傳熱學(xué)-第七章相變對(duì)流換熱

第七凝結(jié)傳熱的模膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)沸騰傳熱模大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)11、重點(diǎn)內(nèi)結(jié)與沸騰換熱機(jī)理及其特點(diǎn)；②膜狀凝結(jié)換熱分析解及實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)③大容器飽和核態(tài)沸騰及臨界熱流密度。2、掌握內(nèi)容：掌握影響凝結(jié)與沸騰換熱的因素3、了解內(nèi)容①了解強(qiáng)化凝結(jié)與沸騰換熱的措施及發(fā)展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)③工程中廣泛應(yīng)用的是：冷凝器及蒸發(fā)器、水冷壁23凝結(jié)傳熱的珠狀凝結(jié)與膜狀凝熱凝結(jié)換熱的根據(jù)凝結(jié)液與壁面浸潤能力不4膜狀凝定義：凝結(jié)液體能很好地濕壁面，并能在壁成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)

tw珠狀凝定義：凝結(jié)液體不能很好地成一個(gè)個(gè)小液珠g稱珠狀凝結(jié)

tw56凝結(jié)液－主要熱膜狀凝結(jié)特點(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才到冷卻壁面上，此時(shí)液膜成為主要的換 熱阻珠狀凝結(jié)特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱不須穿膜的阻力即可傳到冷卻壁面

twtw在其它條件相同時(shí)，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鱣數(shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系 膜狀凝結(jié)是工程設(shè)計(jì)依強(qiáng)化膜狀凝結(jié)的途徑－減薄液膜的厚87-21916年，Nusselt 簡單流膜狀結(jié)熱析是近代狀凝結(jié)論傳熱分的基191來各種修或發(fā)展是t分析的性假設(shè)進(jìn)行了，形成了種用的計(jì)方法。以我們首先得了Nusselt對(duì)純飽和蒸膜狀凝換的分。91、對(duì)實(shí)際問題的簡忽略；7）忽略蒸汽密度；8）表面平整無波

圖7-4努賽爾理論分的坐標(biāo)系與邊界條上節(jié)課內(nèi)容2、邊界層方程組的簡以豎壁的膜狀凝x標(biāo)為重力方向，如圖所示。在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)的微分方程組為：uv l(uxvy)dxlgl u

v

yl表示液uvluu)lg2l tvtal考慮假設(shè)（3）液膜的慣性力

(uuvu) 方程應(yīng)用于蒸汽。由假設(shè)（2）蒸汽的靜止的，若以ρV表0dpdxV考慮假設(shè)（7）忽略蒸汽密度dp/dxuvluu)lg2l tvtal考慮假設(shè)（5）膜內(nèi)溫度線性分布，即熱量轉(zhuǎn)移只有utvt gll2gll2uyl2y方程組邊界條件：y0時(shí)，u0, ttwy時(shí)，dudy

0, tt求解的基本思路δt再利用dx一段距離上凝結(jié)液體的質(zhì)量平衡關(guān)系取得液厚度的表達(dá)式最后根據(jù)對(duì)流換熱微分方程式利用傅立表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的表達(dá)式 3.主要求解過程與4(

)x1/

g2 gr2

1/ ( )x

(ttstwC 整個(gè)豎壁的平均

gr

2

1/h

hdx0.943

l

l( 定性溫度： ts

若與水平軸有夾角 >0）的傾斜壁，式中g(shù)改為gsinφ1、水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)傳熱表面?zhèn)?gr2

1/水平管：

0.729

d( )gr2

1/球 0.826 )Sl)S

d(

定性溫度： ts

2、水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比 gr2

1/

gr2

1/ 0.729 0.943

d( )

l( )

不同：特征長度不同；系數(shù)不在其他條件相同時(shí)（直徑為d和高為l的圓管），橫管管的對(duì)流換熱系

l2.86 l1 d H d

l2.86, dd當(dāng)l/d=50時(shí)，橫管的平均表面

傳熱系數(shù)是豎管的的2

3、分析解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證豎?當(dāng)Re<20時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解相符?當(dāng)Re>20時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越來越高于理論解，最高大于圖7-7豎壁上水蒸汽膜狀凝結(jié)的理論式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較20 gr2

1/修正后

1.13

l(t )水平圓管、橫管：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論解 gr2

1/ 0.729 其他假設(shè)修

d( )

Pr數(shù)接近1或大于1的流體，只要無量綱量cp

tw 時(shí)微分方程中的慣性力項(xiàng)，液膜過冷度的影響均可忽略 湍流膜狀凝結(jié)換膜層中凝結(jié)液的凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)為膜層Re有波動(dòng)層無波動(dòng)層有波動(dòng)層無波動(dòng)層直徑為特征長度以豎壁Redeul deul

