熱質(zhì)交換原理-第三章課件

1、第三章 相變熱質(zhì)交換原理下面我們即將遇到的是有相變的對流換熱，也稱之為相變換熱，目前涉及的是凝結(jié)換熱和沸騰換熱兩種。相變熱質(zhì)交換的特點：由于有潛熱釋放和相變過程的復(fù)雜性，因此，目前，工程上也只能助于經(jīng)驗公式和實驗關(guān)聯(lián)式?？照{(diào)用制冷系統(tǒng)中的冷凝器和蒸發(fā)器，都屬于有相變的熱質(zhì)交換設(shè)備。由于在相變過程中進(jìn)行的是以潛熱為主的全熱交換，所以與無相變的傳遞過程相比，具有高的多的熱質(zhì)交換強度，也可以說相變過程本身就是傳遞過程的一種強化。23.1 沸騰換熱 做飯 蒸汽鍋爐 許多其它的工業(yè)過程1 生活中的例子定義： a 沸騰：工質(zhì)內(nèi)部形成大量氣泡并由液態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)的一種劇烈的汽化過程 b 沸騰換熱：指工質(zhì)通過氣

2、泡運動帶走熱量，并使其冷卻的一種傳熱方式3 分類：沸騰的分類很多，書中僅介紹了常見的大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)和強制對流沸騰，每種又分為過冷沸騰和飽和沸騰。3.1.1 沸騰換熱現(xiàn)象及分析3a 大容器沸騰(池內(nèi)沸騰)：加熱壁面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰；b 強制對流沸騰：強制對流沸騰加熱表面Heated SurfaceLiquidflowBubble flowSlug flowAnnular flowMist flow44 汽泡動力學(xué)簡介 (1) 汽泡的成長過程 實驗表明，通常情況下，沸騰時汽泡只發(fā)生在加熱面的某些點，而不是整個加熱面上，這些產(chǎn)生氣泡的點被稱為汽化核心，較普遍的看法認(rèn)為，

3、壁面上的凹穴和裂縫易殘留氣體，是最好的汽化核心，如圖所示。c 過冷沸騰：指液體主流尚未達(dá)到飽和溫度，即處于過冷狀態(tài)，而壁面上開始產(chǎn)生氣泡，稱之為過冷沸騰d 飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到飽和溫度，而壁面溫度高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰，稱之為飽和沸騰5(2) 汽泡的存在條件 汽泡半徑R必須滿足下列條件才能存活(克拉貝龍方程)式中： 表面張力，N/m；r 汽化潛熱，J/kg v 蒸汽密度，kg/m3；tw 壁面溫度，C ts 對應(yīng)壓力下的飽和溫度， C可見， (tw ts ) , Rmin 同一加熱面上，稱為汽化核心的凹穴數(shù)量增加 汽化核心數(shù)增加 換熱增強6789105 大容器飽和沸騰曲線：表征了大容器

4、飽和沸騰的全部過程，共包括4個換熱規(guī)律不同的階段：自然對流、核態(tài)沸騰、過渡沸騰和穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，如圖所示：qmaxqmin1112幾點說明：（1）上述熱流密度的峰值qmax 有重大意義，稱為臨界熱流密度，亦稱燒毀點。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點對熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常重要。（2）對穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因為熱量必須穿過的是熱阻較大的汽膜，所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多。133.1.2 沸騰換熱計算式沸騰換熱也是對流換熱的一種，因此，牛頓冷卻公式仍然適用，即但對于沸騰換熱的h卻又許多不同的計算公式（1） 大容器飽和核態(tài)沸騰 影響核態(tài)沸騰的因素主要是過熱度和汽化核心

5、數(shù)，而汽化核心數(shù)受表面材料、表面狀況、壓力等因素的支配，所以沸騰換熱的情況液比較復(fù)雜，導(dǎo)致了各計算公式分歧較大。目前存在兩種計算是，一種是針對某一種液體，另一種是廣泛適用于各種液體的。1415為此，書中分別推薦了兩個計算式（1）對于水的大容器飽和核態(tài)沸騰，教材推薦適用米海 耶夫公式，壓力范圍：1054106 Pa按 16（2）羅森諾公式廣泛適用的強制對流換熱公式既然沸騰換熱也屬于對流換熱，那么，st = f ( Re, Pr )也應(yīng)該適用。羅森諾正是在這種思路下，通過大量實驗得出了如下實驗關(guān)聯(lián)式：式中， r 汽化潛熱； Cpl 飽和液體的比定壓熱容 g 重力加速度 l 飽和液體的動力粘度 Cw

