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1、第四節(jié) 有相變的對流傳熱蒸氣冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對流傳熱過程。這類傳熱過程的特點是相變流體要放出或吸收大量的潛熱,對流傳熱系數(shù)較無相變時更大,例如水的沸騰或水蒸氣冷凝。本節(jié)只討論純流體的沸騰和冷凝傳熱。4-4-1 蒸氣冷凝傳熱 一、蒸氣冷凝方式當飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面接觸時,蒸氣放出潛熱,并在壁面上冷凝成液體。蒸氣冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。1膜狀冷凝若冷凝液能夠潤濕壁面,則在壁面上形成一層完整的液膜,稱為膜狀冷凝,如圖4-16(a)和(b)所示。在壁面上一旦形成液膜后,蒸氣的冷凝只能在液膜的表面上進行,即圖4-16 蒸氣冷凝方式(a)、(b)膜狀冷凝(c)滴狀冷凝蒸氣冷
2、凝時放出的潛熱,必須通過液膜后才能傳給冷壁面。由于蒸氣冷凝時有相的變化,一般熱阻很小,因此這層冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動,則所形成的液膜愈往下愈厚,故壁面愈高或水平放置的管徑愈大,整個壁面的平均對流傳熱系數(shù)也就愈小。2滴狀冷凝若冷凝液不能潤濕壁面,由于表面張力的作用,冷凝液在壁面上形成許多液滴,并沿壁面落下,此種冷凝稱為滴狀冷凝,如圖4-16(c)所示。在滴狀冷凝時,壁面大部分的面積直接暴露在蒸氣中,可供蒸氣冷凝。由于沒有大面積的液膜阻礙熱流,因此滴狀冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝可高幾倍甚至十幾倍。工業(yè)上遇到的大多是膜狀冷凝,因此冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷
3、凝來處理。下面僅介紹純組分的飽和蒸氣膜狀冷凝傳熱系數(shù)的計算方法。二、膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)1蒸氣在垂直管或板外冷凝膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)理論公式的推導中作以下假定:(1)冷凝液膜呈層流流動,傳熱方式為通過液膜的熱傳導(Re1800)。(2)蒸氣靜止不動,對液膜無摩擦阻力。(3)蒸氣冷凝成液體時所釋放的熱量僅為冷凝潛熱,蒸氣溫度和壁面溫度保持不變。(4)冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值,且為常數(shù)。根據(jù)上述假定,對于蒸氣在垂直管外或垂直平板側(cè)的冷凝,可得到如下理論公式: (4-47)特征尺寸 取垂直管或板的高度。定性溫度 蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值,其余物性取液膜平均溫度tm=(tw+ts)/
4、2下的值。式4-47中各符號意義為 L垂直管或板的高度,m; 冷凝液的導熱系數(shù),W/(m·);冷凝液的密度,kg/m3;冷凝液的粘度,kg/(m·s); r飽和蒸氣的冷凝潛熱,kJ/kg; t蒸氣的飽和溫度ts和壁面溫度tw之差,。蒸氣冷凝時傳熱系數(shù)的計算式可整理成準數(shù)形式:設(shè)b為液膜潤濕周邊長度;W為單位時間在b上的冷凝液量,則單位長度潤濕周邊上單位時間的冷凝液量M=W/b,其單位為kg/(m·s)。若膜狀流動時的橫截面積(流通面積)為A,則當量直徑de為: 則 (4-48)將對流傳熱方程改為: (4-49)將式4-49代入式4-47,有 (4-50) 式中稱為
5、無因次冷凝傳熱系數(shù),常以*表示,則 *=1.47Re-1/3 (4-51)由于在推導理論公式時所做的假定不能完全成立,例如蒸氣速度不為零,蒸氣和液膜間有摩擦阻力等,大多數(shù)實驗結(jié)果較理論值約大20%左右,故得修正公式為 (4-52)若用無因次冷凝傳熱系數(shù)來表示,可得 *=1.76Re-1/3 (4-53)若膜層為湍流(Re1800),則 (4-54)比較式4-53和式4-54可看出,當Re值增加時,對層流,值減??;而對湍流,值增大。這種影響如圖4-17所示。圖中線AA和BB分別表示層流下*的理論值和實際值;線CC表示湍流下*的實際值。圖4-17 Re值對冷凝傳熱系數(shù)的影響2蒸氣在水平管外冷凝 若
6、蒸氣在單根水平管外冷凝時,因管徑較小,膜層通常呈層流流動。應(yīng)指出,對水平單管,實驗結(jié)果和由理論公式求得的結(jié)果相近,即 (4-55)若蒸氣在水平管束外冷凝,則 (4-56)式中 n水平管束在垂直列上的管數(shù)。三、影響冷凝傳熱的因素飽和蒸氣冷凝時,熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。因此液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。1冷凝液膜兩側(cè)的溫度差t 當液膜呈層流流動時,若t加大,則蒸氣冷凝速率增加,因而膜層厚度增厚,使冷凝傳熱系數(shù)降低。2流體物性 由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計算式可知,液膜的密度、粘度及導熱系數(shù),蒸氣的冷凝潛熱,都影響冷凝傳熱系數(shù)。3蒸氣的流速和流向 蒸氣以一定的速度運動時,和液膜間產(chǎn)生一定的摩
