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沸騰傳熱boiling heat transfer

時間:2020-03-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 瀏覽:
熱量從壁面?zhèn)鹘o液體,使液體沸騰汽化的對流傳熱過程?;?/font>生產(chǎn)中常用的蒸發(fā)器、再沸器和蒸氣鍋爐,都是通過沸騰傳熱來產(chǎn)生蒸氣的。
  類型  按液體所處的空間位置,沸騰可以分為:①池內(nèi)沸騰。又稱大容器內(nèi)沸騰。液體處于受熱面一側(cè)的較大空間中,依靠汽泡的擾動和自然對流而流動。如夾套加熱釜中液體的沸騰。②管內(nèi)沸騰。液體以一定流速流經(jīng)加熱管時所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象。這時所生成的汽泡不能自由上浮,而是與液體混在一起,形成管內(nèi)汽液兩相流。如蒸發(fā)器加熱管內(nèi)溶液的沸騰。
  機理  沸騰傳熱與汽泡的產(chǎn)生和脫離密切相關(guān)。汽泡形成的條件是:①液體必須過熱;②要有汽化核心。這些條件是由汽泡與周圍液體的力平衡和熱平衡所決定的。根據(jù)表面張力,可算出汽泡內(nèi)的蒸氣壓力pv為:
       

式中pe為周圍液體的壓力,忽略液柱靜壓時,即為飽和蒸氣壓ps;σ為汽液界面張力;R為汽泡半徑。由于pv>ps,汽泡內(nèi)蒸氣的飽和溫度Tv必然大于與ps對應(yīng)的飽和溫度Ts。汽泡周圍的液體若要汽化進入汽泡,則它的溫度Te必須大于或至少等于汽泡內(nèi)蒸氣的飽和溫度,即TeTv。從上式可知,當(dāng)R=0時,pv將趨于無限大。因此在一個絕對光滑的平面上是不可能產(chǎn)生汽泡的,必須有汽化核心。加熱表面上的劃痕或空穴中含有的氣體或蒸氣,都可作為汽化核心。緊貼這些核心的液體汽化后,形成汽泡并逐漸長大,然后脫離表面,接著又有新的汽泡形成。在汽泡形成與脫離表面時造成液體對壁面的強烈沖擊和擾動,所以對同一種液體來說,沸騰傳熱的傳熱分系數(shù)要比無相變時大得多。常壓下水沸騰時的傳熱分系數(shù)一般為1700~51000W/(m2·K)。
  沸騰曲線  池內(nèi)沸騰根據(jù)過熱度(加熱壁面溫度TW與液體飽和溫度Tm之差,ΔT=TW-Tm)的大小,分為泡核沸騰和膜狀沸騰(見圖)。當(dāng)過熱度很小時,傳熱取決于單相液體的自然對流。當(dāng)過熱度增大時,汽泡不斷在壁面上產(chǎn)生,并在液體中上升和長大,這對液體對流起著顯著作用,稱為泡核沸騰。此階段中傳熱分系數(shù)h,隨ΔT增大而明顯上升。當(dāng)過熱度超過某臨界值時,汽泡大量產(chǎn)生,在壁面連結(jié)成汽膜,稱為膜狀沸騰。在此階段初期,汽膜不穩(wěn)定,隨時破裂變成大汽泡,離開加熱面。隨過熱度的增大,汽膜漸趨穩(wěn)定。由于汽膜的熱導(dǎo)率很低,使傳熱分系數(shù)下降。當(dāng)過熱度很大時,輻射傳熱起了重要作用,使傳熱分系數(shù)重新上升。由于泡核沸騰具有傳熱分系數(shù)大和壁溫低的優(yōu)點,故工業(yè)設(shè)備中的沸騰傳熱多在此狀況下進行。

圖

  影響沸騰傳熱的因素  影響沸騰傳熱過程的因素很多,包括液體和蒸氣的性質(zhì)、加熱面的表面物理性質(zhì)和粗糙程度,尤其重要的是液體對表面的潤濕性以及操作壓力和溫度差。在泡核沸騰范圍內(nèi),溫度差越大,傳熱分系數(shù)也越大。加熱壁面粗糙和能被液體潤濕時,也能使傳熱分系數(shù)增大。據(jù)此,將細小金屬顆粒沉積于金屬板或管上,制成金屬多孔表面,可使沸騰傳熱分系數(shù)提高十幾倍至幾十倍。  
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