《液体蒸发与沸腾》课件

液体蒸发与沸腾欢迎来到液体蒸发与沸腾的精彩世界！本课件将带您深入了解液体状态变化的奥秘，从微观分子运动到宏观工程应用，全面剖析蒸发与沸腾的机理、影响因素及实际应用通过本课程，您将掌握蒸发与沸腾的基本概念、热力学原理、传热特性，以及提高或降低沸腾热量传递的措施让我们一起探索液体世界的奥秘，开启知识之旅！课程概述课程目标课程内容本课程旨在使学生掌握液体蒸发与沸腾的基本概念、热力学原课程内容主要包括蒸发与沸腾的定义、机理、影响因素、传热理、传热特性，并能够分析影响蒸发与沸腾的因素通过学习特性，以及提高或降低沸腾热量传递的措施此外，还将介绍，学生应能够运用所学知识解决实际工程问题，并具备一定的液体蒸发与沸腾的测量方法、数值模拟技术，以及工程应用中科研能力的相关问题什么是蒸发和沸腾蒸发沸腾12蒸发是指液体在低于沸点的温沸腾是指液体在达到沸点时，度下，从液面缓慢汽化的现象在液体内部和表面同时发生的蒸发是一个表面现象，液体剧烈汽化现象沸腾是一个剧分子从液面逃逸到空气中，需烈的体积现象，液体内部形成要吸收热量气泡并上升到液面破裂，需要持续吸收热量区别与联系3蒸发和沸腾都是液体的汽化过程，但蒸发发生在任何温度下，而沸腾发生在沸点温度下蒸发是缓慢的表面现象，而沸腾是剧烈的体积现象影响蒸发的因素温度空气流动速度表面积温度越高，液体分子动空气流动速度越快，液液体表面积越大，液体能越大，越容易克服分体表面蒸汽分子越容易分子与空气接触的面积子间作用力逃逸到空气被带走，降低了蒸汽分越大，越容易逃逸到空中，蒸发速率越快子返回液面的概率，蒸气中，蒸发速率越快发速率越快湿度湿度越大，空气中水蒸气含量越高，液体分子越难逃逸到空气中，蒸发速率越慢液体蒸发的机理分子动理论能量交换动态平衡液体分子在不断地做无规则运动，分子间液体分子在蒸发过程中需要吸收热量，这在封闭系统中，蒸发和凝结同时进行，当存在着相互作用力当液体分子获得足够些热量来自于液体本身或周围环境蒸发蒸发速率等于凝结速率时，达到动态平衡的动能时，可以克服分子间作用力，从液过程是一个吸热过程，会降低液体或周围状态此时，液面上方的蒸汽压达到饱和面逃逸到空气中环境的温度蒸汽压蒸发潜热与吸热作用吸热作用蒸发是一个吸热过程，需要从周围环2境吸收热量这种吸热作用可以降低蒸发潜热周围环境的温度，例如，汗液蒸发可以降低体温一定质量的液体在恒温下完全蒸发成1气体所吸收的热量称为蒸发潜热蒸应用发潜热与液体的种类、温度和压力有关蒸发潜热和吸热作用在许多领域都有应用，例如，制冷、空调、干燥等3利用蒸发吸热可以实现制冷效果，利用蒸发可以去除物体中的水分开放和封闭系统中的蒸发开放系统封闭系统在开放系统中，液体与周围环境有物质和能量的交换蒸发过在封闭系统中，液体与周围环境只有能量的交换，没有物质的程会持续进行，直到液体完全蒸发蒸发速率受环境温度、湿交换蒸发和凝结同时进行，达到动态平衡状态此时，液面度、空气流动速度等因素的影响上方的蒸汽压达到饱和蒸汽压蒸发过程中的质量和能量平衡质量平衡蒸发过程中，液体的质量减少，蒸汽的质量增加在封闭系统中，液体减少的质量等于蒸汽增加的质量，总质量保持不变能量平衡蒸发过程中，液体吸收的热量等于蒸汽增加的内能和体积功在封闭系统中，液体吸收的热量等于蒸汽增加的内能和体积功，总能量保持不