7、擦力,若蒸氣和液膜同向流動,則摩擦力將使液膜加速,厚度減薄,使增大;若逆向流動,則減小。但這種力若超過液膜重力,液膜會被蒸氣吹離壁面,此時隨蒸氣流速的增加,急劇增大。4蒸氣中不凝性氣體的影響 若蒸氣中含有空氣或其它不凝性氣體,則壁面可能被氣體(導熱系數(shù)很?。铀谏w,增加了一層附加熱阻,使急劇下降。5冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動方向積存的液體增多,則液膜增厚,使傳熱系數(shù)下降。例如,對于管束,為了減薄下面管排上液膜的厚度,一般需減少垂直列管的數(shù)目或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度,使冷凝液沿下一根管子的切向流過,如圖4-18所示。此外,冷凝壁面粗糙不平或有氧化層,則會使膜層加厚,增加膜層阻力,因而降
8、低。4-4-2 液體的沸騰傳熱在液體的對流傳熱過程中,伴有由液相變?yōu)闅庀?,即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程,稱為液體沸騰(又稱沸騰傳熱)。工業(yè)上液體沸騰的方法有二種:一種是將加熱壁面浸沒在無強制對流的液體中,液體受熱沸騰,稱為大容積沸騰;另一種是液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰,稱為管內(nèi)沸騰。后者沸騰機理更為復(fù)雜,下面主要討論大容積沸騰。圖4-18 冷凝器中管子的切向旋轉(zhuǎn) 圖4-19 水的沸騰曲線 一、液體沸騰曲線實驗表明,大容器內(nèi)飽和液體沸騰的情況隨溫度差t(即twts)而變,出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。下面以常壓下水在大容器中沸騰傳熱為例,分析沸騰溫度差t對沸騰傳熱系數(shù)和熱通量q的影響。如圖4-19所示,
9、當溫度差t較?。╰5)時,加熱表面上的液體輕微過熱,使液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流,但沒有氣泡從液體中逸出液面,而僅在液體表面發(fā)生蒸發(fā),此階段和q都較低,如圖4-19中AB段所示。當t逐漸升高(t=525)時,在加熱表面的局部位置上產(chǎn)生氣泡,該局部位置稱為汽化核心。氣泡產(chǎn)生的速度隨t上升而增加,且不斷地離開壁面上升至蒸氣空間。由于氣泡的生成、脫離和上升,使液體受到劇烈的擾動,因此和q都急劇增大,如圖4-19中BC段所示,此段稱為泡核沸騰或泡狀沸騰。當t再增大(t25)時,加熱面上產(chǎn)生的氣泡也大大增多,且氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離表面的速度。氣泡在脫離表面之前連接起來,形成一層不穩(wěn)定的蒸氣膜,使液體不能和加
10、熱表面直接接觸。由于蒸氣的導熱性能差,氣膜的附加熱阻使和q都急劇下降。氣膜開始形成時是不穩(wěn)定的,有可能形成大氣泡脫離表面,此階段稱為不穩(wěn)定的膜狀沸騰或部分泡狀沸騰,如圖4-19中CD段所示。由泡核沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點C稱為臨界點。臨界點上的溫度差、傳熱系數(shù)和熱通量分別稱為臨界溫度差tc、臨界沸騰傳熱系數(shù)c和臨界熱通量qc。當達到D點時,傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋,開始形成穩(wěn)定的氣膜。以后隨著t的增加,基本上不變,q又上升,這是由于壁溫升高,輻射傳熱的影響顯著增加所致,如圖4-19中DE段所示。實際上一般將CDE段稱為膜狀沸騰。其它液體在一定壓強下的沸騰曲線與水的有類似的形狀,僅臨界點的數(shù)
11、值不同而已。應(yīng)予指出,由于泡核沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大,工業(yè)生產(chǎn)中一般總是設(shè)法控制在泡核沸騰下操作,因此確定不同液體在臨界點下的有關(guān)參數(shù)具有實際意義。二、沸騰傳熱系數(shù)的計算關(guān)于沸騰傳熱至今還沒有可靠的一般的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式,但可按以下函數(shù)形式進行關(guān)聯(lián)。 (4-57)式中 ts蒸氣的飽和溫度,;C和B通過實驗測定的兩個參數(shù)。三、影響沸騰傳熱的因素1液體的性質(zhì) 液體的導熱系數(shù)、密度、粘度和表面張力等均對沸騰傳熱有重要的影響。一般情況下,隨、的增加而增大,而隨及的增加而減小。2溫度差t 溫度差(twts)是控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù)。曾經(jīng)有人在特定的實驗條件(沸騰壓強、壁面形狀等)下,對多種液體進行泡核沸騰時傳熱系數(shù)的測定,整理得到下面形式的經(jīng)驗式: =a(t)n (4-58)式中a和n是隨液體種類和沸騰條件而異的常數(shù),其值由實驗測定。3操作
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