第七章相變傳熱7-1

第七章

相變對(duì)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(rùn)壁面的形式不同：取決于液體對(duì)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(diǎn)※膜狀凝結(jié)，凝結(jié)潛熱需要通過(guò)液膜傳遞給壁面（對(duì)于水蒸氣h可達(dá)到6x103~6x104);※珠狀凝結(jié)，存在著與蒸氣直接接觸的壁面（對(duì)于水蒸氣h可達(dá)到4x104~4x105);※流動(dòng)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(rùn)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(diǎn)：壁面上有一層液膜，凝結(jié)放出的相變熱（潛熱）須穿過(guò)液膜才能傳到冷卻壁面上，此時(shí)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(rùn)壁面，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)小液珠的凝結(jié)形式，稱珠狀凝結(jié)。

特點(diǎn)：凝結(jié)放出的潛熱可不須穿過(guò)液膜的熱阻即可傳到冷卻壁面上。所以，在其它條件相同時(shí)，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(dòng)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(gè)假定：1）常物性；2）蒸氣靜止，氣液界面上無(wú)對(duì)液膜的粘滯力即；3）液膜的慣性力忽略(動(dòng)量方程中的慣性力項(xiàng)可忽略)；4）氣液界面上無(wú)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(wú)對(duì)流；6）液膜的過(guò)冷度忽略（凝液的焓值為飽和溫度時(shí)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(wú)波動(dòng)。2.物理模型的建立及邊界層微分方程組的簡(jiǎn)化在穩(wěn)態(tài)情況下，凝結(jié)液膜流動(dòng)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(guò)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(gè)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(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.對(duì)于水平圓管及球表面上的層流膜狀凝結(jié)時(shí)，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(duì)于各種流體和實(shí)驗(yàn)值的誤差在10%以內(nèi)。2.水平管與豎管的對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)之比：實(shí)驗(yàn)表明，由于液膜表面波動(dòng)，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20％左右修正后：3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三.湍流膜狀凝結(jié)凝結(jié)液體流動(dòng)也分層流和湍流，并且其判斷依據(jù)仍然時(shí)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(duì)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(duì)流傳熱傳給壁面）流態(tài)判斷（實(shí)驗(yàn)證明）：

（1）膜層雷諾數(shù)Re=1600時(shí)，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?yàn)楣軓捷^小。紊流特征

:對(duì)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(wú)波動(dòng)層流有波動(dòng)層流湍流計(jì)算方法：對(duì)于豎壁湍流膜狀換熱，沿整個(gè)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(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高度

l為豎壁的總高度利用上面處理方式，整理的整個(gè)壁面的凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：，伽利略數(shù)。除用壁溫計(jì)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(xiě)層流凝結(jié)換熱公式：例題7-1：一臺(tái)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(shí)，潛熱r=2144.1kJ/kg

（代入公式時(shí)必須乘1000）;

由液膜平均溫度查水的物性數(shù)據(jù)：?jiǎn)喂埽ㄊ?-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(zhǎng)l=3m，tw=100℃，求凝液膜流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)的高度xc及該管全長(zhǎng)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、傳熱量及凝結(jié)蒸氣量。解：ts=120℃時(shí)，潛熱r=2202kJ/kg;

由液膜平均溫度查水的物性數(shù)據(jù)：Re=1600時(shí)：可見(jiàn)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(jì)算公式直接計(jì)算hv1=6570W/(m2K)計(jì)算Nu=28735.77，再計(jì)算

時(shí)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(qiáng)化

一.膜狀凝結(jié)的影響因素工程實(shí)際中所發(fā)生的膜狀凝結(jié)過(guò)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(huì)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(jìn)行計(jì)算，但計(jì)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(guò)程的阻力，同時(shí)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(dòng)力。

3.管內(nèi)冷凝

此時(shí)換熱與蒸氣的流速關(guān)系很大。

蒸氣流速低時(shí)，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(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻分布在管子四周，中心為蒸氣核。6.液膜過(guò)冷度及溫度分布的非線性如果考慮過(guò)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，

5.過(guò)熱蒸氣要考慮過(guò)熱蒸氣與飽和液的焓差，以代替r。4.蒸氣流速

流速較高時(shí)，蒸氣流對(duì)液膜表面產(chǎn)生粘滯應(yīng)力。如果蒸氣流動(dòng)與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，使液膜拉薄，增大。流動(dòng)方向相反時(shí)，阻滯液膜的流動(dòng)，使得液膜變厚使，減小。7.表面粗糙度

在低雷諾數(shù)時(shí)，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(duì)單相流體對(duì)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(qiáng)化原則和技術(shù)強(qiáng)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(shí)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(duì)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(kāi)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