6 相變對流傳熱

第六章

相變對流傳熱.1

凝結(jié)傳熱的模式；膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式；膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化；沸騰傳熱的模式；大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化；熱管簡介；1主要內(nèi)容：相變（沸騰與凝結(jié)）換熱的特點(diǎn)及影響因素；相變換熱的研究與計(jì)算方法；相變換熱的強(qiáng)化技術(shù)。相變換熱屬于對流換熱，基本計(jì)算公式仍為牛頓冷卻公式：Φ=

A?h?Δt凝結(jié)換熱：沸騰換熱：Δt=ts-twΔt=tw-ts26.1

凝結(jié)傳熱的模式1.

珠狀凝結(jié)與膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)：凝結(jié)液體能很好地潤濕壁面，就會在壁面上鋪展成膜。珠狀凝結(jié)：凝結(jié)液體不能很好地潤濕壁面時(shí)，凝結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)的小液珠。3膜狀凝結(jié)的熱阻比珠狀凝結(jié)大一個(gè)數(shù)量級以上。46.2

膜狀凝結(jié)分析解及計(jì)算關(guān)聯(lián)式1.

層流膜狀凝結(jié)分析解努塞爾（1916）首先建立了層流膜狀凝結(jié)換熱的簡化熱物理模型和數(shù)學(xué)模型，他作了以下幾點(diǎn)假設(shè)：蒸氣為純飽和蒸氣，不含雜質(zhì)或不可凝氣體；汽、液物性均為常數(shù)；蒸氣靜止，對液膜表面無粘性力作用；液膜極薄，流速很低，忽略其慣性力；相變發(fā)生在汽-液界面上，界面處于飽和溫度；液膜內(nèi)僅有導(dǎo)熱作用，忽略對流傳熱方式；液膜的過冷度可以忽略不計(jì)；膜表面沒有波動(dòng)。根據(jù)上述假設(shè)，可使豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結(jié)換熱問題的數(shù)學(xué)模型大為簡化。5類似于外掠平板強(qiáng)迫對流層流換熱，對于豎直平壁表面穩(wěn)態(tài)層流膜狀凝結(jié)換熱，選取坐標(biāo)系如圖。微分方程組：6液膜在x方向的壓力梯度：微分方程組可簡化為：邊界條件：7將動(dòng)量方程與能量方程做兩次積分：下一步的關(guān)鍵需要求解液膜厚度隨x的變化規(guī)律8對dx的微元段做質(zhì)量平衡，通過L截面處寬為1m的壁面凝結(jié)液體的質(zhì)量流量為:在dx微元段上質(zhì)量流量的增量為：9從通過厚為δ的液膜的導(dǎo)熱與dqm的凝結(jié)液體釋放出來的潛熱相等凝結(jié)液體釋放的汽化潛熱10通過液膜的導(dǎo)熱積分局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：常數(shù)整個(gè)豎壁的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)液膜層流時(shí)豎壁膜狀凝結(jié)的努塞爾理論解112.

豎直管與水平管的比較及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1）水平圓管及球表面的凝結(jié)傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)水平管球d-水平管或者球的直徑。定性溫度：除汽化潛熱r按飽和溫度ts取值以外，其它參數(shù)都按液膜的算術(shù)平均溫度

取值。12（2）水平管外凝結(jié)與豎直管外凝結(jié)的比較橫管豎管橫管和豎管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式區(qū)別：a橫管特征長度為d，豎管特征長度為l；系數(shù)不同。當(dāng)l/d=50，橫管的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是豎管的2倍，故冷凝器通常都采用橫管的布置方案。13（3）分析解的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和假設(shè)條件的影響因素：液膜波動(dòng)143.

湍流膜狀凝結(jié)為判斷凝結(jié)液膜的流態(tài)，引進(jìn)膜層雷諾數(shù)Re。膜層雷諾數(shù)：根據(jù)液膜的特點(diǎn)取當(dāng)量直徑為特征長度的Re數(shù)。-壁底部x=l處液膜層的平均流速。-該截面處液膜層的當(dāng)量直徑。15-x=l處寬為1m的截面上凝結(jié)液的質(zhì)量流量。整個(gè)豎壁的傳熱量當(dāng)Re<1600時(shí)，凝結(jié)液膜為層流；當(dāng)Re>1600時(shí)，凝結(jié)液膜變?yōu)橥牧?，用下式?jì)算整個(gè)壁面的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。16例6-1：壓力為1.013×105Pa的水蒸氣在方形豎壁上凝結(jié)，壁的尺寸為30cm×30cm，壁溫保持98℃.試計(jì)算每小時(shí)的傳熱量及凝結(jié)蒸氣量。解：根據(jù)壓力，查表知ts

