第七章相變傳熱7-1

第七章

相變對流傳熱§7-1凝結(jié)傳熱的模式一、兩種凝結(jié)形式膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)（1）形成原因：濕潤壁面的形式不同：取決于液體對壁面的附著力和液體的表面張力。當(dāng)附著力>表面張力:膜狀凝結(jié)當(dāng)附著力<表面張力:珠狀凝結(jié)（2）傳熱特點※膜狀凝結(jié)，凝結(jié)潛熱需要通過液膜傳遞給壁面（對于水蒸氣h可達到6x103~6x104);※珠狀凝結(jié)，存在著與蒸氣直接接觸的壁面（對于水蒸氣h可達到4x104~4x105);※流動特征的影響；※膜狀凝結(jié)穩(wěn)定，容易形成；珠狀凝結(jié)不穩(wěn)定，難以持久；(1)膜狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體能很好地濕潤壁面，并能在壁面上均勻鋪展成膜的凝結(jié)形式，稱膜狀凝結(jié)。特點：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上，此時液膜成為主要的換熱熱阻g(2)珠狀凝結(jié)

定義：凝結(jié)液體不能很好地濕潤壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個個小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。

特點：凝結(jié)放出的潛熱可不須穿過液膜的熱阻即可傳到冷卻壁面上。所以，在其它條件相同時，珠狀凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)。g§7-2膜狀凝結(jié)分析解及關(guān)聯(lián)式

一、純凈蒸汽層流膜狀凝結(jié)分析解1916年，努塞爾首先提出了純凈蒸氣層流膜狀凝結(jié)的分析解。應(yīng)用邊界層理論及其流動傳熱的微分方程；并認(rèn)為液膜層的導(dǎo)熱熱阻是主要熱阻。1.均勻壁溫豎直表面上的層流膜狀凝結(jié)做如下8個假定：1）常物性；2）蒸氣靜止，氣液界面上無對液膜的粘滯力即；3）液膜的慣性力忽略(動量方程中的慣性力項可忽略)；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，而無對流；6）液膜的過冷度忽略（凝液的焓值為飽和溫度時的焓值，不考慮顯熱傳熱）7）忽略蒸氣密度（）；8）液膜表面平整無波動。2.物理模型的建立及邊界層微分方程組的簡化在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動的微分方程組為：下腳標(biāo)

l表示液相假定（3）假定（5）假定（7）假定（2）假定（4）假定（1）隱含了假定（8）隱含了假定（6）后用邊界條件：將以上方程積分兩次，并代入邊界條件得：通過l處寬為1m的橫截面凝結(jié)液體的質(zhì)量流量為：3.方程組求解及結(jié)果：微元dx上的質(zhì)量增量：微元dx的能量守恒方程：假定（6）將以上方程積分得：(1)液膜厚度定性溫度：注意：r

按ts

確定(2)局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)整個豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)定性溫度：注意：r

按ts

確定中的V表示豎壁。對于與水平軸的傾斜角為的傾斜壁，可將上式中的

改為即可應(yīng)用于傾斜壁面。二.豎直管與水平管的比較及實驗驗證1.對于水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時，其平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：水平管：球體表面：定性溫度：注意：r

按ts

確定對于各種流體和實驗值的誤差在10%以內(nèi)。2.水平管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：水平管：豎管（可當(dāng)做豎壁）：橫管與豎管的對流換熱系數(shù)之比：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：3.實驗驗證三.湍流膜狀凝結(jié)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。對水平管，用代替上式中的即可。并且橫管一般都處于層流狀態(tài)。如圖由熱平衡所以（一定流量凝液凝結(jié)潛熱全部由對流傳熱傳給壁面）流態(tài)判斷（實驗證明）：

（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時，液膜由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎?/p>

