西北大学化工原理课件 第四节 沸腾给热与冷凝给热 液体沸腾和蒸汽冷凝必然伴有流体的流动，所以沸腾 给热和冷凝给热同样属于对流传热。但与前述不同，这两 种过程都伴有相变化。 、沸腾给热 对流体加热时，在液相内部伴有由液相变成气相产生 气泡的过程沸为沸腾，沸腾传热过程是一个非常复杂的过 程，到目前为止，对它的研究还不够充分。当前，工业上 液体沸腾分两种情况：
西北大学化工原理课件 第四节 沸腾给热与冷凝给热 液体沸腾和蒸汽冷凝必然伴有流体的流动，所以沸腾 给热和冷凝给热同样属于对流传热。但与前述不同，这两 种过程都伴有相变化。 对流体加热时，在液相内部伴有由液相变成气相产生 气泡的过程沸为沸腾，沸腾传热过程是一个非常复杂的过 程，到目前为止，对它的研究还不够充分。当前，工业上 液体沸腾分两种情况： 一、沸腾给热
西北大学化工原理课件 (1)管内沸腾：液体在一定压差下，以一定的流速经 加热管时发生的沸腾现象，又称强制对流沸腾 (2)大容积沸腾或池内沸腾：是将加热面浸入液体中， 液体被壁面加热而引起的无强制对流的沸腾现象。 沸腾传热在工业上被广泛应用，比如化工生产中常用的 精馏塔的再沸器，蒸发器，蒸气锅炉等，都是通过沸腾传热 产生，本节主要讨论液体在大容器中的饱和沸腾。沸腾可分 为：过冷沸腾、饱和沸腾。(P253)
西北大学化工原理课件 （1）管内沸腾：液体在一定压差下，以一定的流速经 加热管时发生的沸腾现象，又称强制对流沸腾。 沸腾传热在工业上被广泛应用，比如化工生产中常用的 精馏塔的再沸器，蒸发器，蒸气锅炉等，都是通过沸腾传热 产生，本节主要讨论液体在大容器中的饱和沸腾。沸腾可分 为：过冷沸腾、饱和沸腾。（P253） （2）大容积沸腾或池内沸腾：是将加热面浸入液体中， 液体被壁面加热而引起的无强制对流的沸腾现象
西北大学化工原理课件 1、机理 沸腾给热的主要因素特征是液体内部有汽泡产生。实验 发现，汽泡在加热表面上首先生成，气泡存在条件的必然条 件：p内=P外+P8h(静压) 因此，t被至少大于等于该蒸汽压对应的饱和温度1， 但实际上，在该蒸汽对应的饱和蒸汽压 下，小汽泡生成还是不可能的。为什么呢？从 所学过的物理化学知识看，微小汽泡的生成液 体呈现凹面，而凹面上液体的饱和蒸汽压小于 平面上液体饱和蒸汽压。由于凹面引起了蒸汽 压降低。要使汽泡继续生成，必须提高相应的 加热 饱和温度，这种现象称为液体的过热
西北大学化工原理课件 因此， 该蒸汽压对应的饱和温度 沸腾给热的主要因素特征是液体内部有汽泡产生。实验 发现，汽泡在加热表面上首先生成，气泡存在条件的必然条 件： 内 外 (静压) p = p + ρgh t液至少大于等于 st 但实际上，在该蒸汽对应的饱和蒸汽压 下，小汽泡生成还是不可能的。为什么呢？从 所学过的物理化学知识看，微小汽泡的生成液 体呈现凹面，而凹面上液体的饱和蒸汽压小于 平面上液体饱和蒸汽压。由于凹面引起了蒸汽 压降低。要使汽泡继续生成，必须提高相应的 饱和温度，这种现象称为液体的过热。 1、机理 加热
西北大学化工原理课件 新相— 小汽泡生成的必要条件是液体要过热。 实验发现液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（汽泡）只在 加热面上某些粗糙不同的点上产生，这些产生汽泡的点称为汽 化核心或汽化中心。汽泡生成后，长大到一定程度，则脱离壁 面而上升。在上升过程中，汽泡继续迅速增大，或表面破裂， 或上升到液面。由于一批批汽泡的形成，长大及脱离加热面， 从而引起液体内部尤其是壁面液体薄层内的剧烈扰动，使热阻 大为降低。故液体沸腾时的o较无相变化时的α要大的多。 2、沸腾曲线 在一定范围内，加热面温度（壁温）与液体饱和温度相差 愈大，沸腾越剧烈，沸腾的对流给热系数越大，大容器内的沸 腾过程随这温度差△t(△t=t,一t,←-操作压力下液体的饱和温 度)的不同，会出现不同类型的沸腾状态。以常压下水的大容 器内沸腾为例，讨论△t对C的影响