=100℃，r=2257

kJ/kg。物性參數(shù)按液膜平均溫度tm=（100℃+98℃）/2=99℃,查附錄得：采用層流液膜平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)（7-7）來計(jì)算：17根據(jù)式（7-10）驗(yàn)證Re準(zhǔn)則：＜1600說明原假設(shè)液膜為層流成立。傳熱量為：凝結(jié)蒸氣量為：186.3

膜狀凝結(jié)的影響因素及其傳熱強(qiáng)化19膜狀凝結(jié)的影響因素蒸氣中含有不凝結(jié)氣體；管子排數(shù)；管內(nèi)冷凝蒸氣流速；蒸氣過熱度；液膜過冷度及溫度分布的非線性。（1）不凝結(jié)氣體20如果水蒸氣中質(zhì)量含量占1%的空氣可使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%。不凝結(jié)氣體層增加蒸氣傳遞過程的阻力，降低蒸氣分壓力，減弱凝結(jié)的動(dòng)力，使得凝結(jié)過程削弱。（2）管子排數(shù)排管上的凝結(jié)液在下落時(shí)產(chǎn)生飛濺及對液膜產(chǎn)生沖擊擾動(dòng)，對傳熱過程造成影響。飛濺和擾動(dòng)的程度取決于管束的幾何布置、流體物性等，情況較為復(fù)雜。（3）管內(nèi)冷凝當(dāng)蒸氣流速低時(shí)，凝結(jié)液主要積聚在管子的底部，蒸氣位于管子上半部。當(dāng)蒸氣流速高時(shí)，形成環(huán)狀流動(dòng)，凝結(jié)液均勻地展布于管子四周，蒸氣位于中間。21（4）蒸氣流速蒸氣流速較高時(shí)，蒸氣流速對液膜表面會產(chǎn)生明顯的粘滯應(yīng)力。其影響又隨蒸氣流向與重力場同向或異向、流速大小以及是否撕破液膜等有關(guān)。當(dāng)蒸氣流動(dòng)方向與液膜向下的流動(dòng)同向時(shí)，液膜被拉薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；反方向時(shí)會阻滯液膜的流動(dòng)使其增厚，則表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)減小。（5）蒸氣過熱度把計(jì)算式中的潛熱改為過熱蒸氣與飽和液的焓差，也可用前述飽和蒸氣的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來計(jì)算過熱蒸氣的凝結(jié)傳熱系數(shù)。22（6）液膜過冷度及溫度分布的非線性努塞爾的理論分析忽略了液膜的過冷度，并假定液膜中的溫度呈線性分布。在實(shí)際工程中，要在原來的基礎(chǔ)上加上一個(gè)修正系數(shù)。雅各布（Jakob）數(shù)，是衡量液膜過冷度相對大小的無量綱23數(shù)。2.

膜狀凝結(jié)的強(qiáng)化原則和技術(shù)盡量減薄液膜厚度是強(qiáng)化膜狀凝結(jié)的基本原則。減薄蒸氣凝結(jié)時(shí)直接粘滯在固體表面上的液膜。b.及時(shí)地將傳熱表面上產(chǎn)生的凝結(jié)液體排走，不使其積存在傳熱表面上而進(jìn)一步使液膜加厚。24（2）強(qiáng)化技術(shù)簡介①減薄液膜厚度技術(shù)整體式低肋片鋸齒管25②及時(shí)排液的技術(shù)266.4

沸騰傳熱的模式沸騰：液體溫度超過相應(yīng)壓力下的飽和溫度時(shí)所發(fā)生的汽化現(xiàn)象，伴隨大量汽泡產(chǎn)生。均相沸騰：因壓力突降發(fā)生的沸騰現(xiàn)象（閃蒸），不存在加熱面。非均相沸騰：因表面加熱產(chǎn)生的沸騰現(xiàn)象。大容器沸騰（池沸騰）：由溫差和氣泡的擾動(dòng)引起。強(qiáng)迫流動(dòng)沸騰（管內(nèi)沸騰）:在外加的壓差下才能維持。主要討論大容器飽和沸騰27大容器飽和沸騰的特點(diǎn)：加熱表面上有汽泡生成，隨著汽泡長大和脫離壁面，容器內(nèi)的液體受到劇烈擾動(dòng)，換熱強(qiáng)度很高。1.

