第七章凝結(jié)及沸騰換熱_傳熱學(xué)

1、1凝結(jié)換熱的強(qiáng)化凝結(jié)換熱的強(qiáng)化 程錕倫程錕倫2-1 -1 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱 膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié): :gswtt當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在當(dāng)凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠壁面上形成許多小液珠gswtt工質(zhì)在飽和溫度下由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程稱為凝結(jié)工質(zhì)在飽和溫度下由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過程稱為凝結(jié). .當(dāng)凝結(jié)液能很好地潤濕壁面時當(dāng)凝結(jié)液能很好地潤濕壁面時, ,凝結(jié)液將凝結(jié)液將形成連續(xù)的膜向下流動形成連續(xù)的膜向下流動(2) (2) 珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié)3(3) (3) 兩種凝結(jié)形式的比較兩種凝結(jié)形式的比較膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié): :由于沿整個壁面形成一層薄膜，并且在重力由于沿整個壁

2、面形成一層薄膜，并且在重力的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因的作用下流動，凝結(jié)放出的汽化潛熱必須通過液膜，因此，液膜厚度及運(yùn)動狀態(tài)直接影響了熱量傳遞此，液膜厚度及運(yùn)動狀態(tài)直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)珠狀凝結(jié): :由于凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在由于凝結(jié)液體不能很好的浸潤壁面時，則在壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直壁面上形成許多小液珠，此時壁面的部分表面與蒸汽直接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，接接觸，因此，換熱速率遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)（可能大幾倍，甚至一個數(shù)量級）甚至一個數(shù)量級）雖然珠狀凝結(jié)換熱遠(yuǎn)大于膜狀凝結(jié)，但可惜的是，珠狀雖然珠狀凝結(jié)換熱遠(yuǎn)大于

3、膜狀凝結(jié)，但可惜的是，珠狀凝結(jié)很難保持，因此，大多數(shù)工程中遇到的凝結(jié)換熱大凝結(jié)很難保持，因此，大多數(shù)工程中遇到的凝結(jié)換熱大多屬于膜狀凝結(jié)，因此，教材中只簡單介紹了膜狀凝結(jié)多屬于膜狀凝結(jié)，因此，教材中只簡單介紹了膜狀凝結(jié).41 1）常物性；）常物性；2 2）蒸氣靜止；）蒸氣靜止；3 3）液膜的慣性力忽略；）液膜的慣性力忽略；4 4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5 5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6 6）液膜的過冷度忽略；）液膜的過冷度忽略； 7 7）忽略蒸汽密度；）忽略蒸汽密度；8 8）液

4、膜表面平整無波動）液膜表面平整無波動5邊界層微分方程組：邊界層微分方程組：2222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll下腳標(biāo)下腳標(biāo) l l 表示液相表示液相g)(xm t(y)u(y)Thermal boundary layersVelocity boundary layersswtt 微元控制體x62222)(0ytaytvxtuyugdxdpyuvxuuyvxullll考慮（考慮（7 7）忽略蒸汽密度）忽略蒸汽密度0dxdp002222ytayuglll考慮（考慮（5 5） 膜內(nèi)溫度線性分布，膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱0ytvxtu

5、考慮（考慮（3 3）液膜的慣性力忽略）液膜的慣性力忽略0)(yuvxuul7邊界條件：邊界條件：swttyuyttuy ,0dd 0, 0時，時，1/ 4llsw2l4(tt )xgr 求解上面方程可得：求解上面方程可得：定性溫度：定性溫度：2wsmttt注意：注意：r r 按按 t ts s 確定確定81 / 423llxlswgrh4( tt)x sw( tttC )整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)1 / 423lllVx0lswgr1hh dx0.943ll( tt) 1/ 423llVlswgrh1.13l(tt ) 定性溫度：定性溫度：2wsmttt實(shí)驗(yàn)表明，由于

6、液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強(qiáng)化，因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高因此，實(shí)驗(yàn)值比上述得理論值高2020左右左右9用用 gsingsin 代替以上各式中的代替以上各式中的 g g 即可即可努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層努塞爾的理論分析可推廣到水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)流膜狀凝結(jié)1/ 423llHlswgrh0.729d(tt ) 1/ 423llSlswgrh0.826d(tt ) 式中：下標(biāo)式中：下標(biāo)“ H H ”表示水平管，表示水平管，“ S S ”表示球表示球; d ; d 為水為水 平管或球的直徑。平管或球的直徑。定性溫度與前

7、面的公式相同定性溫度與前面的公式相同橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：4177.0dlhhVgHg101)(wspttcrJa時，慣性力項(xiàng)和液膜過冷度時，慣性力項(xiàng)和液膜過冷度的影響均可忽略。的影響均可忽略。另外，除了對波動的修正外，其他假設(shè)也有人做了相關(guān)的另外，除了對波動的修正外，其他假設(shè)也有人做了相關(guān)的研究，如當(dāng)研究，如當(dāng) 并且，并且，1Pr 1120Re 1600Rec無波動層流無波動層流有波動層流有波動層流湍流湍流凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時且其判斷依據(jù)仍然時ReRec c，式中：式中： u um m 壁的底部液

8、膜斷面平均流速；壁的底部液膜斷面平均流速；d de e 液膜層的當(dāng)量直徑。液膜層的當(dāng)量直徑。mecudRe12由熱平衡由熱平衡所以所以對水平管，用對水平管，用 代替上式中的代替上式中的 即可。即可。ecd4A / P4b/ b4swmlh(tt )lrqrl并且橫管一般都處于層流狀態(tài)并且橫管一般都處于層流狀態(tài)Mumc44RerMltthws)(rtthlwsc)(4Re如圖如圖133/ 13/ 1223)(GaNughCo23glGa 3/ 1Re76. 1cCo2 . 5Re08. 1Re22. 1ccCo3/ 1Re51. 1cCo14 液膜從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)可定為液膜從層流轉(zhuǎn)變

9、為湍流的臨界雷諾數(shù)可定為18001800。橫管。橫管因直徑較小，實(shí)踐上均在層流范圍。對湍流液膜，除了靠近因直徑較小，實(shí)踐上均在層流范圍。對湍流液膜，除了靠近壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來傳遞熱量外，層流底層之外以壁面的層流底層仍依靠導(dǎo)熱來傳遞熱量外，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)湍流傳遞為主，換熱大為增強(qiáng)豎壁湍流液膜段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)豎壁湍流液膜段的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù): :)253(RePr588750Re75. 05 . 0ccCo15對對豎壁的湍流凝結(jié)換熱豎壁的湍流凝結(jié)換熱，其沿整個壁面的，其沿整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯灯骄砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)計算式為：計算式為：ccltxxhhh1ll式中

10、：式中：h hl l 為層流段的傳熱系數(shù)；為層流段的傳熱系數(shù)； h ht t 為湍流段的傳熱系數(shù)；為湍流段的傳熱系數(shù)； x xc c 為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度 l l 為豎壁的總高度為豎壁的總高度16 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。t 。不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力 流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生模型的粘滯應(yīng)力。 如果蒸氣流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄，如果蒸氣

11、流動與液膜向下的流動同向時，使液膜拉薄， 增大；反之使增大；反之使 減小。減小。hh17 如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代替計如果考慮過冷度及溫度分布的實(shí)際情況，要用下式代替計算公式中的算公式中的 ， rpswrr0.68c ( tt) 管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。管束的幾何布置、流體物性都會影響凝結(jié)換熱。 前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管。 此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。蒸氣流速低時，凝此時換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。蒸氣流速低時，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位于管子上半部。流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為時，形成環(huán)狀流動