液体沸腾换热及其特征

在蒸汽锅炉、制造淡水设备以及制冷装置的蒸发器中，都会遇到液体沸腾时的对流换热过程。沸腾时，由于大量蒸气泡在加热面上形成、长大、跃离壁面，并穿过液体层而进入蒸气空间。这样液体就受到强烈的扰动，在壁面上的液体热边界层不断受到破坏，随之又很快形成新的气泡，出现周而复始的变化情况。所以沸腾换热系数远比无相变时的流体换热系数要高。水在常压下的沸腾换热系数为4600～12000W/（m2·K）。

一、泡状沸腾过程的特点

1.水在大容器中泡状沸腾时的温度分布

水在容器中沸腾时，其温度tf稍大于液面压力下的饱和温度ts，且越接近加热面tf越高，紧贴加热面处的水温tf等于壁面温度t W。图16-11示出在压力为0.1013MPa、加热壁面对水的热流密度q＝22445W（m2K）时，沸腾水温度tf的分布情况。水在液面处的过热度Δt＝tf－ts＝0.4～0.6℃，在加热壁面处Δt＝t W－ts＝9.1℃。

2.汽化核心数与过热度的关系

当加热壁面上的液体具有一定过热度时，在它的粗糙不平处就会形成气泡，如图16-12所示，产生气泡处为汽化核心。加热壁面上的汽化核心数n，取决于壁面的过热度Δt＝t W－ts和壁面的粗糙程度，并随二者的增加而增加。

图16-11沸腾时水温tf的分布情况

图16-12 加热面上气泡的形成

3.气泡生成的频率与过热度的关系

在图16-12中，（a）为加热壁面上在某汽化核心处生成气泡；（b）为气泡在浮升力作用下即将跃离壁面；（c）为气泡已跃离壁面。气泡跃离壁面时要从壁面带走一定的热量。当汽化核心处的液体重新被加热至一定过热度时，又产生新的气泡。只要加热面不断地被加热，汽化核心处就会每隔一定时间形成一个气泡。每生成一个气泡所需时间的倒数称为气泡的生成频率。壁面的过热度越大，频率也越大。

泡状沸腾时壁面过热度Δt＝t W－ts越大，在单位壁面上的汽化核心数越多，气泡生成频率也越大。显然此时的换热系数α也越高。

二、泡状沸腾变为膜状沸腾的临界热流密度

图16-13 大气压下水沸腾时的α＝f（Δt）与q＝f（Δt）曲线

1-自然对流；2-泡状沸腾；3-膜状沸腾

图16-13为大气压力下水沸腾放热时换热系数α以及热流密度q随壁面过热度Δt的变化关系。α＝f（Δt）的曲线AB段是壁面对水的自然对流换热，此时过热度不高，壁面上还未形成汽泡。BC段为泡状沸腾，Δt越大汽化核心数越多，α也越大。当Δt增大到某一值时，泡状沸腾转变为膜状沸腾。此时在加热面上形成一层蒸汽膜层把加热面与水隔离，当汽膜增厚到一定程度就会跃离壁面分裂成许多汽泡冲出液面。由于蒸汽的λ值远低于水，所以当膜状沸腾时，其加热面对水的沸腾换热系数急剧变小，如图所示，α曲线过C点后突然下降，q曲线也随α的下降而下降。由泡状沸腾变为膜状沸腾的转折点C时的Δtcr、αcr以及qcr称作临界温差、临界换热系数以及临界热流密度。在0.1013MPa压力下水的Δtcr≈25℃，αcr≈50000W/（m2·K），qcr≈1.25×106W/m2。若加热面为电加热器，则其热流密度q为常数。因此，一旦热流密度高达qcr值，沸腾转为膜状沸腾，α下降，致使Δt迅速上升高达1000℃以上，这可以使加热面烧毁。例如，当加大浸沉在饱和水中的电炉丝的电流，可看到丝上泡状沸腾向膜状沸腾过渡的现象，同时也可看到白炽的电光，电炉丝即刻熔断。再如，一个恒热流密度的加热器、核动力中的铀棒释热以及蒸汽锅炉中的水冷壁等设备，都会因不适当地加大过热度而使设备发生烧毁的危险。当Δt相当于D点以后的值时，热流密度又继续迅速回升，这是因为壁温过高，辐射传热量随绝对温度四次幂急剧增加所造成的。当水滴落在赤热的铁板上，水滴会在铁板上呈球形滚动，而不润湿板面，这是由于在水滴下面形成了蒸汽膜。板面过热度在D点以后的值，都呈膜态沸腾，人们称D点为“莱登佛罗斯特”点。

三、大容器中泡状沸腾时的计算式

近几十年来，在大量的研究工作中，对各种液体进行了在不同的加热面上泡状沸腾的实验，积累了丰富的试验资料。但由于现象的复杂性，至今还未得出满意的准则方程式。现介绍罗森诺于1952年提出的直接求q值的公式

式中：cp，1——饱和液体的比定压热容，J/（kg·K）；

CW.1——由实验确定的壁面与液体组合情况的经验常数，铜壁对水、铂对水、不锈钢对水时，CW，1＝0.013；黄铜对水时，CW.1＝0.006；

r——比汽化潜热，J/kg；

g——重力加速度，m/s2；

q——热流密度，W/m2；

Δt——过热度，Δt＝（t W－ts）℃；

μ1——饱和液体的动力粘度，kg/（m·s）；

σ——液体与蒸气界面的表面张力N/m，当ts＝100℃时，水的σ＝58.8×10﹣3N/m；

ρ1，ρυ——相应于饱和温度时液体与蒸气的密度，kg/m3；

Pr1——液体处于ts时的Pr数。

式（16-32）中的指数n，对水n＝1，对其他液体n＝1.7。

对水的泡状沸腾，用式（16-32）计算所得的α值与实验值比较，最大偏差可达±20％。

对于水在大空间中的泡状沸腾，当p＝0.1～4MPa时，米海耶夫给出的经验公式为

由于q＝αΔt，上式又可改写为(www.xing528.com)