西北大学化工原理课件 在一定范围内，加热面温度（壁温）与液体饱和温度相差 愈大，沸腾越剧烈，沸腾的对流给热系数越大，大容器内的沸 腾过程随这温度差 （ 操作压力下液体的饱和温 度）的不同，会出现不同类型的沸腾状态。以常压下水的大容 器内沸腾为例，讨论 对 的影响。 Δt Δt = tw − ts ← Δt α 实验发现液体被加热面加热而沸腾时，蒸汽（汽泡）只在 加热面上某些粗糙不同的点上产生，这些产生汽泡的点称为汽 化核心或汽化中心。汽泡生成后，长大到一定程度，则脱离壁 面而上升。在上升过程中，汽泡继续迅速增大，或表面破裂， 或上升到液面。由于一批批汽泡的形成，长大及脱离加热面， 从而引起液体内部尤其是壁面液体薄层内的剧烈扰动，使热阻 大为降低。故液体沸腾时的α较无相变化时的α要大的多。 新相——小汽泡生成的必要条件是液体要过热。 2、沸腾曲线
西北大学化工原理课件 图6-19为实验测得的C与△t的关系： I n 表面汽化核状沸腾 膜状沸腾 a 不稳定膜状沸腾 B D △t(K) 常压下沸腾时OX与△t的关系
西北大学化工原理课件 常压下沸腾时 与 的关系 α Δt α A Δt(K) B C D 核状沸腾 II 膜状沸腾 III 表面汽化 I 不稳定膜状沸腾 图6-19为实验测得的 与 的关系 α Δt :
西北大学化工原理课件 (1)在区域I中AB段，由于温度差较小接近加热表面的 液体稍微过热，所以只有少量的汽化核心产生。这时汽泡少， 汽泡长大速度也较慢，受热面附近液层受到扰动也不大。因 此热量的传递以自然对流为主，对流给热系数随着温度差的 增加而增大，通常将此区域称为自然对流区。 (2)在区域Ⅱ中BC段，随着温度差的加大，汽化核心数 目增加，汽泡长大的速度急速增快，这时对液体产生强烈的搅 拌作用，从而随温度差增加而显著提高。此区域称为核状沸 腾区
西北大学化工原理课件 （1）在区域Ⅰ中AB段,由于温度差较小,接近加热表面的 液体稍微过热,所以只有少量的汽化核心产生。这时汽泡少， 汽泡长大速度也较慢，受热面附近液层受到扰动也不大。因 此热量的传递以自然对流为主，对流给热系数随着温度差的 增加而增大，通常将此区域称为自然对流区。 （2）在区域Ⅱ中BC段，随着温度差的加大，汽化核心数 目增加，汽泡长大的速度急速增快，这时对液体产生强烈的搅 拌作用，从而 随温度差增加而显著提高。此区域称为核状沸 腾区。 α
西北大学化工原理课件 (3)区域Ⅲ中CD段，由于温度差继续增加，使汽泡形成 过快，从而充满加热体的表面，汽泡破裂连成一片，形成蒸 汽薄膜覆盖在加热体的表面，热量在传导到液体之后，必须 经过此薄膜，由于气体的导热系数远小于液体，所以反而急 剧下降。此区被称为膜状沸腾区。 D点以后温度差△t增大，加热面的温度进一步提高，则热 辐射的影响愈来愈显著，α↑。 由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温差称为临界温度差△。 对应于此点的热负荷称为临界热负荷9c 工业上的沸腾装置大多维持在核状沸腾状态。(0大，t 小)，，·，应注意温度差△t不大于临界温度差△t,否则一旦 变为膜状沸腾，将导致传热过程恶化，必急剧下降
西北大学化工原理课件 D点以后温度差 增大， 加热面的温度进一步提高，则热 辐射的影响愈来愈显著， 。 α Δt 由核状沸腾转变为膜状沸腾时的温差称为临界温度差 ， 对应于此点的热负荷称为临界热负荷 。 c Δt c q （3）区域Ⅲ中CD段，由于温度差继续增加，使汽泡形成 过快，从而充满加热体的表面，汽泡破裂连成一片，形成蒸 汽薄膜覆盖在加热体的表面，热量在传导到液体之后，必须 经过此薄膜，由于气体的导热系数远小于液体，所以 反而急 剧下降。此区被称为膜状沸腾区。 α 工业上的沸腾装置大多维持在核状沸腾状态。（ 大， 小）， 应注意温度差 不大于临界温度差 ，否则一旦 变为膜状沸腾，将导致传热过程恶化， 急剧下降。 α wt Δt c Δt α ∴