6、l 取決于加熱表面液體 組合情況的經(jīng)驗常數(shù)(表3-1) q 沸騰傳熱的熱流密度 s 經(jīng)驗指數(shù)，水s = 1,否則，s=1.717上式可以改寫為：可見， ，因此，盡管有時上述計算公式得到的q與實驗值的偏差高達(dá)100，但已知q計算 時，則可以將偏差縮小到33。這一點在輻射換熱中更為明顯。計算時必須謹(jǐn)慎處理熱流密度。制冷介質(zhì)的庫珀公式183 大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式（1）橫管的膜態(tài)沸騰式中，除了r 和 l 的值由飽和溫度 ts 決定外，其余物性均以平均溫度 tm ( twts ) / 2 為定性溫度，特征長度為管子外徑d, 如果加熱表面為球面，則上式中的系數(shù)0.62改為0.672 大容器沸騰的臨界熱流

7、密度書中推薦適用如下經(jīng)驗公式：19勃洛姆來建議采用如下超越方程來計算：其中：（2）考慮熱輻射作用由于膜態(tài)換熱時，壁面溫度一般較高，因此，有必要考慮熱輻射換熱的影響，它的影響有兩部分，一是直接增加了換熱量，另一個是增大了汽膜厚度，從而減少了換熱量。因此，必須綜合考慮熱輻射效應(yīng)。205 制冷劑的管內(nèi)沸騰肋管大于光管管束大于單管物性參數(shù)的影響含油雜質(zhì)的影響4 制冷劑水平管束外大空間的沸騰放熱立管水平管對流換熱區(qū)沫態(tài)沸騰區(qū)213.1.3 影響沸騰換熱的因素沸騰換熱是我們學(xué)過的換熱現(xiàn)象中最復(fù)雜的，影響因素也最多，由于我們只學(xué)習(xí)了大容器沸騰換熱，因此，影響因素也只針對大容器沸騰換熱。1 不凝結(jié)氣體 對膜狀

8、凝結(jié)換熱的影響？與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)氣體會使沸騰換熱得到某種程度的強化2 過冷度 只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然對流換熱時， ，因此，過冷會強化換熱。223 液位高度 當(dāng)傳熱表面上的液位足夠高時，沸騰換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與液位高度無關(guān)。但當(dāng)液位降低到一定值時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會明顯地隨液 位的降低而升高(臨界液位)。圖中介質(zhì)為一個 大氣壓下的水4 重力加速度 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展， 超重力和微重力條件下的 傳熱規(guī)律得到蓬勃發(fā)展， 但目前還遠(yuǎn)沒到成熟的地 步，就現(xiàn)有的成果表明：23 從0.1 1009.8 m/s2 的范圍內(nèi)，g對核態(tài)沸騰換熱規(guī)律沒有影響，但對自然對流換熱有影響，

9、由于 因此，g Nu 換熱加強。5 沸騰表面的結(jié)構(gòu) 沸騰表面上的微笑凹坑最容易產(chǎn)生汽化核心，因此，凹坑多，汽化核心多，換熱就會得到強化。近幾十年來的強化沸騰換熱的研究主要是增加表面凹坑。目前有兩種常用的手段：(1) 用燒結(jié)、釬焊、火焰噴涂、電離沉積等物理與化學(xué)手段在換熱表面上形成多孔結(jié)構(gòu)。(2) 機(jī)械加工方法。2425作業(yè)263-2 凝結(jié)換熱凝結(jié)換熱的關(guān)鍵點凝結(jié)可能以不同的形式發(fā)生，膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)冷凝物相當(dāng)于增加了熱量進(jìn)一步傳遞的熱阻層流和湍流膜狀凝結(jié)換熱的實驗關(guān)聯(lián)式影響膜狀凝結(jié)換熱的因素會分析豎壁和橫管的換熱過程，及Nusselt膜狀凝結(jié)理論凝結(jié)換熱實例 家用冷水管壁、空調(diào)中的冷凝器 寒