大容器飽和沸騰曲線qw-Δt=tw-ts

過熱度自然對流核態(tài)沸騰A-C（傳熱強(qiáng)）過渡沸騰C-D膜態(tài)沸騰D～E偏離核沸騰點(diǎn)，安全警界點(diǎn)282.

氣泡動(dòng)力學(xué)分析簡介汽化核心：汽泡產(chǎn)生點(diǎn)。易于成為汽化核心的位置：壁面上的凹坑、細(xì)縫、裂穴等。29加熱表面上要產(chǎn)生氣泡液體必須過熱汽泡的力平衡：汽泡的生成條件：當(dāng)tl

>ts時(shí)，液體是過熱的。過熱度越大，能夠生存的汽泡半徑越小。加熱壁面處的過熱度最大，所以該處的汽泡最容易生存。306.5

大容器沸騰傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.

大容器飽和核態(tài)沸騰的無量綱關(guān)聯(lián)式羅森諾公式：31ηl為飽和液體的動(dòng)力粘度（Pa?s）；r

為沸騰液體的汽化潛熱（kJ/kg）；γ

為液體與飽和蒸氣界面上的表面張力（N/m）；ρl、ρv分別為飽和液與飽和蒸氣的密度（kg/m3）；cpl為飽和液體的比定壓熱容（J/kg?K）；Δt

為壁面的過熱度，即沸騰溫差（℃）；s

為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，對水s=1，對其它液體，s=1.7；Cwl為根據(jù)加熱面與液體種類選取的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。3233342.

大容器飽和沸騰臨界熱流密度計(jì)算式適用條件：大空間核態(tài)飽和沸騰，加熱表面的特征尺寸遠(yuǎn)大于汽泡平均直徑。臨界熱流密度的數(shù)值與壓力密切相關(guān)，在比壓力（液體的壓力與其臨界壓力之比）大約等于0.3處，臨界熱流密度具有極大值。353.

大容器飽和液體膜態(tài)沸騰傳熱計(jì)算式膜態(tài)沸騰中氣膜的流動(dòng)和換熱類似于膜狀凝結(jié)中液膜的流動(dòng)與換熱，可用類似的分析方法分析，得到的解的函數(shù)形式也很相似：定性溫度：ρl和r采用飽和溫度ts，其余物性參數(shù)用tm=(tw+ts)/2。對于球面，系數(shù)0.62改為0.67。366.6

沸騰傳熱的影響因素及其強(qiáng)化1.

影響沸騰傳熱的因素（1）液體的物性(從羅森諾公式可以看出）（2）加熱表面狀況：決定汽化核心數(shù)目的多少。壁面材料的種類、熱物理性質(zhì)以及壁面的厚度等。如壁面與沸騰液體間的潤濕性、加熱壁面的吸熱系數(shù)對沸騰換熱都有影響；加熱壁面的粗糙度；(c)加熱壁面的氧化、老化和污垢沉積情況等。37液體的壓力液體核態(tài)沸騰的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨系統(tǒng)壓力的增加而增加。不凝氣體的含量、加熱表面的大小與方向以及液體自由表面的高度（即液位）、重力加速度等因素的影響。管內(nèi)沸騰豎管管內(nèi)沸騰示意圖382.

強(qiáng)化沸騰傳熱的原則和技術(shù)強(qiáng)化沸騰換熱的措施提高壁面過熱度Δt;采用強(qiáng)迫對流沸騰;改變加熱壁面狀況等;39406.7

熱管簡介41熱管的工作特點(diǎn)：傳熱能力強(qiáng)：一根鋼－水熱管的傳熱能力大致相當(dāng)于同樣尺寸紫銅棒導(dǎo)熱能力的1500倍；傳熱溫差?。唤Y(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、傳輸距離長；熱流密度可調(diào)（通過改變加熱段和放熱段的長度或加裝肋片）；采用不同的工質(zhì)可適用不同的溫度范圍；重力熱管示意圖42熱管應(yīng)用中存在的主要問題：密封性、熱管管材與工質(zhì)間的相容性。43熱管的