C8凝結(jié)與沸騰換熱

1、第七章 凝結(jié)與沸騰換熱 特點：有相變的對流換熱，換熱過程中，流體都是在飽和溫度下放出或者吸收汽化潛熱，一般情況下，凝結(jié)和沸騰換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要比單相流體的對流換熱甚至幾十倍。 其工業(yè)應(yīng)用也很廣泛，如發(fā)電廠中的凝汽器、制冷裝置中的冷凝器和蒸發(fā)器、熱管等。7-1 凝結(jié)換熱現(xiàn)象一、凝結(jié)換熱過程 當(dāng)蒸汽與低于其相應(yīng)壓力下的飽和溫度的壁面接觸時，將發(fā)生凝結(jié)過程。凝結(jié)時蒸汽釋放出汽化潛熱并傳遞給固體壁。二、分類 根據(jù)凝結(jié)液在表面上的潤濕情況，凝結(jié)換熱可分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)兩種形式。1、膜狀凝結(jié) 當(dāng)液體能潤濕壁面時，凝結(jié)液在壁面上形成一層完整的液膜，這種凝結(jié)形式叫膜狀凝結(jié)。2、珠狀凝結(jié) 當(dāng)液體不能潤濕壁

2、面時，凝結(jié)液在壁面上形成許多液滴，這種凝結(jié)形式稱為珠狀凝結(jié)。三、兩種凝結(jié)換熱方式的比較 膜狀凝結(jié)時，在壁面形成的凝結(jié)液膜阻礙蒸汽與壁面直接接觸，蒸汽只能在液膜表面凝結(jié)，所放出的汽化潛熱必須通過液膜才能傳到壁面，液膜成為膜狀凝結(jié)換熱的主要阻力，因此如何排除凝結(jié)液、減小液膜厚度就是強化膜狀凝結(jié)換熱時考慮的核心問題。 當(dāng)發(fā)生珠狀凝結(jié)時，大部分的蒸汽可以與壁面直接接觸凝結(jié)，所放出的汽化潛熱直接傳給壁面，因此珠狀凝結(jié)換熱與相同條件下的膜狀凝結(jié)換熱相比，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)要大幾倍甚至一個數(shù)量級。 2、分析解的結(jié)果 整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 推廣應(yīng)用到水平圓管外的膜狀凝結(jié)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 注意：豎壁的計算

3、公式同樣適用于豎圓管，比較圓管豎放和水平放置的效果，為什么？3、分析解與實驗結(jié)果的比較 實驗表明，在低雷諾數(shù)時，分析解結(jié)果與實驗結(jié)果很好的相符，但當(dāng)Re20后，由于液膜表面波動，傳熱強化，實驗值比理論值高20。將上式進行修正得： 不凝結(jié)氣體不斷在液膜附近積累，使凝結(jié)過程增加了蒸汽傳遞過程的阻力，并降低液膜表面蒸汽的分壓力，導(dǎo)致液膜表面的飽和溫度下降，減少了凝結(jié)的驅(qū)動力，傳熱系數(shù)大大減弱。電廠的凝汽器都有抽氣裝置，以便及時排除空氣。四、影響膜狀凝結(jié)的因素1、不凝結(jié)氣體2、蒸汽的流速、過熱度、表面的幾何狀況等也都有影響。五、凝結(jié)換熱的強化 通過上述分析可知，液膜的導(dǎo)熱熱阻是膜狀凝結(jié)換熱的主要熱阻。

4、因此，強化膜狀凝結(jié)換熱的關(guān)鍵措施就是設(shè)法將凝結(jié)液從換熱面排走、盡可能減小液膜厚度。例如，目前工業(yè)上由水平管束構(gòu)成的冷凝器都采用低肋管或鋸齒形肋片管，利用凝結(jié)液的表面張力將凝結(jié)液拉入肋間槽內(nèi)，使肋端部表面直接和蒸氣接觸，達到強化凝結(jié)換熱的目的。 7-2 沸騰換熱現(xiàn)象一、沸騰換熱的分類大容器沸騰（或稱為池內(nèi)沸騰）強制對流沸騰（主要是管內(nèi)沸騰）過冷沸騰：飽和沸騰液體主體的溫度低于飽和溫度。液體主體的溫度達到飽和溫度。二、大容器飽和沸騰曲線 通過對水在一個大氣壓（1.013105Pa）下的大容器飽和沸騰換熱過程的實驗觀察，可以畫出圖6-11所示的曲線，稱為飽和沸騰曲線。曲線的橫坐標(biāo)為加熱面的過熱度；縱

5、坐標(biāo)為熱流密度。 ： 由核態(tài)沸騰向過渡沸騰轉(zhuǎn)折處的熱流密度被定為臨界熱流密度。臨界熱流密度確定臨界熱流密度的意義三、汽化核心的分析 由核態(tài)沸騰的特點可以看出，汽泡的生成、長大及脫離加熱面的運動對核態(tài)沸騰換熱起決定作用。 實驗觀察和理論分析一致得出，汽泡是在加熱面上所謂的汽化核心處生成的，而形成汽化核心的最佳位置是加熱面上的凹縫、孔隙處，這里殘留著微量氣體，最容易生成汽泡核（即微小汽泡）。汽化核心示意圖對單個汽泡在液體中存在的條件（滿足力的平衡和熱平衡）分析可得，氣泡的半徑需滿足式中： 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

6、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 換熱增強二、大容器沸騰的臨界熱流密度書中推薦適用如下經(jīng)驗公式：三、大容器膜態(tài)沸騰的關(guān)聯(lián)式橫管的膜態(tài)沸騰其中：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)。影響沸騰換熱的因素 沸騰表面上的微小凹坑最容易產(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