
当池内液体整体温度比系统压力下的饱和温度 低时的沸腾叫欠热沸腾；当池内液体处在与系 统压力相应的饱和温度时的沸腾叫饱和沸腾
饱和沸腾： tf ts，twts
，G是给定的，故易算出通道壁面温度超过液体饱和温度的起
in
➢ 当壁面温度超过饱和温度时，不会立即就形成稳定 的过冷沸腾
在液体的单相对流区与 充分发展的过冷区之间 存在一个“部分沸腾” 区

沸腾传热过程的流体力学特性及其应用沸腾传热是在高温下，液体内部产生气泡并通过气泡的形成、生长和脱落来传递热量的一种传热方式。

沸腾传热广泛应用于多个领域，包括化工、电力、核工程等。

本文将探讨沸腾传热过程中的流体力学特性以及其在工程中的应用。

一、沸腾传热的基本原理沸腾传热的基本原理是液体受热后产生气泡，在气泡形成与脱落过程中传递热量。

沸腾传热过程中的三个关键阶段是沸腾核形成、沸腾核生长和沸腾核脱落。

沸腾传热的热阻主要集中在液体与气泡的传热界面上。

这种传热方式快速高效，能够在相对较小的温差下实现大量热能的传递。

二、沸腾传热的流体力学特性1. 沸腾区域分布：沸腾过程中存在沸腾区域和非沸腾区域。

沸腾区域通常位于热源附近，而非沸腾区域则是在沸腾区域边界及其外部。

沸腾区域的形状和大小与流体特性以及热源参数有关。

2. 沸腾传热系数：沸腾传热系数是评价沸腾传热效果的重要指标。

沸腾传热系数与沸腾区域的形态、液体和热源的性质以及流体边界层的热传导等因素密切相关。

提高沸腾传热系数可以通过增加沸腾区域的表面积、增加液体活力度以及改变热源参数等途径。

3. 带泡沸腾和无泡沸腾：沸腾传热可以分为带泡沸腾和无泡沸腾两种形式。

带泡沸腾是典型的沸腾现象，气泡在液体中形成、生长和脱落。

无泡沸腾则是在微米尺度下进行，液体在高温下发生相变，形成气体通道进行热传导。

三、沸腾传热的应用1. 化工工程：沸腾传热广泛应用于化工过程中的换热设备，如蒸发器、冷凝器等。

沸腾传热可以提高换热效率，加快传热速度，提高生产效率。

此外，在化工反应器的温度控制中，沸腾传热也有重要应用。

2. 电力工程：电力发电中的锅炉中广泛采用沸腾传热方式。

燃料在锅炉内燃烧产生高温烟气，通过锅炉水管中的沸腾传热将热能转化为蒸汽，用于推动汽轮机发电。

沸腾传热的高效率和可靠性使得电力工程中广泛采用。

3. 核工程：核反应堆中的沸腾传热是核能发电的重要环节。

核燃料的分裂产生大量热能，需要通过冷却剂来控制温度。

强化沸腾传热的原则和方法
沸腾传热是一种重要的热传导过程，其中包括液态变为气态的蒸发过程。

如何
有效地强化沸腾传热，在温度调节和热交换系统等四处都得到了广泛的应用。

目前，常用的方法有提高沸点，增加吸热表面积，用增压方法改善沸腾传热效果，制作陶瓷蒸发板，利用气泡的参与机理以及利用表面引发物质的效应来强化沸腾传热的技术和方法。

提高沸点是提升沸腾传热效率的基本方法，通常可以通过添加合适的溶剂来实
现这一目标，例如添加硼酸或硫酸可以提高水沸点，使沸腾传热效率有所提高。

另外，增加吸热表面积也是一种有效的提高传热效果的方法。

可以采用多维或双侧的撞击设计，增加传热表面的撞击区域，从而提高传热效率。

另外，增压的方法也可以改善沸腾传热的效果，通过把蒸发的物体的压力提高，可以有效提升沸腾传热的传热系数。

此外，增加表面引发物质可以改善沸腾传热，因为这种物质可以形成蒸汽气泡和液体表面之间的另类接触界面，从而改善沸腾传热。

同时，采用特殊膜结构的蒸发板，可以增大蒸发表面积，增强气泡现象，从而提高沸腾传热效率。

总之，强化沸腾传热的原则和方法有提高沸点，增加吸热表面积，用增压的方
法以及制作陶瓷蒸发板，利用气泡的参与机理以及利用表面引发物质的效应。

同时，可以利用多维或双侧的撞击设计，增加传热表面的撞击区域，提高沸腾传热的效率。

总之，如果综合运用上述原则和方法，将能有效地强化沸腾传热。

最小膜态沸腾点和过渡沸腾工况
最小膜态沸腾点D：在降低壁面热流密度时， 可以发生从膜态沸腾向泡核沸腾的直接转变， 该转变点叫最小膜态沸腾点D。它是稳定膜态 沸腾的低限，相应于连续汽膜的破坏和液-固接 触的开始点。膜态最低热流密度qmin。
过渡沸腾工况CD：汽液交替覆盖加热表面，表 现出瞬态变化的传热特性，因此是一种不稳定 工况。其特点是随壁面过热度的升高，热流密 度反而下降。
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
如图，当加热面的温度小于流
体在该特定位置的饱和温度，
即 t w t s 时，是不会产生沸
腾的，显然产生沸腾的下限为
：
ts tw
∵
tw

tf
z


q h

t
f
(z)

4zq Gcp D

t
f
,in
∴
ts

q