变平衡方程通过建立质量平衡方程和能量平衡方程，可以分析和计算蒸发过程中的质量和能量变化，为工程设计提供理论依据沸腾的定义和特征定义特征沸点沸腾是指液体在达到沸点时，在液体沸腾具有以下特征剧烈的汽化、大沸点是指液体在一定压力下开始沸腾内部和表面同时发生的剧烈汽化现象量的气泡形成、温度恒定在沸点、需的温度沸点与液体的种类和压力有沸腾是一个剧烈的体积现象，液体要持续吸收热量沸腾是一种高效的关压力越高，沸点越高；压力越低内部形成气泡并上升到液面破裂传热方式，广泛应用于工业领域，沸点越低液体的饱和蒸汽压定义1在封闭系统中，当蒸发和凝结达到动态平衡时，液面上方蒸汽的压力称为饱和蒸汽压饱和蒸汽压与液体的种类和温度有关特性2饱和蒸汽压随着温度的升高而增大当液体的蒸汽压等于外界压力时，液体开始沸腾饱和蒸汽压是衡量液体挥发性的重要指标应用3饱和蒸汽压在许多领域都有应用，例如，化工、制药、石油等了解饱和蒸汽压可以控制液体的蒸发和沸腾过程，提高生产效率沸点与液体性质的关系分子间作用力1分子间作用力越强，液体越难汽化，沸点越高分子量2分子量越大，液体越难汽化，沸点越高分子结构3分子结构越复杂，液体越难汽化，沸点越高液体的沸点与其自身的性质密切相关分子间作用力、分子量和分子结构是影响沸点的重要因素了解这些关系可以预测液体的沸腾行为，为工程应用提供指导沸腾过程中的气泡形成成核生长脱离液体内部或加热表面气泡不断吸收热量，当气泡的浮力大于表上的微小缺陷或杂质内部蒸汽压力增大，面张力和附加压力时成为气泡形成的起始体积膨胀，逐渐长大，气泡从加热表面脱点，称为成核离，上升到液面破裂沸腾热力学原理克劳修斯克拉佩龙方程-描述了液体饱和蒸汽压与温度之间的关系，可以用来计算沸点随压力的变化热力学第一定律能量守恒定律，在沸腾过程中，液体吸收的热量转化为蒸汽的内能和体积功热力学第二定律熵增定律，沸腾过程是一个不可逆过程，熵值增加沸腾的几种类型池沸腾流动沸腾强制对流沸腾液体在静止状态下进行的沸腾，例如，液体在流动状态下进行的沸腾，例如，通过外部施加的力使液体流动进行的沸在锅中烧水池沸腾是最常见的沸腾类在管道中流动的冷却剂的沸腾流动沸腾，例如，在泵的作用下流动的冷却剂型，传热效率较高腾传热效率更高，但更容易发生压降的沸腾强制对流沸腾传热效率最高，但需要额外的能量输入核态沸腾与膜态沸腾的区别核态沸腾膜态沸腾12在加热表面上形成大量气泡在加热表面形成一层稳定的，气泡脱离后，液体回流，蒸汽膜，阻碍了液体与加热传热效率高核态沸腾是理表面的直接接触，传热效率想的沸腾状态，传热系数高低膜态沸腾是不希望发生的沸腾状态，容易导致设备损坏区别3核态沸腾和膜态沸腾的主要区别在于加热表面的覆盖状态和传热效率核态沸腾加热表面被气泡覆盖，传热效率高；膜态沸腾加热表面被蒸汽膜覆盖，传热效率低影响沸腾的因素压力温度加热表面液体性质压力越高，沸点越高，沸腾传温度越高，沸腾传热系数越高加热表面的材质、粗糙度、润液体的种类、粘度、表面张力热系数越高，但过高的温度可能导致膜态湿性都会影响沸腾传热系数都会影响沸腾传热系数沸腾温度边界层与热边界层温度边界层热边界层在加热表面附近，由于液体与加热表面之间的温度差异，形成在加热表面附近，由于液体与加热表面之间的热流密度差异，一个温度梯度较大的区域，称为温度边界层温度边界层的厚