Re20湍Rec湍ulx

處液膜層的平均流速de為該截面處液膜層的當(dāng)量直x＝l處寬為1m的截面的凝結(jié)液的質(zhì)量流如 de4Acx＝l處寬為1m的截面的凝結(jié)液的質(zhì)量流Re

4ul

4q由熱所

h(tstw)lRe4hl(tstwr對(duì)水平管，用r代替上式中的并且橫管一般都

豎壁上層流液膜質(zhì)量流 實(shí)驗(yàn)證膜層雷諾數(shù)Re=1600液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳈M管均在層流范圍內(nèi)，因?yàn)楣軓酵牧魈卣?對(duì)于湍流液膜，熱量的遠(yuǎn)大于層流液膜

Re20有波動(dòng)層無波動(dòng)有波動(dòng)層無波動(dòng)湍湍計(jì)算方對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個(gè)壁面上的平均表面?zhèn)鱤hxch1xc t l式中：hl為層流段的傳熱系數(shù)；ht為湍流段的傳熱系可供計(jì)算整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)NuGa1/

RePr 1/s58Pr1/s

(Re3/4253)9200式中：Nuhl/;Gagl3

比值）。除Prw用壁溫tw7-3膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)不凝結(jié)例：水蒸汽中質(zhì)量含量占1％的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯到?， 是重。管子排前面推導(dǎo)的橫管凝結(jié)換熱的公式只適用于單根橫管橫管管束凝結(jié)換熱情況比較復(fù)雜：降落撞擊（強(qiáng)化此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要在管子底部，蒸氣則位管子上蒸氣流流速較高時(shí)（對(duì)于水蒸汽流速大于10m/s），蒸氣h過熱蒸把計(jì)算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液膜過冷度及溫度分布的非線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(jì)算公式中的，rr0.68cp(tstw7.3.2膜狀凝結(jié)的強(qiáng)化原則和技強(qiáng)化凝結(jié)換熱的原則排除用各種帶有尖峰的表面使在其上冷凝的液膜使已凝結(jié)的液體盡快從換熱表面上排泄掉各種強(qiáng)化傳 沸騰的特點(diǎn)(氣泡的產(chǎn)生與）液體汽化吸收大量的汽化潛）在液態(tài)自由表面發(fā)生的汽化過程稱為蒸沸騰換1）大容器沸騰（池內(nèi)沸騰）大容器定義：特點(diǎn)：氣泡能自由浮升穿過液體自由面進(jìn)入容器空 管內(nèi)沸流體的運(yùn)動(dòng)需加外加的壓差才根據(jù)主流液體是否達(dá)到飽和，分為過冷沸騰和飽和沸騰過冷沸指液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度，壁面溫度該飽和溫度所發(fā)生的沸騰換熱，稱過冷沸騰飽和沸特點(diǎn)隨著壁面過熱度的增高，出現(xiàn)4個(gè)換熱規(guī)律全然不在盛水的燒杯中置入一根不銹鋼細(xì)管，通電加熱以使其表面產(chǎn)生汽泡，燒杯 的電熱器用于將水加熱到飽溫度，這樣在不銹鋼表面上進(jìn)行的沸騰為飽和沸騰。隨著電流密度的增大，燒杯中的水與不銹 表面間的熱交依次會(huì)出現(xiàn)以下4個(gè)換熱規(guī)律不同的階段：自然對(duì)流、核態(tài)沸騰、渡沸騰穩(wěn)膜態(tài)沸。 從曲線變化規(guī)律可知：隨壁面過熱度的增大，區(qū)段Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ將整個(gè)曲線分成四個(gè)特定的）核態(tài)沸騰（飽和沸騰隨著t的上升，在加熱面①開始階段，汽 產(chǎn)生的泡互不干擾，稱為孤立汽泡區(qū)②隨著

的上升，汽增加，生成的汽泡數(shù)量增加，泡互相影響并合成汽塊及汽稱為相互影響區(qū) ③隨著t的增大，q增大，當(dāng)t 為核態(tài)沸騰（泡狀沸騰）其特點(diǎn)：溫壓小，換熱強(qiáng)度大，）過渡沸從峰值點(diǎn)進(jìn)一步提高t，熱值時(shí)，熱流密度減qmin，段的特點(diǎn)是屬于不穩(wěn)定過程）穩(wěn)定膜qmin開始，隨著t的上升，氣泡生長速度與躍離有規(guī)律地脫離膜層，致使t上升時(shí)，熱流密q升段稱為穩(wěn)定膜態(tài)ab、△tc、汽膜；后者熱量必須穿過熱阻相對(duì)較小的液膜 臨界熱流密度及其工程意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(diǎn)。一般用核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)折點(diǎn)DNB作為監(jiān)視接近qmax的警戒。這一點(diǎn)對(duì)熱流密度可控和溫度可控的兩種情況都非常