4z Gcp D
垂直管内对流沸腾的流型和传 热工况（低q）
A：单相液体对 流 B：欠热泡核沸 腾 C+D：饱和泡 核沸腾 E+F：通过液膜 的强制对流蒸 发传热 G：缺液区传热 H：单相蒸汽对 流传热
高热流密度下的对流沸腾的流 型和传热工况
DNB-偏离泡核沸腾：在很高热流 密度下,当气泡产生的频率高到在 汽泡脱离壁面之前就形成了汽膜 时，就发生偏离泡核沸腾(即 DNB型CHF)。

1
h

t f ,in

过冷沸腾中壁面温度和液体温度的分布
➢ 沸腾起始点(ONB)的判别:
对于：ts

q
4z Gcp D

1
h

C = 90W 0.33 /( m 0.66 ⋅ K )
17
沸腾传热系数计算
的绝对压力下， 例1 在1.013×105Pa的绝对压力下，水在 w=113.9℃的 × 的绝对压力下 水在t ℃ 铂质加热面上作大容器内沸腾， 铂质加热面上作大容器内沸腾，试求单位加热面积的汽 化率。 化率。 壁面过热度△ 从图6-6知处于核态 解： 壁面过热度△t=113.9-100 ℃，从图 知处于核态 沸腾区，因而可按式(6–18)求取 q 。 沸腾区，因而可按式 求取 从附表查得：对于水 铂组合 铂组合： 从附表查得：对于水-铂组合：C wl = 0.013 从附录查得， 时水和水蒸气的物性为： 从附录查得，t s = 100°C 时水和水蒸气的物性为：
St −1 = C wl ⋅ Re 0.33 ⋅ Prls
St = Nu r = Re⋅ Pr C pl ⋅ ∆t
式中， 汽化潜热； 式中，r — 汽化潜热； 饱和液体的比定压热容； Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度； 重力加速度； 饱和液体的动力粘度； ηl —饱和液体的动力粘度； 饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体组合 取决于加热表面－ 情况的经验常数； 情况的经验常数； q — 沸腾传热的热流密度； 沸腾传热的热流密度； s — 经验指数，水s = 1,否则 经验指数， 否则s=1.7。 否则 。
C
D F
A B
E

9
沸腾传热机理 管内沸腾传热：
竖直管内强制对流沸腾： 流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽 换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
10

Cpl — 饱和液体的比定压热容； g — 重力加速度；
l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
14
沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
汽泡的产生和脱离速度几乎不 变，在壁面上形成稳定的汽膜。
E 区：辐射比例小 F区：辐射所占比例越来越大
CDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
AB
E
9
沸腾传热机理
管内沸腾传热：
➢ 竖直管内强制对流沸腾：
流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽
换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。
16
沸腾传热系数计算
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
沸腾传热过程
周帼彦 副教授 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化

沸腾传热强化技术及方法
1沸腾传热强化技术
沸腾传热强化技术是一项用于提高传热效率的技术，它的工作原理是利用沸腾运动来加速传热。

沸腾是液体中气体粒子的游动，其中气态微粒子随机移动，就像水里漂浮的木屑。

然后，蒸汽颗粒将被冲入液体中，催生更多的新空气微粒，形成一个正负电荷的吸引力。

随着电荷的积聚，蒸汽颗粒将穿过液体分子的空隙，加快传热速度。

2传热强化技术的应用
沸腾传热强化技术主要应用于供暖和空调设备，以降低能耗改善系统性能。

目前，沸腾传热强化被广泛应用于空调系统、供暖系统、减温系统和恒温器等装置，以提高设备的传热效率。

3沸腾传热强化技术方法
沸腾传热强化技术方法主要有两种：自然沸腾传热和机械沸腾传热。

自然沸腾传热方法是利用液体的自然沸腾运动，借助蒸汽的气态变化，来加速传热；而机械沸腾传热方法是通过直接作用于液体上的机械电能，借助外加的振动源，来生成蒸汽，加速传热。