形成一个热流密度梯度较大的区域，称为热边界层热边界层度影响着热量传递的速率的厚度影响着热量传递的效率沸腾起点的形成过热度液体温度高于饱和温度的程度称为过热度过热度是沸腾发生的必要条件过热度越大，沸腾越容易发生成核位点液体内部或加热表面上的微小缺陷或杂质成为气泡形成的起始点，称为成核位点成核位点的数量和大小影响着沸腾的强度表面张力表面张力是液体分子之间相互作用力的一种表现表面张力越大，气泡越难形成和脱离，沸腾越难发生各种加热表面的沸腾光滑表面粗糙表面光滑表面成核位点少，沸腾不易粗糙表面成核位点多，沸腾容易发生，传热系数较低发生，传热系数较高多孔表面多孔表面具有大量的成核位点，沸腾更容易发生，传热系数最高多种液体的沸腾特性水制冷剂液态金属水是最常用的冷却剂制冷剂具有良好的沸液态金属具有极高的，沸腾传热性能良好腾传热性能，广泛应沸腾传热系数，适用，但容易腐蚀设备用于制冷和空调领域于高温环境下的冷却沸腾热量传递机理单相自然对流在沸腾尚未发生时，液体依靠自然对流进行传热气泡生长与脱离气泡在加热表面生长并脱离，将热量带走液体回流气泡脱离后，周围的液体回流，补充加热表面的液体，加速传热蒸汽膜传热在膜态沸腾阶段，热量主要通过蒸汽膜传递，传热效率低沸腾热量传递系数的影响因素加热表面2加热表面的材质、粗糙度、润湿性都会影响沸腾热量传递系数液体性质1液体的种类、粘度、表面张力等都会影响沸腾热量传递系数操作条件压力、温度、流速等操作条件都会影3响沸腾热量传递系数沸腾面积的影响沸腾面积增加沸腾面积沸腾面积越大，液体与加热表面接触的面积越大，传热速率越可以通过增加翅片、使用多孔介质等方法来增加沸腾面积，提高高传热效率压力对沸腾的影响沸点饱和蒸汽压压力越高，沸点越高；压力越低压力越高，饱和蒸汽压越高；压，沸点越低力越低，饱和蒸汽压越低沸腾传热系数压力越高，沸腾传热系数越高；压力越低，沸腾传热系数越低沸腾面粗糙度的影响光滑表面粗糙表面光滑表面成核位点少，沸腾不易发粗糙表面成核位点多，沸腾容易发生，传热系数较低生，传热系数较高溶质对沸腾的影响沸点升高表面张力沸腾传热系数加入溶质会使液体的沸点升高溶质会改变液体的表面张力，影响气泡溶质会影响沸腾传热系数，具体影响取的形成和脱离决于溶质的种类和浓度亚冷却沸腾亚冷却沸腾应用液体温度低于饱和温度，但加热表面温度高于饱和温度，在加亚冷却沸腾广泛应用于核反应堆冷却、电子设备散热等领域热表面附近发生沸腾亚冷却沸腾传热效率高，不易发生膜态沸腾超临界沸腾超临界状态当温度和压力都超过临界点时，液体和气体之间的界面消失，形成超临界流体超临界沸腾在超临界状态下，不再存在明显的沸腾现象，传热机理发生变化应用超临界沸腾广泛应用于超临界锅炉、超临界萃取等领域润湿性对沸腾的影响润湿性润湿性对沸腾的影响润湿性是指液体在固体表面铺润湿性好的表面，沸腾传热系展的能力润湿性好的表面，数高；润湿性差的表面，沸腾液体容易铺展开来，与固体表传热系数低面接触面积大改善润湿性可以通过表面处理等方法来改善固体的润湿性，提高沸腾传热系数沸腾热量传递的相关实验实验装置数据采集数据分析需要设计合理的实验需要准确采集实验数需要对实验数据进行装置，包括加热器、据，包括温度、压力分析，计算沸腾热量温度传感器、压力传、热流密度等传递系数，并分析影感器等响因素工程应用中的沸