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热质交换原理与设备
Rezhi Jiaohuan Yuanli Yu Shebei
热质交换过程与设备. 第三章
第三章:相变热质交换过程与设备
Part One:
沸腾和凝结换热基础
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(视频)
在固-液界面上发生的蒸发,称之为沸腾。如水在锅炉中的沸腾汽化,制冷剂在蒸发器中蒸发,都属沸腾换热。为液相转变成气相的相变换热。当固体表面温度超过相应液体压力下液体的饱和温度时,就发生这种过程。这种过程的特点是有蒸汽泡形成,它们长大后脱离表面。蒸汽泡的生长和它的动态特性、过热度、表面特性以及诸如表面张力等流体的热物理参数之间有着很复杂的关系。反过来,蒸汽泡形成的动态特性又影响表面附近流体的运动,从而对换热系数有强烈的影响。
热质交换过程与设备. 第三章
沸腾和凝结换热基础概述
沸腾分为大空间沸腾(或称池沸腾)和有限空间沸腾(或称受迫对流沸腾、管内沸腾)。而这些又可分为过冷沸腾及饱和沸腾。例如,池内沸腾(或称大空间沸腾)指的是,液体总体是静止的,在表面附近的运动是由于自然对流以及气泡生长及脱离造成的扰动所致。与此不同,在强迫对流沸腾时,流体的运动除了由于自然对流和气泡造成的扰动以外,还由于外力所致。另外,在过冷(或局部)沸腾时,液体的温度低于饱和温度,因而固体表面上形成的气泡最后还是要在液体中凝结,相反,饱和沸腾时,液体的温度超过饱和温度,固体表面上形成的气泡会在浮升力的推动下穿过液体,最后从自由表面上逸出。
热质交换过程与设备. 第三章
沸腾和凝结换热基础概述
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
饱和沸腾时,壁温与饱和温度之差称为沸腾温差,它对沸腾状态的影响很大,可通过沸腾时的热流密度q随沸腾温差的变化加以阐明。q与的关系曲线称为沸腾曲线。
如图3—1,随着的变化,有三种沸腾状态:
对流沸腾、核态沸腾及膜态沸腾。
因为正常的沸腾都是在核态下进行,因而要特别关注它的机理,这可通过气泡的生成长大和传热的规律来说明。问题包括:气泡生成的条件及核化点、气泡数量与沸腾温差的关系、核态沸腾过程热量传递的途径等。
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
在核态沸腾区,气泡的扰动对换热起支配作用。气泡产生在汽化核心处。目前普遍认为,壁面的凹缝最可能成为汽化核心。这些凹缝中残留的气体(包括蒸汽),由于液体表面张力的原因,很难彻底逐出,它们就成为孕育新生气泡的有利场所。动力学成核理论研究指出,在纯液体的大量分子团中,能量分布并不均匀,部分分子团具有较多的能量,这些高于平均值的能量称活化能。
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
形成气泡核需要活化能,而在沸腾表面的凹缝中形成气泡时所需的活化能量为最少,因此,借助于一些分子团足够的活化能,气泡能在凹缝上自发生成。气泡核产生时,它必须挤开周围的液体,耗费一定的能,而借助于凹缝等外部条件,所需能量为最小。故孕育气泡核的这些点称为活化点或核化中心。
气泡生成后能继续长大的动力条件则是液体的过热度。因为泡内饱和蒸气压强为,相应的饱和温度为,而泡外压强为沸腾压强,其饱和温度为。沸腾进行时,内壁不断蒸发,气泡长大,这表明泡内必定是大于泡外。但沸腾压强是人为设定的, 也随之确定,那么是什么能够促使> ? 这个条件就是泡壁周围的液体温度必定大于或至少等于,也就是说沸腾液必具有一定的过热度,即液体的温度大于它的饱和温度。
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
所以,沸腾液的过热度是气泡存在和长大的动力。在凹缝等活化点上形成气泡所需的过热度也最低。总之,泡态沸腾能够生成的气泡核越多,。
热质交换过程与设备. 第三章
大容器饱和沸腾
关于热量传递的途径。在沸腾过程中,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汽,故传递的途径主要是后者。气泡膨胀长大,受到的浮力也增加,当浮力大于泡与壁的附着力时,气泡就脱离壁升人液体。而附着力又与液体对壁的润湿能力有