通过上述方法，沸腾传热强化技术可有效提高传热效率，为绿色供热、空调技术及能源综合利用技术的发展提供了有效可行的解决方案。

研究生“高等传热学”论文重庆大学动力工程学院沸腾传热特点的综述摘要：介绍了水平管内及竖直管内流动沸腾的流型图，池沸腾及管内流动沸腾的传热强化技术，窄微流道内沸腾的传热特性。

并对沸腾传热的研究方进行了展望。

关键词：沸腾传热、流型图、强化技术、传热特性1、引言沸腾传热和汽液两相流是由本质上十分复杂的沸腾和两相流动两种物理现象耦合在一起的一种热流体流动过程，在核能、火箭、航天、材料等技术领域和能源、动力、石油、化工、冶金、制冷、食品、造纸等工业中得到了广泛的应用。

管内流动沸腾按管道布置方式主要有水平管内流动沸腾，竖直管内流动沸腾两种方式；按流道结构分主要有圆管内流动沸腾与矩形流道内的流动沸腾；按流道的尺寸分主要有常规流道及窄微流道两种。

本文主要对不同管内流动方式的特点进行综述。

2、水平管内流动及竖直管内流动沸腾2.1 水平管内的流型水平流动下流场受到重力场作用，呈较显著的相分布不均匀性。

常见的水平同向流动的流型主要有弥散泡状流、层状流、间歇流和弥散环状流。

弥散泡状流的示意图如图1所示，从图中可以看出汽泡收到浮力影响，弥散在流道顶部。

随着流速增大汽泡成泡沫状弥散与整个流道。

图1 弥散泡状流的示意图层状流又可细分为纯层状流和波状层状流。

纯层状流的示意图如图2所示，从图中可以看出汽相在流道上部流动，液相在流道底部流动，重力使两相完全分离，两相交界面光滑。

随着汽相流速增大，汽液相界面呈波状，便进入波状层状流，其示意图如图3所示。

图2纯层状流示意图图3波状层状流示意图间歇流的示意图如图4所示，从图中可以看出间歇流是液相和汽相各自呈不同的构形在流道内交替出现。

其中间歇流又可细分为塞状流、半弹状流和弹状流。

塞状流：汽泡呈弹状且偏离于流道顶部流动。

弹状流：液相呈连续相，夹杂有小液滴的汽块偏置于流道顶部并与泡沫状液块相同。

这两种流型的间歇性都可能导致压力突然变化，引起工程中最感困惑的流道振荡破坏。

半弹状流与弹状流的差异仅是泡沫状液块界面呈波状且不与流道顶部相接触。

Topic Three 沸腾传热基础（Elements of Boiling Heat Transfer）本讲要点：本讲介绍池内沸腾传热与强迫对流沸腾传热基础。

给出了各种沸腾模式和流动工况下的典型关联式。

重点是针对诸如大池内的单管以及单根竖直圆管等简单几何条件进行介绍。

还介绍了一些世界问题，比如由于成核困难而导致的沸腾曲线的滞后、由于存在不溶性气体而产生的沸腾曲线迁移以及表面和流体污染等等。

还包括了微重力条件下的两相流动和传热问题。

1. Introduction 引言相变传热系数和锅炉与蒸发器设计中的压降因子等涉及到一些最为复杂的热-流体现象。

由于需求以及智力和知识上的挑战，这一领域内的研究在过去的五十至七十年间呈爆炸型增长趋势。

沸腾传热科学与技术所面对的是这样一个局面：总共有超过30,000篇出版物的文献，每年约50本教材和参考书，每年还有约1000篇论文出现。

显然，我们不再可能逐篇咀嚼甚至综述这些信息。

但是，设计者仍必须对传热和压降进行预测，需要掌握预测方法。

所采用的关系也不总是基于理论，但又必须有足够合理的精度。

因此，我们应当对物理现象和机理有一个较好的认识，从而能够合理地采用有关关联式，这一点十分重要。

本讲的重点将放在简单几何条件（如大池内的单管、单根竖直圆管等）下的传热特征介绍。

很多情况下，复杂几何结构（如：水平管束、多根竖直管道等等）下的关联式，都是建立于对简单构型的经验之上。

另外，本讲主要讨论纯净流体，至于混合物的沸腾及污垢等情况，可能的话，我们还会进行介绍。

沸腾过程在传统的恒定热流或恒定壁温的边界条件下响应是不同的。

前一边界条件主要与具有固定热耗散的系统有关，比如，电热锅炉或者核反应堆堆芯等。

这一情形也会发生在诸如电子加速器靶心或计算机芯片等高功率密度设备的液体冷却情况。

而恒壁温则见诸发生相变的两种流体的热交换器等情况。

但是在一些情况中，比如，化石燃料锅炉等，热流实际上也是恒定的。

增加顺液膜流动方向的蒸汽流速； 水平放置单管或管束。 （2）加速液膜的排出 分段排泄管、沟槽管、离心力、静电引力等。 （3）减少不凝结气体 抽吸、引射等，或者增加蒸气的流速。 （4）凝结表面实现珠状凝结
7-2 沸腾传热
沸腾：液体吸热后在其内部产生汽泡的汽化过程。
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 面不断受到冷流体的冲刷和强烈的扰动，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。