（2）橫管均在層流范圍內(nèi)，因為管徑較小。紊流特征

:對于紊流液膜，熱量的傳遞：（1）靠近壁面極薄的層流底層依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量；（2）層流底層以外的紊流層以紊流傳遞的熱量為主。因此，紊流液膜換熱大于層流液膜換熱。無波動層流有波動層流湍流計算方法：對于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個壁面上的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)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為豎壁的總高度利用上面處理方式，整理的整個壁面的凝結(jié)換熱實驗關(guān)聯(lián)式：式中：，伽利略數(shù)。除用壁溫計算外，其余物理量的定性溫度均為稱為凝結(jié)準(zhǔn)則式7-3：式7-4：式7-7：根據(jù)：及可改寫層流凝結(jié)換熱公式：例題7-1：一臺臥式蒸汽熱水器，黃銅管外徑d=16mm，表面溫度tw=60℃，水蒸氣飽和溫度ts=140℃。（1）求單管的凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；（2）熱水器垂直列上共有12根管，求凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：ts=140℃時，潛熱r=2144.1kJ/kg

（代入公式時必須乘1000）;

由液膜平均溫度查水的物性數(shù)據(jù)：單管（式7-4）：管排：不需要判斷流態(tài)（橫管都在層流）例題7-2：外徑50mm管子垂直放置，ts=120℃的干飽和蒸氣在管外凝結(jié)，管長l=3m，tw=100℃，求凝液膜流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的高度xc及該管全長平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、傳熱量及凝結(jié)蒸氣量。解：ts=120℃時，潛熱r=2202kJ/kg;

由液膜平均溫度查水的物性數(shù)據(jù)：Re=1600時：可見凝結(jié)液膜既有層流又有湍流！采用課本7-12式：由公式要求的定性溫度查水的物性數(shù)據(jù)：假定Re，然后校核：假定Re=3015；用Re計算公式直接計算hv1=6570W/(m2K)計算Nu=28735.77，再計算

時的也可假定Hv，然校核！傳熱量：凝結(jié)蒸氣量：其中hv=6570W/(m2K)課本例題7-1自學(xué)§7-3影響膜狀凝結(jié)的因素及傳熱強化

一.膜狀凝結(jié)的影響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，受各種因素的影響。2.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?？捎胣d代替7-4式中的d進行計算，但計算值是偏保守的。1.不凝結(jié)氣體

不凝結(jié)氣體增加了傳遞過程的阻力，同時使得液膜外蒸氣分壓力下降，飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動力。

3.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，中心為蒸氣核。6.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.過熱蒸氣要考慮過熱蒸氣與飽和液的焓差，以代替r。4.蒸氣流速

流速較高時，蒸氣流對液膜表面產(chǎn)生粘滯應(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。流動方向相反時，阻滯液膜的流動，使得液膜變厚使，減小。7.表面粗糙度

在低雷諾數(shù)時，凝液容易積存于粗糙壁面上，從而使液膜增厚，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可低于光滑壁30%左右。當(dāng)Re>140后，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)又高于光滑壁，類似于粗糙壁對單相流體對流換熱的影響。8.蒸氣含油如果油不溶于凝液，油可沉積在壁面上形成油垢，增加熱阻。

二.凝結(jié)傳熱的強化原則和技術(shù)強化凝結(jié)換熱的原則：1.盡量減薄粘滯在換熱表面上的液膜的厚度；2.及時將壁面上的凝結(jié)液排走。措施和技術(shù)：1.在工藝允許的情況下，對于立管可減小管的高度；改立管為豎管；改變表面幾何特征，主要是在壁面上開溝槽，拉絲等?？梢允贡砻?zhèn)鳠嵯禂?shù)成倍增加，原理：表面張力使得凝液在尖峰處變薄。2.加速凝液的排除，用導(dǎo)流裝置、使用離心力、低頻振蕩和靜電吸引等方法。3.有效排除不凝氣體。4.采用能形成珠狀凝結(jié)的表面，在壁面上涂鍍凝