腾问题锅炉沸腾是锅炉中最重要的传热方式，提高沸腾传热效率可以提高锅炉效率核反应堆沸腾是核反应堆冷却的重要方式，保证沸腾的安全可靠是核反应堆安全运行的关键电子设备散热沸腾是电子设备散热的有效方式，可以有效降低电子设备的温度沸腾的安全和可靠性问题振动沸腾过程中产生的气泡破裂可能引起设备振动，影响设备寿命腐蚀沸腾过程中，液体中的杂质可能在加热表面沉积，导致腐蚀沸腾危机2当加热表面温度过高时，容易发生膜态沸腾，1导致传热效率急剧下降，设备温度升高，可能导致设备损坏3降低沸腾热量传递的措施降低加热功率降低系统压力降低加热功率可以降低加热表面温度，避免发生膜态沸腾降低系统压力可以降低沸点，避免发生膜态沸腾提高沸腾热量传递的措施增加加热表面粗糙度使用强化传热元件添加添加剂增加加热表面粗糙度可以增加成核位使用翅片、多孔介质等强化传热元件添加添加剂可以改变液体的表面张力点，提高沸腾传热系数可以增加沸腾面积，提高传热效率，促进气泡的形成和脱离，提高沸腾传热系数液体蒸发与沸腾的测量方法温度测量压力测量流量测量使用热电偶、热敏电使用压力传感器测量使用流量计测量液体阻等传感器测量液体系统压力的流量和加热表面的温度热流密度测量使用热流密度传感器测量加热表面的热流密度相关仪器和设备加热器温度传感器压力传感器数据采集系统用于提供热源，可以是电阻用于测量液体和加热表面的用于测量系统压力，常用的用于采集和记录实验数据，加热器、电磁感应加热器等温度，常用的有热电偶、热有压阻式压力传感器、电容常用的有计算机、数据采集敏电阻等式压力传感器等卡等液体蒸发与沸腾的数值模拟计算流体力学利用计算流体力学软件模拟液体蒸发与沸腾过程，可以预测温度场、速度场、压力场等多相流模型需要选择合适的多相流模型，例如模型、欧拉欧拉模型VOF-等网格划分需要进行合理的网格划分，保证计算精度和效率数值模拟技术的应用预测性能2利用数值模拟技术可以预测设备在不同工况下的性能优化设计1利用数值模拟技术可以优化设备设计，提高传热效率分析故障利用数值模拟技术可以分析设备故障3原因，为改进设计提供依据未来的研究方向和发展趋势纳米流体1纳米流体具有优异的传热性能，在沸腾传热领域具有广阔的应用前景微通道沸腾2微通道沸腾具有更高的传热效率，适用于微型电子设备的散热新型强化传热技术3开发新型强化传热技术可以进一步提高沸腾传热效率本课程的主要参考文献•Incropera,F.P.,DeWitt,D.P.

2007.Fundamentals ofheat andmasstransfer6th ed..John WileySons.•Rohsenow,W.M.,Hartnett,J.P.,Cho,Y.I.

1998.Handbook ofheattransfer3rd ed..McGraw-Hill.•Carey,V.P.

2008.Liquid-vapor phase-change phenomena2nded..TaylorFrancis.总结与思考通过本课程的学习，我们了解了液体蒸发与沸腾的基本概念、热力学原理、传热特性，以及影响蒸发与沸腾的因素掌握这些知识可以帮助我们解决实际工程问题，并为未来的研究打下坚实的基础希望大家在今后的学习和工作中，能够灵活运用所学知识，不断探索液体世界的奥秘！感谢大家的参与！。