文档介绍：传热学:第四章导热问题的数值求解
第六章流体发生相变时的对流换热
前面论述的仅仅是单相流体对流换热的计算问题,而在工程上和日常生活中还存在
着大量发生相变的传热过程,如蒸汽的凝结、液体的沸腾、液体的蒸发、液体的凝固以及
固体的熔化等。这里仅仅讨论流体在对流换热过程中发生相变传热的情况,即液体的沸腾
和蒸汽的凝结的换热过程。由于流体在与固体壁面进行热交换的过程中发生相的变化,因
在相变的过程中流体潜热的释放或吸收而使这种热交换过程的强度远大于同种流体无相
变时的换热强度。下面将分别讨论沸腾换热和凝结换热的特征、作用机制及相应的分析求
解方法。
6-1 液体沸腾时的换热
1 液体沸腾过程的分类和特征
在一定压力下液体与高于其饱和温度的壁面接触时就有可能在壁面上产生沸腾现
象。液体沸腾时,液体的蒸汽气泡首先在加热壁面的局部位置上产生,并逐步长大,直到
在浮力和表面张力的共同作用下气泡脱离加热表面。此时,在汽泡脱离的地方马上就有新
的汽泡生成并开始成长,过程得以重复进行。离开加热壁面的汽泡随后就有可能上升到液
体的表面(如果液体温度 tl 始终保持大于液体的饱和温度 ts),也可能消失在液体中(如果
液体温度 tl 不能始终保持大于液体的饱和温度 ts)。这些产生汽泡的地方常称为汽化核心,
它会随着壁面温度 tw 的升高,也就是壁面的过热度Δts=tw-ts 的增加而越来越多。汽化核心
的增多,产生的汽泡就多,液体因汽泡的运动而产生的扰动就会加强,因而使沸腾过程变
得越来越强烈,同时沸腾换热的强度也就越来越高。这就是大容器沸腾过程的主要特征,
这实质上是大空间自然对流沸腾过程。在沸腾过程中如果汽泡不能上升到汽液界面,而在
液体中破裂,这是液体温度 tl 不能始终保持大于液体的饱和温度 ts 造成的,这种沸腾称为
过冷沸腾;反之,液体温度 tl 始终保持大于液体的饱和温度 ts,汽泡能够上升到汽液界面,
则称为饱和沸腾。由于在过冷沸腾中汽泡的破裂会发出声音,因而可以从沸腾过程中的声
响来判断沸腾换热过程所处的状态。
与自然对流沸腾过程相对应的是液体的沸腾过程发生在流体受迫对流的过程中,我
们称之为强制对流沸腾。此外,还有一类沸腾过程发生在受限空间之中,典型的是管内沸
腾过程,管内沸腾也有受迫与自然对流两种。作为入门的教材,对于复杂的沸腾换热过程
不作深入的讨论,下面仅对大容器沸腾换热进行分析并给出近似的计算公式,使读者对沸
腾换热过程有一个初步的认识和了解。
2 液体中汽泡存在的条件
汽泡为什么会在壁面上产生,且能够在液体中存在呢?这里我们作一个简单的分析。
122
传热学:第五章对流换热
汽泡在液体中存在是一个动态的热力学过程,它必须满足力平衡和热平衡条件。图 6-28
给出了汽泡在液体中的受力情况,从中不难看出,汽泡受到液体的压力和汽、液界面上的
表面张力的共同作用,只有表面张力σ小于或等于汽泡内蒸汽与汽泡外液体之间的压力差
值 pv − pl 时,汽泡才能生长或存在。因而从汽泡力平衡情况可以得出:
2
πR ( pv − pl ) ≥ 2πRσ,式中,R 为汽泡的半径,化简后得到:
2σ
R ≥。
pv − pl
pl
dp γ pv
由热力学的相平衡方程= ,
dT ()1 ρ−1 ρ T
v l s
σ
σ
在压力不大,且ρl >> ρ v 的情况下,可以得到其σ
R
pv − pl γρ v
差分表达式为= ,式中,Tv-Ts 为
T − T T 图 6-1 液体中汽泡的受力分析
v s s
蒸汽和液体饱和温度之差,温度用大写字母 T 以
表示采用热力学温标 K;ρ为密度,其下标 v 和 l 分别表示蒸汽和液体的数值。将它代入
到力平衡方程中,经整理得出汽泡存在的条件为
2σT
R ≥ s 。 6-1
γρ v (Tv − Ts )
再来讨论汽泡热平衡的情况。如果蒸汽气泡要在液体中存在或者长大,汽、液界面
上的液体温度必须等于或大于蒸汽的温度,即 tl ≥ tv ,以保持液体的汽化和同时向蒸汽传
热。否则,蒸汽就会因向液体传热而凝结,蒸汽量的减小使气泡内蒸汽压力下降,这就导
致气泡以缩小的方式来加大气泡内的蒸汽压力以满足力平衡条件。但是,从气泡力平衡的
关系式可见,汽泡的缩小又要求比原来更高的蒸汽压力才能克服表面张力以重新达到力平
衡的状态,而此时气泡内原有压力下的饱和蒸汽在压力提高的条件下又会继续凝结,从
而加速了蒸汽的凝结过程,进而也就加速了汽泡的缩小过程。所有气泡内的蒸汽一旦出现
凝结,力平衡一旦遭到破坏,