萊登佛羅斯特對(duì)穩(wěn)定膜態(tài)沸騰，因?yàn)闊崃勘仨毚┻^的是熱阻較大的所以換熱系數(shù)比凝結(jié)小得多 實(shí)踐上，上述熱流密度的峰值有重大意臨界熱流密度①對(duì)于靠控制流度來改工況的熱，如加冷卻水熱核反應(yīng)一旦流度超過值工況將虛線跳穩(wěn)膜態(tài)沸線，將升近1000℃，可能導(dǎo)設(shè)備的毀所以必嚴(yán)格監(jiān)并制熱流確保在 圍內(nèi)。也于超過可導(dǎo)致設(shè)燒以亦稱燒毀點(diǎn)。DNBDepartmentfromNucleateBoilin減小 氣泡動(dòng)力學(xué)簡1、為什么沸騰傳熱有那樣高的傳熱強(qiáng)主要是由于氣泡的形成、成長以及脫離起的各種擾動(dòng)所2、加熱表面上什么地點(diǎn)最容易形成汽產(chǎn)生氣泡的點(diǎn)被稱為汽 ，普遍認(rèn)為壁面上的凹和細(xì)縫裂穴易殘留氣體，是最好的汽 3、加熱表面上要產(chǎn)生，根據(jù)力平衡條件lR2PP2l若忽略液柱靜壓力，pl則等于沸騰系統(tǒng)的環(huán)境壓力，即近似于plps（飽和溫度下的液體壓力）N/㎡。由熱平衡可知：汽泡內(nèi)蒸汽的溫度為壓力下的飽和溫面內(nèi)外溫度相等，則

tv因?yàn)閜Vpl,且pl＝pspVpstV汽泡外的液體是過熱的，其過熱度為t

。貼壁處液體具有

twt 則壁面凹處最先能滿足汽泡生成R p產(chǎn)生半徑為R的氣泡所需過熱度（克勞修斯－克拉貝龍方程TTT rv ②若汽泡半徑>R時(shí)，界面上汽泡不斷蒸發(fā)，汽泡才能成長R pTTT rv 可見，(tw–ts)↑

, 汽 數(shù)增 換熱7.5沸騰換熱也是對(duì)流換熱的一種，因此，牛頓冷仍然適用qh(twts心數(shù)，而汽化數(shù)受到壁面材料及其表面狀況、壓力、物性等的支配，由于因素比較復(fù)雜，文獻(xiàn)中沸騰傳熱的計(jì)算式較大。目前存在兩種計(jì)算是：針對(duì)一種液體的計(jì)算公式廣泛適用于各種液體的計(jì)算 cpl

cpl:r汽化潛熱rc

l

v

q：沸騰熱流密度； r

g(

l、：飽和液體、飽和蒸汽的密度顯熱顯熱/cpl特征長度：g(lvg()lllv無量綱關(guān)聯(lián)式可見q~

，因此，盡管有時(shí)上述計(jì)算公式得到的與實(shí)驗(yàn)值的偏差高達(dá)100％，但已知q計(jì)算將偏差縮小到33

： g()1

v)1 V 2 2 ，0104 0.149r12g( 物性均按照飽和溫度查取，無特征長度。當(dāng)加熱的特征長度大于三倍氣泡直徑時(shí)，即可適用 橫管的膜態(tài)沸g(shù)r()31h v v vd(twts 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＝(tw＋ts)/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)來建議采用如 方程來計(jì)算 h43h43h4 其中

hr Tw不凝結(jié)氣體對(duì)膜狀凝結(jié)換熱的影響與膜狀凝結(jié)換熱不同，液體中的不凝結(jié)換熱得到某種程只影響過冷沸騰，不影響飽和沸騰，因自然流換熱時(shí)htwtf)1

，因此，過冷會(huì)強(qiáng)化換熱圖中介質(zhì)為一個(gè)大氣壓下的 隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，超重力和微 從0.1～1009.8m/s2的范圍內(nèi)，g對(duì)核態(tài)Gr

NurPr)沸騰表面上的微笑凹坑最容易產(chǎn)生汽化，因此，凹坑多，汽化多，換熱就會(huì)得到強(qiáng)化。近幾十年來的強(qiáng)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：用燒結(jié)、釬焊