10、冷冬天窗戶上的冰花、眼鏡 許多其他的工業(yè)應(yīng)用過程271 凝結(jié)過程 膜狀凝結(jié)沿整個壁面形成一層薄膜，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，因此，液膜厚度直接影響了熱量傳遞。珠狀凝結(jié)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，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，甚至一個數(shù)量級）gg282930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，設(shè)計計算以膜狀凝結(jié)為依據(jù)。2 純凈飽和蒸汽層流膜狀凝結(jié)換熱的分析1916年，Nusselt提出的簡單膜狀凝結(jié)換熱分析是近

11、代膜狀凝結(jié)理論和傳熱分析的基礎(chǔ)。自1916年以來，各種修正或發(fā)展都是針對Nusselt分析的限制性假設(shè)而進(jìn)行了，并形成了各種實用的計算方法。所以，我們首先得了解Nusselt對純凈飽和蒸汽膜狀凝結(jié)換熱的分析。假定：1）常物性；2）蒸氣靜止；3）液膜的慣性力忽略；4）氣液界面上無溫差，即液膜溫度等于飽和溫度；5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱；6）液膜的過冷度忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整無波動31 凝結(jié)換熱中的重要參數(shù) 蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差（ts - tw） 汽化潛熱 r 特征尺度 其他標(biāo)準(zhǔn)的熱物理性質(zhì)，如動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等32gt(y)u(y)Therma

12、l boundary layersVelocity boundary layers微元控制體邊界層微分方程組：下腳標(biāo) l 表示液相x33考慮（3）液膜的慣性力忽略 考慮（5） 膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有導(dǎo)熱 考慮（7）忽略蒸汽密度只有u 和 t 兩個未知量，于是，上面得方程組化簡為：34邊界條件：求解上面方程可得：(1) 液膜厚度定性溫度：注意：r 按 ts 確定35(2) 局部對流換熱系數(shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(3) 修正：實驗表明，由于液膜表面波動，凝結(jié)換熱得到強 化，因此，實驗值比上述得理論值高20左右修正后：定性溫度：注意：r 按 ts 確定36時，慣性力項和液膜過冷度的影響

13、均可忽略。對于傾斜壁，則用 gsin 代替以上各式中的 g 即可另外，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) 并且，雅各布(4) 水平圓管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)式中：下標(biāo)“ H ”表示水平管，“ S ”表示球; d 為水 平管或球的直徑。定性溫度與前面的公式相同37橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：3 邊界層內(nèi)的流態(tài)無波動層流有波動層流湍流凝結(jié)液體流動也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然是Re，式中： ul 為 x = l 處液膜層的平均流速；de 為該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。38如圖由熱平衡所以對水平管，用 代替上式中的 即可。橫管一般都處于層流狀

14、態(tài)寬度為1m的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量394 湍流膜狀凝結(jié)換熱液膜從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)可定為1600。橫管因直徑較小，實踐上均在層流范圍。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，層流底層之外以湍流傳遞為主，換熱大為增強對豎壁的湍流凝結(jié)換熱，其沿整個壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式為：式中：hl 為層流段的傳熱系數(shù)； ht 為湍流段的傳熱系數(shù)； xc 為層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r轉(zhuǎn)折點的高度 l 為豎壁的總高度40利用上面思想，整理的實驗關(guān)聯(lián)式：式中： 。除 用壁溫 計算外，其余物理量的定性溫度均為413.2.3 影響膜狀凝結(jié)的因素 工程實際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過程往往比較復(fù)雜，受各種因

15、素的影響。1. 不凝結(jié)氣體 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2. 蒸氣流速 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， 增大；反之使 減小。42 4. 液膜過冷度及溫度分布的非線性 如果考慮過冷度及溫度分布的實際情況，要用下式代替 計算公式中的 ， 5. 管子排數(shù) 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。3. 過熱蒸氣 要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差。43 6. 管內(nèi)冷凝 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。 流速較高時，形成環(huán)狀流動，凝結(jié)液均勻分布在管子 四周，中