式中：p——沸腾时的绝对压力，Pa；

q——热流密度，W/m2；

Δt——壁面过热度（t W－ts），K。

复习思考题

1.流体在平壁上或管内流动时，随着纵向距离x的增加，其局部换热系数αx为什么会逐渐减小？如何利用这一规律来增大壁面对流体的平均换热系数？

2.流体纵向流过管道时，为什么对各种断面形状的管道可用同一准则方程进行计算？其定形尺寸应怎样选择？流体横掠不同断面形状的管道时，其换热系数是否也可用同一准则方程来计算？为什么？

3.为什么自然对流时的换热系数要比受迫对流时低？夏天开风扇时人们感到凉快，为什么？

4.冬天气温为5℃时，你左手置于5℃的空气中，右手置于5℃的水中，为何右手远比左手感到冷？

5.流体在管内流动时长管和短管比较，哪一个平均换热系数大？同样长的直管和蛇形弯管，哪一个平均换热系数大？

6.准则方程中的（Prf/Pr W）0.25项起何作用？为何对于空气的换热系数计算可以略去此项？

7.若有一水平夹层，其上壁面为热面，下壁面为冷面，问该夹层的空气当量导热系数λe是多大值？

8.为什么蒸汽动力装置的冷凝器上必须装设抽气装置？

9.蒸气凝结换热系数与哪些因素有关？如何使壁面形成珠状凝结？

10.液体的沸腾换热系数与气泡的形成有何关系？

11.当把一杯水倒在一块赤热的金属板上时，板面上立即会产生许多跳动的小水滴，并能在短期内不汽化。试以传热学观点说明这一莱登佛罗斯特现象。从图16-13中估计壁面过热度至少应该高达多少？

12.牛顿冷却公式q＝αΔt是建立在q与Δt成正比基础上的。当换热过程的α本身就是Δt的函数时，q与Δt还保持正比关系吗？你能举出哪一种对流换热现象的α随Δt的变化很大，哪一种现象的α与Δt无关？

13.在一个大容器的沸腾水中再放置一个铝质小容器，小容器中的水是否能沸腾产生气泡？

习题

1.冷凝器中冷却水管内径d＝17mm，冷却水进出口平均温度tf＝20℃，水的平均流速w＝2m/s。设管壁温度t W＝25℃，试求管壁与冷却水之间的换热系数。

2.试求燃气横向流过锅炉省煤器管束时的平均换热系数。管子为叉排，沿气流方向共30排，外径d＝38mm，燃气在管束最窄处的平均流速w＝11m/s，燃气进入管束时的温度tfl＝680℃，流出管束时为tf2＝320℃（取空气的物性参数作为燃气的物性参数）。

3.有一台R22冷凝器试验台，用两根布置在同一水平面上的紫铜管串联组成。管外径为20mm，壁厚为2mm，每根管长1m。测得R22冷凝温度为30℃，水进口温度为15℃，出口温度为17℃，流速为1m/s。求管内外两侧的对流换热系数各为多少？

4.直径为0.1mm的电阻丝作为热线风速仪的测速元件。细丝轴线与气流方向垂直。设气流为空气，温度为20℃，电阻丝温度为40℃。加热功率为17.8W/m。略去电阻丝对空间的辐射换热等热损失，认为全部热量皆由对流换热所散失。求空气流的速度w。

5.机舱内有一根长10m的蒸汽管道，包扎热绝缘材料后，外径d＝300mm，外壁温度t W＝70℃，机舱内空气温度t＝25℃，若不计算辐射热损失，求该管道的热损失Q。

6.尺寸为100cm×80cm的玻璃双层窗，玻璃厚为4mm，λ＝0.762W/（m·K）。双层窗中间空气层厚为3cm。冬天时此玻璃夹层的热面温度为10℃，冷面温度为﹣10℃，求通过此玻璃窗的热量Q。

7.冷凝器中最上面一排横管的外径d＝20mm，管壁温度t W＝15℃，蒸气绝对压力p＝4590Pa，试求干饱和水蒸气对横管的换热系数，以及每小时每米横管上的凝水量。

8.绝对压力p＝0.1MPa的干饱和蒸汽在直径d＝40mm、高h＝1m、管壁温度t W＝60℃的竖管管壁上进行膜状凝结，试计算其换热系数。若管子横放，其他条件不变，则换热系数可增大百分之几？

9.水在直径为6.4mm的直黄铜管中做受迫对流换热，定性温度tf取管道入口处的水温40℃，若使α等于Δt为5℃时大气压力下水的泡状沸腾的α，问管内流速要达多少才行？

10.用电加热的导线作为蒸汽发生器，容器中水的饱和温度ts＝100℃。问达到临界热流密度qcr时该导线允许通过的最大电流是多少？给定导线的直径d＝1mm，电阻率ρ＝1.1 Ωmm2/m。

11.设计好的沸水电加热器壁面的过热度为10℃。若将该加热器置于20℃的空气中，并通上电流，试估算壁温将高达多少度？实际上能否达到这一温度？