工业应用中要求保持在核态沸腾区，而不能进 入过渡沸腾区。过渡沸腾区壁温增加，热流密度却 下降，设备易烧毁。
qmax 临界热流密度（烧毁点） 设置监控温度点DNB（核态沸腾转折点） 沸腾换热：换热温差∆t 越大 ≠ 热流密度大 沸腾换热的两种加热方式： （a）控制壁温 （b）控制热流（大于qmax 时，工况沿虚线直接跳 至稳定膜态沸腾， ∆t 猛增到1000℃，需要避免）
凝结换热实例：汽轮机中的凝汽器 寒冷冬天窗户上的冰花 许多其他的工业应用过程
凝结换热的关键点 （1）凝结可以膜状凝结和珠状凝结的形式发生； （2）冷凝物相当于增加了热量进一步传递的热阻； （3）层流和湍流膜状凝结换热的实验关联式； （4）影响膜状凝结换热的因素； （5）会分析竖壁和横管的换热过程，及Nusselt膜状凝
7-2 沸腾传热
3） 临界点的沸腾 当壁面过热度达到某一程度时，出现气泡来不及脱离 加热面而连成不稳定的气膜，即从核态沸腾开始向膜 态沸腾过渡。这时出现了临界点，其热流密度称为临 界热负荷qc，也就是图中的qmax。
7-2 沸腾传热
4）过渡沸腾 从临界点继续提高沸腾温差 ⊿ t（>50℃） ，则热流密度 q 不仅 没有增加，反而迅速降低至一极小值qmin 。这是由于产生的汽 泡过多且连在一起形成了汽膜，覆盖在加热面上不易脱离，使 换热条件恶化所致。这时的汽膜不断破裂成大汽泡脱离壁面， 其换热状态是不稳定的，这一阶段为过渡沸腾。

二、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：
qmax


24
r
V

g
(
l V2
v
)
1
4
(
l
v v2
)1
2
当压力离开临界压力较远时，上述右端最后一项取为1，
同时将流量分析得出的系数0.131用实验值0.149代替，得
勃洛姆来建议采用如下超越方程来计算：
h4 3 hc4 3 hr4 3
其中：
hr

(Tw4 Ts4 )
Tw Ts
传热学 Heat Transfer
)3v
)
1
4
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
传热学 Heat Transfer
（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。

g(l

v
)

Prls
无量纲关联式Ja＝f(Re,Pr)
可见， q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到的q
与实验值的偏差高达100Байду номын сангаас，但已知q计算 t ,则可以
将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为明显。计 算时必须谨慎处理热流密度。
传热学 Heat Transfer

7-2 沸腾传热
2 汽泡的存在条件
汽泡半径R必须满足下列条件才能存活(克拉贝
龙方程)
R
Rmin
2 Ts rv (tw
ts
)
可见， (tw – ts ) , Rmin 同一加热面上，汽化核 心的凹穴数量增加 汽化核心数增加 换热增强
7-2 沸腾传热
二 大容器沸腾 1 饱和沸腾曲线 大容器沸腾：指加热壁面沉浸在具有自由表面的液 体中所发生的沸腾。 特点：产生的气泡能自由浮升，穿过液体自由面进 入容器空间。 大容器饱和沸腾曲线：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。
7-2 沸腾传热
饱和沸腾：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。 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。
过冷沸腾：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。
7-2 沸腾传热
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。 一 汽泡动力学简介 1 汽泡的成长过程 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。
7-1 凝结传热
3. 过热蒸气 要考虑过热蒸气与饱和液的焓差。
4. 液膜过冷度及温度分布的非线性 如果考虑过冷度及温度分布的实际情况，要用
下式代替计算公式中的 r，
r r 0.68cp( ts tw )
5. 管子排数 管束的几何布置、流体物性都会影响凝结换热。
6. 凝结表面的几何形状