西北大学化工原理课件 3、C佛的计算 必的计算，到目前为止很不完善。 影响沸腾给热过程的因素主要有： (1)氵 液体和蒸汽的性质，主要包括C,U,入，cp,Y, P和P,。一般情况下，必沸随人、P的增加而增大，随、 OX的增加而减小； (2)加热面的影响，加热面清洁且粗糙，液体与表面的 润湿性好，就有利于汽泡的生成，有利于沸腾给热； (3)操作压力的影响，提高操作压力，相当于提高液体 的饱和温度，使液体的C、均降低，有利于汽泡的形成和脱 离，强化了沸腾给热，在相同的△t下，0和q值较高；
西北大学化工原理课件 3、 沸的计算 沸的计算，到目前为止很不完善。 α α 影响沸腾给热过程的因素主要有： （1）液体和蒸汽的性质，主要包括 ， ， ，cp， ， 和 。一般情况下， 随 、 的增加而增大，随 、 的增加而减小； α μ λ γ ρl α 沸 λ ρ μ α ρv （2）加热面的影响，加热面清洁且粗糙，液体与表面的 润湿性好，就有利于汽泡的生成，有利于沸腾给热； （3）操作压力的影响，提高操作压力，相当于提高液体 的饱和温度，使液体的 、 均降低，有利于汽泡的形成和脱 离，强化了沸腾给热，在相同的 下， 和 q值较高； α μ Δt α
西北大学化工原理课件 (4)温度差的影响，从沸腾曲线可知，△影响沸腾给熟的 重要参数。沸腾给热系数实验数据可按下列函数形式进行关联： =A△t2.5B, 或lg=lgA+2.5lg△t+t,lgB =a'+2.5lg△t+b't t,— 蒸汽的饱和温度，一。-，) d和b'一实验参数。 4、沸腾给热过程的强化 (1)粗糙加热表面。 (2)加少量添加剂，改变8
西北大学化工原理课件 4、沸腾给热过程的强化 （1）粗糙加热表面。 （2）加少量添加剂，改变 。 （4）温度差的影响，从沸腾曲线可知， 影响沸腾给热的 重要参数。 Δt st A t B 2.5 α = Δ lgα = lg A+ 2.5lgΔt + ts lg B s = a'+2.5lgΔt + b't ( ) w s t − t 沸腾给热系数实验数据可按下列函数形式进行关联： 或 和 —实验参数。 —蒸汽的饱和温度，—— a' b' ts CD δ
西北大学化工原理课件 二、蒸汽冷凝给热 1、蒸汽冷凝给热的特点 在蒸汽冷凝给热过程加热介质为饱和蒸汽。当饱和蒸汽 遇到了低于饱和蒸汽温度的界面，蒸汽将放出潜热冷凝成液 体。对于纯物质饱和蒸汽的冷凝，系统压力一定，温度就一 定（组分数一相数+2），也就是说恒压下只有一个气相温度， 即气相中不可能存在温度梯度，气相主体不存在温差，意味 着汽相中热阻R=O。故蒸汽的冷凝只能在冷凝液形成的液膜表 面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷 壁。可见，给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。 工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质的原因有两点： 是饱和蒸汽的温度恒定； 是有较大的给热系数
西北大学化工原理课件 在蒸汽冷凝给热过程加热介质为饱和蒸汽。当饱和蒸汽 遇到了低于饱和蒸汽温度的界面，蒸汽将放出潜热冷凝成液 体。对于纯物质饱和蒸汽的冷凝，系统压力一定，温度就一 定(f=组分数―相数+2)，也就是说恒压下只有一个气相温度， 即气相中不可能存在温度梯度，气相主体不存在温差，意味 着汽相中热阻R=0。故蒸汽的冷凝只能在冷凝液形成的液膜表 面上发生，冷凝时放出的潜热必须通过这层液膜才能传给冷 壁。可见，给热过程的热阻几乎全部集中于冷凝液膜内。 工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质的原因有两点： 一是饱和蒸汽的温度恒定； 二是有较大的给热系数。 二、蒸汽冷凝给热 1、蒸汽冷凝给热的特点